JP6969471B2 - Insulated circuit board - Google Patents

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Description

この発明は、絶縁層の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、このアルミニウム層に固相拡散接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有する回路層が形成された絶縁回路基板に関するものである。 In the present invention, a circuit layer having an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and a copper layer made of copper or a copper alloy solid-phase diffusion bonded to the aluminum layer is formed on one surface of the insulating layer. It relates to an insulated circuit board.

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、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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、を備えた絶縁回路基板が、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。 Semiconductor devices such as LEDs and power modules have a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
Since a power semiconductor element for high power control used for controlling a wind power generation, an electric vehicle, a hybrid vehicle, etc. has a large amount of heat generation, the substrate on which the power semiconductor element is mounted includes, for example, aluminum nitride (AlN) or alumina. Insulated circuit boards having a ceramic substrate made of (Al 2 O 3 ) or the like and a circuit layer formed by joining a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate have been widely used conventionally. Has been done. As the power joule substrate, a substrate in which a metal layer is formed on the other surface of the 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アルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板と、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、絶縁回路基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路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, an insulating circuit board in which a circuit layer and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy are formed on one surface and the other surface of a ceramics substrate, and a solder material on the circuit layer. It has a structure including a semiconductor element bonded via a soldering element.
A heat sink is bonded to the metal layer side of the insulating circuit board, and the heat transferred from the semiconductor element to the insulating circuit board side is dissipated to the outside via 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又はアルミニウム合金で構成した場合には、その表面にアルミニウム酸化物の皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子やヒートシンクを接合することができないといった問題があった。 By the way, when the circuit layer and the metal layer are made of aluminum or an aluminum alloy as in the power module described in Patent Document 1, an aluminum oxide film is formed on the surface thereof, so that the semiconductor is made of a solder material. There was a problem that the element and the heat sink could not be joined.

そこで、特許文献２には、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層の積層構造とした絶縁回路基板が提案されている。この絶縁回路基板においては、回路層及び金属層の表面には銅層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子及びヒートシンクを良好に接合することができる。このため、積層方向の熱抵抗が小さくなり、半導体素子から発生した熱をヒートシンク側へと効率良く伝達することが可能となる。 Therefore, Patent Document 2 proposes an insulating circuit board having a circuit layer and a metal layer having a laminated structure of an aluminum layer and a copper layer. In this insulated circuit board, since the copper layer is arranged on the surface of the circuit layer and the metal layer, the semiconductor element and the heat sink can be satisfactorily bonded by using the solder material. Therefore, the thermal resistance in the stacking direction becomes small, and the heat generated from the semiconductor element can be efficiently transferred to the heat sink side.

特許第３１７１２３４号公報Japanese Patent No. 3171234 特開２０１４−１６０７９９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-160799

ところで、上述の絶縁回路基板の回路層においては、半導体素子が搭載されるとともに、端子材等の部材が超音波接合されることがある。
ここで、特許文献２に記載されたように、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と銅又は銅合金からなる銅層とを固相拡散接合されてなる回路層においては、超音波接合時に、銅層が変形してしまい、アルミニウム層と銅層との接合界面で剥離が生じることがあった。
一方、超音波接合時における銅層の変形を抑制するために、銅層の厚さを厚く形成した場合には、半導体素子との熱膨張係数の差が大きくなり、半導体素子との接合性が低下するおそれがあった。 By the way, in the circuit layer of the above-mentioned insulated circuit board, a semiconductor element may be mounted and a member such as a terminal material may be ultrasonically bonded.
Here, as described in Patent Document 2, in the circuit layer in which the aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and the copper layer made of copper or a copper alloy are solid-phase diffusion-bonded, copper is formed at the time of ultrasonic bonding. The layer was deformed, and peeling sometimes occurred at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer.
On the other hand, when a thick copper layer is formed in order to suppress deformation of the copper layer during ultrasonic bonding, the difference in the coefficient of thermal expansion from the semiconductor element becomes large, and the bonding property with the semiconductor element becomes large. There was a risk of deterioration.

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、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と銅又は銅合金からなる銅層とが固相拡散接合されてなる回路層において、半導体素子との接合性に優れ、かつ、超音波接合時にアルミニウム層と銅層との接合界面での剥離を抑制することが可能な絶縁回路基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is a semiconductor element in a circuit layer in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and a copper layer made of copper or a copper alloy are solid-phase diffusion-bonded. It is an object of the present invention to provide an insulated circuit substrate having excellent bondability and capable of suppressing peeling at a bonding interface between an aluminum layer and a copper layer during ultrasonic bonding.

前述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有しており、前記回路層の前記絶縁層とは反対側を向く面には、半導体素子が搭載される素子搭載領域と、他の部材が超音波接合される超音波接合領域と、が形成されており、前記素子搭載領域における前記銅層の厚さt１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さt２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なり、Ｈ１≦Ｈ２、ｔ２×Ｈ２＞ｔ１×Ｈ１、１０≦ｔ２×Ｈ２≦１１０、を満足することを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the insulating circuit board of the present invention is an insulating circuit board including an insulating layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and the circuit layer is made of aluminum. Alternatively, it has an aluminum layer made of an aluminum alloy and a copper layer made of copper or a copper alloy bonded to the aluminum layer, and a semiconductor is formed on the surface of the circuit layer facing the opposite side to the insulating layer. An element mounting region on which the element is mounted and an ultrasonic bonding region in which other members are ultrasonically bonded are formed, and the product t1 of the thickness t1 and the hardness H1 of the copper layer in the element mounting region is formed. and × H1, the product t2 × H2 of thickness t2 and hardness H2 of the copper layer in the ultrasonic bonding area, unlike one another, H1 ≦ H2, t2 × H2 > t1 × H1,10 ≦ t2 × H2 ≦ It is characterized by satisfying 110.

この構成の絶縁回路基板によれば、前記回路層の前記絶縁層とは反対側を向く面に、半導体素子が搭載される素子搭載領域と、他の部材が超音波接合される超音波接合領域と、が形成されており、前記素子搭載領域における前記銅層の厚さt１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さt２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なっているので、素子搭載領域及び超音波接合領域において、それぞれに適した構成の銅層を形成することができ、半導体素子との接合信頼性に優れ、かつ、超音波接合時におけるアルミニウム層と銅層との接合界面での隔離の発生を抑制することが可能となる。 According to the insulating circuit board having this configuration, an element mounting region on which a semiconductor element is mounted and an ultrasonic bonding region in which other members are ultrasonically bonded are ultrasonically bonded to the surface of the circuit layer facing the opposite side to the insulating layer. , The product of the product t1 × H1 of the thickness t1 and the hardness H1 of the copper layer in the element mounting region, and the product of the thickness t2 and the hardness H2 of the copper layer in the ultrasonic bonding region. Since t2 × H2 are different from each other, a copper layer having a configuration suitable for each can be formed in the element mounting region and the ultrasonic bonding region, the bonding reliability with the semiconductor element is excellent, and ultrasonic waves are used. It is possible to suppress the occurrence of isolation at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer at the time of bonding.

前記超音波接合領域における前記銅層の厚さt２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、前記素子搭載領域における前記銅層の厚さt１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも大きいので、超音波接合領域においては、銅層の剛性を確保することで超音波接合時における銅層の変形を抑制でき、アルミニウム層と銅層との接合界面での剥離の発生を抑制することが可能となる。また、前記素子搭載領域においては、半導体素子との熱膨張係数の差を小さく抑えることができ、半導体素子との接合性を確保することができる。 Product t2 × H2 of thickness t2 and hardness H2 of the copper layer before Symbol ultrasonic bonding region, since the greater than the product t1 × H1 of thickness t1 and hardness H1 of the copper layer in the element mounting area In the ultrasonic bonding region, by ensuring the rigidity of the copper layer, it is possible to suppress the deformation of the copper layer during ultrasonic bonding, and it is possible to suppress the occurrence of peeling at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer. Will be. Further, in the element mounting region, the difference in the coefficient of thermal expansion from the semiconductor element can be suppressed to a small size, and the bondability with the semiconductor element can be ensured.

また、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が１０以上１１０以下の範囲内とされているので、超音波接合領域における銅層の剛性を十分に確保することができ、超音波接合時におけるアルミニウム層と銅層との接合界面での隔離の発生を確実に抑制することができる。 Further , since the product t2 × H2 of the thickness t2 and the hardness H2 of the copper layer in the ultrasonic bonding region is within the range of 10 or more and 110 or less, the rigidity of the copper layer in the ultrasonic bonding region is sufficiently sufficient. It can be ensured and the occurrence of isolation at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer during ultrasonic bonding can be reliably suppressed.

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、前記素子搭載領域における前記銅層の厚さｔ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さｔ２とが、互いに異なる構成としてもよい。
この場合、前記素子搭載領域における前記銅層の厚さｔ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さｔ２とを、互いに異なるように構成することにより、前記素子搭載領域における前記銅層の厚さt１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さt２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２とを、互いに異なるように構成することが可能となる。 Further, in the insulating circuit board of the present invention, the thickness t1 of the copper layer in the element mounting region and the thickness t2 of the copper layer in the ultrasonic bonding region may be different from each other.
In this case, by configuring the thickness t1 of the copper layer in the element mounting region and the thickness t2 of the copper layer in the ultrasonic bonding region so as to be different from each other, the copper layer in the element mounting region is formed. It is possible to configure the product t1 × H1 of the thickness t1 and the hardness H1 and the product t2 × H2 of the copper layer thickness t2 and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region so as to be different from each other. Become.

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記超音波接合領域は、前記素子搭載領域における前記銅層の硬さＨ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の硬さＨ２とが、互いに異なる構成としてもよい。
この場合、前記素子搭載領域における前記銅層の硬さＨ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の硬さＨ２とを、互いに異なるように構成することにより、前記素子搭載領域における前記銅層の厚さt１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さt２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２とを、互いに異なるように構成することが可能となる。 Further, in the insulating circuit substrate of the present invention, in the ultrasonic bonding region, the hardness H1 of the copper layer in the element mounting region and the hardness H2 of the copper layer in the ultrasonic bonding region are different from each other. It may be configured.
In this case, by configuring the hardness H1 of the copper layer in the element mounting region and the hardness H2 of the copper layer in the ultrasonic bonding region so as to be different from each other, the copper layer in the element mounting region is formed. It is possible to configure the product t1 × H1 of the thickness t1 and the hardness H1 and the product t2 × H2 of the copper layer thickness t2 and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region so as to be different from each other. Become.

本発明によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と銅又は銅合金からなる銅層とが固相拡散接合されてなる回路層において、半導体素子との接合性に優れ、かつ、超音波接合時にアルミニウム層と銅層との接合界面での剥離を抑制することが可能な絶縁回路基板を提供することが可能となる。 According to the present invention, in a circuit layer in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and a copper layer made of copper or a copper alloy are solid-phase diffusion bonded, the bondability with a semiconductor element is excellent and ultrasonic bonding is performed. Occasionally, it becomes possible to provide an insulated circuit substrate capable of suppressing peeling at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer.

本発明の第一実施形態に係る絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module provided with the insulation circuit board which concerns on 1st Embodiment of this invention. 第一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明するフロー図である。It is a flow diagram explaining the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on 1st Embodiment. 第一実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on 1st Embodiment. 本発明の第二実施形態に係る絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module provided with the insulation circuit board which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 第二実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明するフロー図である。It is a flow diagram explaining the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on 2nd Embodiment. 第二実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on 2nd Embodiment. 本発明の第三実施形態に係る絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module provided with the insulation circuit board which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 第三実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法を説明するフロー図である。It is a flow diagram explaining the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on 3rd Embodiment. 第三実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on 3rd Embodiment.

（第一実施形態）
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第一実施形態である絶縁回路基板１０、及び、この絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。 (First Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows an insulated circuit board 10 according to the first embodiment of the present invention, and a power module 1 using the insulated circuit board 10.

図１に示すパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に超音波接合された端子材５と、絶縁回路基板１０の下側に第２はんだ層８を介して接合されたヒートシンク６１と、を備えている。 The power module 1 shown in FIG. 1 includes an insulating circuit board 10, a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the insulating circuit board 10 via a first solder layer 2, and an insulating circuit board. A terminal material 5 ultrasonically bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of 10 and a heat sink 61 bonded to the lower side of the insulating circuit board 10 via a second solder layer 8 are provided.

半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。絶縁回路基板１０と半導体素子３とを接合する第１はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。 The semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si. The first solder layer 2 for joining the insulating circuit board 10 and the semiconductor element 3 is, for example, a Sn-Ag-based, Sn-Cu-based, Sn-In-based, or Sn-Ag-Cu-based solder material (so-called lead-free solder). Material).

端子材５は、導電性に優れた金属で構成されており、本実施形態では、銅又は銅合金からなるリードフレーム材とされている。 The terminal material 5 is made of a metal having excellent conductivity, and in the present embodiment, it is a lead frame material made of copper or a copper alloy.

ヒートシンク６１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク６１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成された放熱板とされている。絶縁回路基板１０とヒートシンク６１とを接合する第２はんだ層８は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。 The heat sink 61 is for dissipating heat on the insulating circuit board 10 side. The heat sink 61 is made of copper or a copper alloy, and in the present embodiment, it is a heat sink made of oxygen-free copper. The second solder layer 8 for joining the insulating circuit board 10 and the heat sink 61 is, for example, a Sn-Ag-based, Sn-Cu-based, Sn-In-based, or Sn-Ag-Cu-based solder material (so-called lead-free solder material). ).

絶縁回路基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層２０と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層３０と、を備えている。 The insulating circuit board 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, a circuit layer 20 disposed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the other surface of the ceramic substrate 11 (FIG. 1). A metal layer 30 is provided on the lower surface of the surface).

セラミックス基板１１は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate 11 is made of ceramics such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (Al N), and alumina (Al 2 O 3 ), which are excellent in insulating properties and heat dissipation. In the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of aluminum nitride (AlN), which has particularly excellent heat dissipation. Further, the thickness of the ceramic substrate 11 is set to, for example, 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and in this embodiment, it is set to 0.635 mm.

回路層２０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層２１と、このアルミニウム層２１の一方の面に積層された銅層２２と、を有している。
なお、回路層２０におけるアルミニウム層２１の厚さは、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０．４ｍｍに設定されている。
アルミニウム層２１は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム及びアルミニウム合金からなるアルミニウム板４１が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、アルミニウム層２１となるアルミニウム板４１は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。 As shown in FIG. 1, the circuit layer 20 has an aluminum layer 21 arranged on one surface of the ceramic substrate 11 and a copper layer 22 laminated on one surface of the aluminum layer 21. There is.
The thickness of the aluminum layer 21 in the circuit layer 20 is set within the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.4 mm in the present embodiment.
As shown in FIG. 3, the aluminum layer 21 is formed by joining an aluminum plate 41 made of aluminum and an aluminum alloy to one surface of a ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the aluminum plate 41 to be the aluminum layer 21 is made of aluminum having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum) or aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum).

この回路層２０においては、セラミックス基板１１とは反対側を向く面に、半導体素子３が搭載される素子搭載領域２０Ａと、端子材５が超音波接合される超音波接合領域２０Ｂとが形成されている。
そして、回路層２０の銅層２２は、上述の半導体素子搭載領域２０Ａに対応する第１銅層２２Ａと、超音波接合領域２０Ｂに対応する第２銅層２２Ｂと、で構成が異なるものとされている。 In this circuit layer 20, an element mounting region 20A on which the semiconductor element 3 is mounted and an ultrasonic bonding region 20B to which the terminal material 5 is ultrasonically bonded are formed on a surface facing the opposite side to the ceramic substrate 11. ing.
The copper layer 22 of the circuit layer 20 has a different configuration from the first copper layer 22A corresponding to the above-mentioned semiconductor element mounting region 20A and the second copper layer 22B corresponding to the ultrasonic bonding region 20B. ing.

具体的には、素子搭載領域２０Ａにおける第１銅層２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なるように構成されている。
本実施形態においては、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、素子搭載領域２０Ａにおける第１銅層２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも大きくなるように、構成されている。
そして、本実施形態においては、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が１０以上１１０以下の範囲内とされている。 Specifically, the product t1 × H1 of the thickness t1 of the first copper layer 22A and the hardness H1 in the element mounting region 20A, and the thickness t2 and the hardness H2 of the second copper layer 22B in the ultrasonic bonding region 20B. The product t2 × H2 is configured to be different from each other.
In this embodiment, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 22B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 20B is the thickness t1 and the hardness H1 of the first copper layer 22A in the element mounting region 20A. It is configured to be larger than the product t1 × H1.
In this embodiment, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 22B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 20B is set to be within the range of 10 or more and 110 or less.

本実施形態においては、図１に示すように、第１銅層２２Ａの厚さｔ１と第２銅層２２Ｂの厚さｔ２とが同一とされており、第２銅層２２Ｂと第１銅層２２Ａとが異なる材質で構成され、第２銅層２２Ｂの硬さＨ２が、第１銅層２２Ａの硬さＨ１よりも硬いものとされている。
具体的には、銅層２２の厚さ（第１銅層２２Ａの厚さｔ１及び第２銅層２２Ｂの厚さｔ２）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０．４ｍｍに設定されている。
そして、第２銅層２２Ｂのビッカース硬さＨ２が５０Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下の範囲内とされ、第１銅層２２Ａのビッカース硬さＨ１が２０Ｈｖ以上５０Ｈｖ以下の範囲内とされている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the thickness t1 of the first copper layer 22A and the thickness t2 of the second copper layer 22B are the same, and the second copper layer 22B and the first copper layer are the same. It is made of a material different from that of 22A, and the hardness H2 of the second copper layer 22B is harder than the hardness H1 of the first copper layer 22A.
Specifically, the thickness of the copper layer 22 (thickness t1 of the first copper layer 22A and thickness t2 of the second copper layer 22B) is set within the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less. In this embodiment, it is set to 0.4 mm.
The Vickers hardness H2 of the second copper layer 22B is within the range of 50 Hv or more and 200 Hv or less, and the Vickers hardness H1 of the first copper layer 22A is within the range of 20 Hv or more and 50 Hv or less.

銅層２２（第１銅層２２Ａ及び第２銅層２２Ｂ）は、図３に示すように、アルミニウム層２１に、銅又は銅合金からなる銅板４２（第１銅板４２Ａ及び第２銅板４２Ｂ）が接合されることにより形成されている。
ここで、本実施形態においては、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂを構成する第２銅板４２Ｂのビッカース硬さが、素子搭載領域２０Ａにおける第１銅層２２Ａを構成する第１銅板４２Ａのビッカース硬さよりも、硬いものとされている。 As shown in FIG. 3, the copper layer 22 (first copper layer 22A and second copper layer 22B) has a copper plate 42 (first copper plate 42A and second copper plate 42B) made of copper or a copper alloy on the aluminum layer 21. It is formed by being joined.
Here, in the present embodiment, the Vickers hardness of the second copper plate 42B constituting the second copper layer 22B in the ultrasonic bonding region 20B determines the first copper plate 42A constituting the first copper layer 22A in the element mounting region 20A. It is said to be harder than the Vickers hardness of.

具体的には、素子搭載領域２０Ａにおける第１銅層２２Ａを構成する第１銅板４２Ａは、例えば銅の純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上とされた無酸素銅等の純銅からなる圧延板とされている。また、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂを構成する第２銅板４２Ｂは、例えばＺｒの含有量が０．０１ｍａｓｓ％以上０．１ｍａｓｓ％以下の範囲で含有するＺｒ入り銅等の銅合金からなる圧延板とされている。 Specifically, the first copper plate 42A constituting the first copper layer 22A in the element mounting region 20A is, for example, a rolled plate made of pure copper such as oxygen-free copper having a copper purity of 99.99 mass% or more. There is. Further, the second copper plate 42B constituting the second copper layer 22B in the ultrasonic bonding region 20B is a copper alloy such as copper containing Zr containing, for example, a Zr content in the range of 0.01 mass% or more and 0.1 mass% or less. It is said to be a rolled plate made of.

ここで、アルミニウム層２１と銅層２２（第１銅層２２Ａ及び第２銅層２２Ｂ）は、それぞれ固相拡散接合されている。
なお、アルミニウム層２１と銅層２２（第１銅層２２Ａ及び第２銅層２２Ｂ）の接合界面においては、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。 Here, the aluminum layer 21 and the copper layer 22 (first copper layer 22A and second copper layer 22B) are solid-phase diffusion bonded, respectively.
At the junction interface between the aluminum layer 21 and the copper layer 22 (first copper layer 22A and second copper layer 22B), an intermetallic compound layer composed of an intermetallic compound of Cu and Al is formed, and the intermetallic compound layer is formed. The compound layer has a structure in which a plurality of phases of intermetallic compounds are laminated.

金属層３０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたアルミニウム層３１と、このアルミニウム層３１の他方の面に積層された銅層３２と、を有している。
なお、金属層３０におけるアルミニウム層３１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。
また、金属層３０における銅層３２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．４ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 1, the metal layer 30 has an aluminum layer 31 disposed on the other surface of the ceramic substrate 11 and a copper layer 32 laminated on the other surface of the aluminum layer 31. There is.
The thickness of the aluminum layer 31 in the metal layer 30 is set within the range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
Further, the thickness of the copper layer 32 in the metal layer 30 is set within the range of 0.1 mm or more and 6.0 mm or less, and in the present embodiment, it is set to 0.4 mm.

金属層３０におけるアルミニウム層３１は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム及びアルミニウム合金からなるアルミニウム板５１が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層３０におけるアルミニウム層３１となるアルミニウム板５１は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。 As shown in FIG. 3, the aluminum layer 31 in the metal layer 30 is formed by joining an aluminum plate 51 made of aluminum and an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the aluminum plate 51 to be the aluminum layer 31 in the metal layer 30 is made of aluminum having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum) or aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum). ..

金属層３０における銅層３２は、図３に示すように、アルミニウム層３１に、銅又は銅合金からなる銅板５２が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層３０における銅層３２を構成する銅板５２は、無酸素銅の圧延板とされている。 As shown in FIG. 3, the copper layer 32 in the metal layer 30 is formed by joining a copper plate 52 made of copper or a copper alloy to the aluminum layer 31.
In the present embodiment, the copper plate 52 constituting the copper layer 32 in the metal layer 30 is a rolled plate of oxygen-free copper.

ここで、金属層３０におけるアルミニウム層３１と銅層３２は、固相拡散接合されている。
なお、アルミニウム層３１と銅層３２の接合界面においては、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。 Here, the aluminum layer 31 and the copper layer 32 in the metal layer 30 are solid-phase diffusion bonded.
At the junction interface between the aluminum layer 31 and the copper layer 32, an intermetallic compound layer composed of an intermetallic compound of Cu and Al is formed, and the intermetallic compound layer is laminated with a plurality of phases of intermetallic compounds. It is said that the configuration is as follows.

次に、本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。 Next, a method of manufacturing the insulated circuit board 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

（アルミニウム層形成工程Ｓ０１）
図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層２１となるアルミニウム板４１を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔４６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム層３１となるアルミニウム板５１を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔５６を介して積層する。なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔４６、５６として、厚さ１０μｍのＡｌ−８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。 (Aluminum layer forming step S01)
As shown in FIG. 3, an aluminum plate 41 to be an aluminum layer 21 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 via an Al—Si-based brazing foil 46, and is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11. , The aluminum plate 51 to be the aluminum layer 31 is laminated via the Al—Si based brazing material foil 56. In this embodiment, Al-8 mass% Si alloy foil having a thickness of 10 μm was used as the Al—Si brazing material foils 46 and 56.

そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板４１とセラミックス基板１１を接合してアルミニウム層２１を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板５１を接合してアルミニウム層３１を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。 Then, the aluminum plate 41 and the ceramic substrate 11 are joined to each other by arranging the aluminum plate 41 and the ceramic substrate 11 in a vacuum heating furnace in a state of pressurization (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 (0.1 to 3.5 MPa)) in the stacking direction and heating. The aluminum layer 21 is formed. Further, the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 51 are joined to form the aluminum layer 31.
Here, the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10-6 Pa or more and 10-3 Pa or less, the heating temperature is in the range of 600 ° C. or more and 650 ° C. or less, and the holding time at the heating temperature is 15 minutes or more and 180 minutes or less. It is preferable that it is set within the range of.

（銅板積層工程Ｓ０２）
次に、アルミニウム層２１の一方の面側（図３において上側）に、第１銅層２２Ａとなる第１銅板４２Ａ及び第２銅層２２Ｂとなる第２銅板４２Ｂとを、並列するように積層する。
また、アルミニウム層３１の他方の面側（図３において下側）に、銅層３２となる銅板５２を積層し、積層体を形成する。
ここで、上述のように、第１銅板４２Ａは、無酸素銅からなる圧延板とされ、第２銅板４２Ｂは、Ｚｒの含有量が０．０１ｍａｓｓ％以上０．１ｍａｓｓ％以下の範囲で含有するＺｒ入り銅の圧延板とされている。
なお、アルミニウム層２１，３１、第１銅板４２Ａ、第２銅板４２Ｂ、銅板５２の、それぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。 (Copper plate laminating step S02)
Next, the first copper plate 42A to be the first copper layer 22A and the second copper plate 42B to be the second copper layer 22B are laminated in parallel on one surface side (upper side in FIG. 3) of the aluminum layer 21. do.
Further, a copper plate 52 to be a copper layer 32 is laminated on the other surface side (lower side in FIG. 3) of the aluminum layer 31 to form a laminated body.
Here, as described above, the first copper plate 42A is a rolled plate made of oxygen-free copper, and the second copper plate 42B contains Zr in a range of 0.01 mass% or more and 0.1 mass% or less. It is a rolled copper plate containing Zr.
The joint surfaces of the aluminum layers 21, 31 and the first copper plate 42A, the second copper plate 42B, and the copper plate 52 are smoothed by removing scratches on the surfaces in advance.

（固相拡散接合工程Ｓ０３）
次に、上述の積層体を、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））するとともに加熱して、アルミニウム層２１と第１銅板４２Ａ及び第２銅板４２Ｂ、アルミニウム層３１と銅板５２とを、それぞれ固相拡散接合する。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ０３においては、加熱温度は４００℃以上５４８℃未満の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。 (Solid phase diffusion bonding step S03)
Next, the above-mentioned laminated body is pressurized (pressure 3 to 35 kgf / cm 2 (0.1 to 3.5 MPa)) and heated in the laminated direction to heat the aluminum layer 21, the first copper plate 42A, and the second copper plate. 42B, the aluminum layer 31 and the copper plate 52 are solid-phase diffusion-bonded, respectively.
Here, in the solid phase diffusion bonding step S03, it is preferable that the heating temperature is set in the range of 400 ° C. or higher and lower than 548 ° C., and the holding time at the heating temperature is set in the range of 5 minutes or more and 240 minutes or less.

以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。 As described above, the insulated circuit board 10 according to this embodiment is manufactured.

（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
次に、金属層３０の銅層３２とヒートシンク６１とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。 (Heat sink joining step S04)
Next, the copper layer 32 of the metal layer 30 and the heat sink 61 are laminated via a solder material and solder-bonded in the reduction furnace.

（端子材接合工程Ｓ０５）
次に、回路層２０の超音波接合領域２０Ｂ（第２銅層２２Ｂ）に、端子材５を超音波接合する。 (Terminal material joining step S05)
Next, the terminal material 5 is ultrasonically bonded to the ultrasonic bonding region 20B (second copper layer 22B) of the circuit layer 20.

（半導体素子接合工程Ｓ０６）
次いで、回路層２０の素子搭載領域２０Ａ（第１銅層２２Ａ）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。 (Semiconductor element joining step S06)
Next, the semiconductor element 3 is laminated on the element mounting region 20A (first copper layer 22A) of the circuit layer 20 via a solder material, and solder-bonded in the reduction furnace.
As described above, the power module 1 according to the present embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態に係る絶縁回路基板１０によれば、回路層２０のセラミックス基板１１とは反対側を向く面に、半導体素子３が搭載される素子搭載領域２０Ａと、端子材５が超音波接合される超音波接合領域２０Ｂと、が形成されており、素子搭載領域２０Ａにおける第１銅層２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なるように構成されているので、素子搭載領域２０Ａ及び超音波接合領域２０Ｂにおいて、それぞれに適した構成の銅層（第１銅層２２Ａ及び第２銅層２２Ｂ）を形成することができ、半導体素子３との接合信頼性に優れ、かつ、超音波接合時におけるアルミニウム層２１と第２銅層２２Ｂとの接合界面での隔離の発生を抑制することが可能となる。 According to the insulating circuit substrate 10 according to the present embodiment having the above configuration, the element mounting area 20A on which the semiconductor element 3 is mounted is formed on the surface of the circuit layer 20 facing the opposite side to the ceramics substrate 11. An ultrasonic bonding region 20B to which the terminal material 5 is ultrasonically bonded is formed, and the product t1 × H1 of the thickness t1 of the first copper layer 22A and the hardness H1 in the element mounting region 20A is ultrasonically bonded. Since the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 22B and the hardness H2 in the region 20B is configured to be different from each other, the configuration suitable for each in the element mounting region 20A and the ultrasonic bonding region 20B. The copper layer (first copper layer 22A and second copper layer 22B) can be formed, the bonding reliability with the semiconductor element 3 is excellent, and the aluminum layer 21 and the second copper layer 22B at the time of ultrasonic bonding can be formed. It is possible to suppress the occurrence of isolation at the bonding interface with.

本実施形態においては、具体的には、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、素子搭載領域２０Ａにおける第１銅層２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも大きくなるように、構成されているので、超音波接合領域２０Ｂにおいては、第２銅層２２Ｂの剛性を確保することで超音波接合時における第２銅層２２Ｂの変形を抑制でき、アルミニウム層２１と第２銅層２２Ｂとの接合界面での剥離の発生を抑制することが可能となる。また、素子搭載領域２０Ａにおいては、半導体素子３との熱膨張係数の差を小さく抑えることができ、半導体素子３との接合性を確保することができる。 In this embodiment, specifically, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 22B in the ultrasonic bonding region 20B and the hardness H2 is the thickness of the first copper layer 22A in the element mounting region 20A. Since it is configured to be larger than the product of t1 and hardness H1 t1 × H1, in the ultrasonic bonding region 20B, the rigidity of the second copper layer 22B is ensured so that the second copper layer 22B is ultrasonically bonded. Deformation of the copper layer 22B can be suppressed, and the occurrence of peeling at the bonding interface between the aluminum layer 21 and the second copper layer 22B can be suppressed. Further, in the element mounting region 20A, the difference in the coefficient of thermal expansion from the semiconductor element 3 can be suppressed to a small size, and the bondability with the semiconductor element 3 can be ensured.

さらに、本実施形態においては、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が１０以上１１０以下の範囲内とされているので、超音波接合領域における第２銅層２２Ｂの剛性を十分に確保することができ、超音波接合時におけるアルミニウム層２１と第２銅層２２Ｂとの接合界面での隔離の発生を確実に抑制することができる。 Further, in the present embodiment, since the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 22B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 20B is within the range of 10 or more and 110 or less, the ultrasonic bonding region. It is possible to sufficiently secure the rigidity of the second copper layer 22B in the above, and it is possible to surely suppress the occurrence of separation at the bonding interface between the aluminum layer 21 and the second copper layer 22B at the time of ultrasonic bonding.

また、本実施形態においては、第１銅層２２Ａの厚さｔ１と第２銅層２２Ｂの厚さｔ２とが同一とされ、第２銅層２２Ｂの硬さＨ２が、第１銅層２２Ａの硬さＨ１よりも硬いものとされており、具体的には、第２銅層２２Ｂのビッカース硬さＨ２が５０Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下の範囲内とされ、第１銅層２２Ａのビッカース硬さＨ１が２０Ｈｖ以上５０Ｈｖ以下の範囲内とされているので、超音波接合領域２０Ｂにおける第２銅層２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２を、素子搭載領域２０Ａにおける第１銅層２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも、確実に大きくすることができる。 Further, in the present embodiment, the thickness t1 of the first copper layer 22A and the thickness t2 of the second copper layer 22B are the same, and the hardness H2 of the second copper layer 22B is the same as that of the first copper layer 22A. The Vickers hardness H2 of the second copper layer 22B is set to be within the range of 50 Hv or more and 200 Hv or less, and the Vickers hardness H1 of the first copper layer 22A is 20 Hv. Since it is within the range of 50 Hv or less, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 22B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 20B is the thickness of the first copper layer 22A in the element mounting region 20A. It can be surely made larger than the product of t1 and hardness H1 t1 × H1.

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態である絶縁回路基板１１０について、図４から図６を参照して説明する。なお、第一実施形態と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図４に、本発明の第二実施形態である絶縁回路基板１１０、及び、この絶縁回路基板１１０を用いたパワーモジュール１０１を示す。 (Second embodiment)
Next, the insulated circuit board 110 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 6. The same members as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
FIG. 4 shows an insulated circuit board 110 according to a second embodiment of the present invention, and a power module 101 using the insulated circuit board 110.

図４に示すパワーモジュール１０１は、絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の一方の面（図４において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１１０の一方の面（図４において上面）に超音波接合された端子材５と、絶縁回路基板１１０の下側に第２はんだ層８を介して接合されたヒートシンク６１と、を備えている。 The power module 101 shown in FIG. 4 includes an insulating circuit board 110, a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 4) of the insulating circuit board 110 via a first solder layer 2, and an insulating circuit board. A terminal material 5 ultrasonically bonded to one surface (upper surface in FIG. 4) of the 110 and a heat sink 61 bonded to the lower side of the insulating circuit board 110 via a second solder layer 8 are provided.

絶縁回路基板１１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に配設された回路層１２０と、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に配設された金属層１３０と、を備えている。 The insulating circuit board 110 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, a circuit layer 120 disposed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 4), and the other surface of the ceramic substrate 11 (FIG. 4). The metal layer 130 is arranged on the lower surface of the surface).

回路層１２０は、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層１２１と、このアルミニウム層１２１の一方の面に積層された銅層１２２と、を有している。
なお、回路層１２０におけるアルミニウム層１２１の厚さは、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０．４ｍｍに設定されている。
アルミニウム層１２１は、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム及びアルミニウム合金からなるアルミニウム板１４１が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、アルミニウム層１２１となるアルミニウム板１４１は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。 As shown in FIG. 4, the circuit layer 120 has an aluminum layer 121 arranged on one surface of the ceramic substrate 11 and a copper layer 122 laminated on one surface of the aluminum layer 121. There is.
The thickness of the aluminum layer 121 in the circuit layer 120 is set within the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.4 mm in the present embodiment.
As shown in FIG. 6, the aluminum layer 121 is formed by joining an aluminum plate 141 made of aluminum and an aluminum alloy to one surface of a ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the aluminum plate 141 to be the aluminum layer 121 is made of aluminum having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum) or aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum).

この回路層１２０のセラミックス基板１１とは反対側を向く面には、半導体素子３が搭載される素子搭載領域１２０Ａと、端子材５が超音波接合される超音波接合領域１２０Ｂとが形成されている。
そして、回路層１２０の銅層１２２は、上述の半導体素子搭載領域１２０Ａに対応する第１銅層１２２Ａと、超音波接合領域１２０Ｂに対応する第２銅層１２２Ｂと、で構成が異なるものとされている。 An element mounting region 120A on which the semiconductor element 3 is mounted and an ultrasonic bonding region 120B to which the terminal material 5 is ultrasonically bonded are formed on the surface of the circuit layer 120 facing the opposite side to the ceramic substrate 11. There is.
The copper layer 122 of the circuit layer 120 has a different configuration from the first copper layer 122A corresponding to the above-mentioned semiconductor element mounting region 120A and the second copper layer 122B corresponding to the ultrasonic bonding region 120B. ing.

具体的には、素子搭載領域１２０Ａにおける第１銅層１２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、超音波接合領域１２０Ｂにおける第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なるように構成されている。
本実施形態においては、超音波接合領域１２０Ｂにおける第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、素子搭載領域１２０Ａにおける第１銅層１２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも大きくなるように、構成されている。
そして、本実施形態においては、超音波接合領域１２０Ｂにおける第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が１０以上１１０以下の範囲内とされている。 Specifically, the product t1 × H1 of the thickness t1 of the first copper layer 122A and the hardness H1 in the element mounting region 120A, and the thickness t2 and the hardness H2 of the second copper layer 122B in the ultrasonic bonding region 120B. The product t2 × H2 is configured to be different from each other.
In this embodiment, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 122B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 120B is the thickness t1 and the hardness H1 of the first copper layer 122A in the element mounting region 120A. It is configured to be larger than the product t1 × H1.
In the present embodiment, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 122B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 120B is set to be within the range of 10 or more and 110 or less.

本実施形態においては、図４に示すように、第１銅層１２２Ａと第２銅層１２２Ｂは、同一の部材で構成され、第１銅層１２２Ａの硬さＨ１と第２銅層１２２Ｂの硬さＨ２が同一とされており、第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２が、第１銅層１２２Ａの厚さｔ１よりも厚く形成されている。
具体的には、銅層１２２のビッカース硬さ（第１銅層１２２Ａのビッカース硬さＨ１及び第２銅層１２２Ｂのビッカース硬さＨ２）は、２０Ｈｖ以上５０Ｈｖ以下の範囲内とされ、本実施形態では４０Ｈｖに設定されている。
そして、素子搭載領域１２０Ａに対応する第１銅層１２２Ａの厚さｔ１が０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲内とされ、超音波接合領域１２０Ｂに対応する第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内とされている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the first copper layer 122A and the second copper layer 122B are composed of the same member, and the hardness H1 of the first copper layer 122A and the hardness of the second copper layer 122B are formed. H2 is the same, and the thickness t2 of the second copper layer 122B is formed to be thicker than the thickness t1 of the first copper layer 122A.
Specifically, the Vickers hardness of the copper layer 122 (Vickers hardness H1 of the first copper layer 122A and Vickers hardness H2 of the second copper layer 122B) is within the range of 20 Hv or more and 50 Hv or less, and this embodiment. Is set to 40 Hv.
The thickness t1 of the first copper layer 122A corresponding to the element mounting region 120A is within the range of 0.1 mm or more and 0.6 mm or less, and the thickness t2 of the second copper layer 122B corresponding to the ultrasonic bonding region 120B is set. Is within the range of 0.3 mm or more and 1.5 mm or less.

銅層１２２（第１銅層１２２Ａ及び第２銅層１２２Ｂ）は、図６に示すように、アルミニウム層１２１に、銅又は銅合金からなり、局所的に厚さが異なる異形銅板１４２が接合されることにより形成されている。 As shown in FIG. 6, in the copper layer 122 (first copper layer 122A and second copper layer 122B), a deformed copper plate 142 made of copper or a copper alloy and having a locally different thickness is bonded to the aluminum layer 121. It is formed by

ここで、アルミニウム層１２１と銅層１２２は、固相拡散接合されている。
なお、アルミニウム層１２１と銅層１２２の接合界面においては、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。 Here, the aluminum layer 121 and the copper layer 122 are solid-phase diffusion bonded.
At the junction interface between the aluminum layer 121 and the copper layer 122, an intermetallic compound layer composed of an intermetallic compound of Cu and Al is formed, and the intermetallic compound layer is laminated with a plurality of phases of intermetallic compounds. It is said that the configuration is as follows.

金属層１３０は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたアルミニウム層１３１と、このアルミニウム層１３１の他方の面に積層された銅層１３２と、を有している。
なお、金属層１３０におけるアルミニウム層１３１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。
また、金属層１３０における銅層１３２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ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。 As shown in FIG. 4, the metal layer 130 has an aluminum layer 131 disposed on the other surface of the ceramic substrate 11 and a copper layer 132 laminated on the other surface of the aluminum layer 131. There is.
The thickness of the aluminum layer 131 in the metal layer 130 is set within the range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
Further, the thickness of the copper layer 132 in the metal layer 130 is set within the range of 0.1 mm or more and 6.0 mm or less, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.

金属層１３０におけるアルミニウム層１３１は、図６に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム及びアルミニウム合金からなるアルミニウム板１５１が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層１３０におけるアルミニウム層１３１となるアルミニウム板１５１は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。 As shown in FIG. 6, the aluminum layer 131 in the metal layer 130 is formed by joining an aluminum plate 151 made of aluminum and an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the aluminum plate 151 to be the aluminum layer 131 in the metal layer 130 is made of aluminum having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum) or aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum). ..

金属層１３０における銅層１３２は、図６に示すように、アルミニウム層１３１に、銅又は銅合金からなる銅板１５２が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層１３０における銅層１３２を構成する銅板１５２は、無酸素銅の圧延板とされている。 As shown in FIG. 6, the copper layer 132 in the metal layer 130 is formed by joining a copper plate 152 made of copper or a copper alloy to the aluminum layer 131.
In the present embodiment, the copper plate 152 constituting the copper layer 132 in the metal layer 130 is a rolled plate of oxygen-free copper.

ここで、金属層１３０におけるアルミニウム層１３１と銅層１３２は、固相拡散接合されている。
なお、アルミニウム層１３１と銅層１３２の接合界面においては、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。 Here, the aluminum layer 131 and the copper layer 132 in the metal layer 130 are solid-phase diffusion bonded.
At the junction interface between the aluminum layer 131 and the copper layer 132, an intermetallic compound layer composed of an intermetallic compound of Cu and Al is formed, and the intermetallic compound layer is laminated with a plurality of phases of intermetallic compounds. It is said that the configuration is as follows.

次に、本実施形態である絶縁回路基板１１０の製造方法について、図５及び図６を参照して説明する。 Next, a method of manufacturing the insulated circuit board 110 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

（アルミニウム層形成工程Ｓ１０１）
図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層１２１となるアルミニウム板１４１を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１４６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム層１３１となるアルミニウム板１５１を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１５６を介して積層する。なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１４６、１５６として、厚さ１０μｍのＡｌ−８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。 (Aluminum layer forming step S101)
As shown in FIG. 6, an aluminum plate 141 to be an aluminum layer 121 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 via an Al—Si-based brazing foil 146, and is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11. , The aluminum plate 151 to be the aluminum layer 131 is laminated via the Al—Si based brazing material foil 156. In this embodiment, an Al-8 mass% Si alloy foil having a thickness of 10 μm was used as the Al—Si brazing material foil 146 and 156.

そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板１４１とセラミックス基板１１を接合してアルミニウム層１２１を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板１５１を接合してアルミニウム層１３１を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。 Then, it is placed in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized (pressure 1-35 kgf / cm 2 (0.1 to 3.5 MPa)) in the stacking direction and heated to join the aluminum plate 141 and the ceramic substrate 11. The aluminum layer 121 is formed. Further, the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 151 are joined to form the aluminum layer 131.
Here, the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10-6 Pa or more and 10-3 Pa or less, the heating temperature is in the range of 600 ° C. or more and 650 ° C. or less, and the holding time at the heating temperature is 15 minutes or more and 180 minutes or less. It is preferable that it is set within the range of.

（銅板積層工程Ｓ１０２）
次に、アルミニウム層１２１の一方の面側（図６において上側）に、銅層１２２となる銅板１４２を積層する。ここで、銅板１４２は、図６に示すように、局所的に厚さが異なる異形銅板とされている。ここで、銅板１４２は、局所的に厚さが異なることから、スペーサ１４８を配置することで、高さを一致させている。
また、アルミニウム層１３１の他方の面側（図６において下側）に、銅層１３２となる銅板１５２を積層し、積層体を形成する。
なお、アルミニウム層１２１，１３１、銅板１４２、１５２の、それぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。 (Copper plate laminating step S102)
Next, the copper plate 142 to be the copper layer 122 is laminated on one surface side (upper side in FIG. 6) of the aluminum layer 121. Here, as shown in FIG. 6, the copper plate 142 is a deformed copper plate having a locally different thickness. Here, since the copper plate 142 has a locally different thickness, the heights are made to match by arranging the spacer 148.
Further, a copper plate 152 to be a copper layer 132 is laminated on the other surface side (lower side in FIG. 6) of the aluminum layer 131 to form a laminated body.
The joint surfaces of the aluminum layers 121 and 131 and the copper plates 142 and 152 are smoothed by removing scratches on the surfaces in advance.

（固相拡散接合工程Ｓ１０３）
次に、上述の積層体を、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））するとともに加熱して、アルミニウム層１２１と銅板１４２、アルミニウム層１３１と銅板１５２とを、それぞれ固相拡散接合する。このとき、銅板１４２は、局所的に厚さが異なることから、スペーサ１４８を配置して、銅板１４２の全体をアルミニウム層１２１側に押圧するように構成している。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ１０３においては、加熱温度は４００℃以上５４８℃未満の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。 (Solid phase diffusion bonding step S103)
Next, the above-mentioned laminated body is pressurized (pressure 3 to 35 kgf / cm 2 (0.1 to 3.5 MPa)) and heated in the laminated direction to heat the aluminum layer 121 and the copper plate 142, and the aluminum layer 131 and the copper plate. The 152 and 152 are solid-phase diffusion-bonded, respectively. At this time, since the thickness of the copper plate 142 is locally different, the spacer 148 is arranged so as to press the entire copper plate 142 toward the aluminum layer 121.
Here, in the solid phase diffusion bonding step S103, it is preferable that the heating temperature is set in the range of 400 ° C. or higher and lower than 548 ° C., and the holding time at the heating temperature is set in the range of 5 minutes or more and 240 minutes or less.

以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造される。 As described above, the insulated circuit board 110 according to the present embodiment is manufactured.

（ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）
次に、金属層１３０の銅層１３２とヒートシンク６１とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。 (Heat sink joining step S104)
Next, the copper layer 132 of the metal layer 130 and the heat sink 61 are laminated via a solder material and solder-bonded in the reduction furnace.

（端子材接合工程Ｓ１０５）
次に、回路層１２０の超音波接合領域１２０Ｂ（第２銅層１２２Ｂ）に、端子材５を超音波接合する。 (Terminal material joining step S105)
Next, the terminal material 5 is ultrasonically bonded to the ultrasonic bonding region 120B (second copper layer 122B) of the circuit layer 120.

（半導体素子接合工程Ｓ１０６）
次いで、回路層１２０の素子搭載領域１２０Ａ（第１銅層１２２Ａ）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製造される。 (Semiconductor element joining step S106)
Next, the semiconductor element 3 is laminated on the element mounting region 120A (first copper layer 122A) of the circuit layer 120 via a solder material, and solder-bonded in the reduction furnace.
As described above, the power module 101 according to this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態に係る絶縁回路基板１１０によれば、第一実施形態と同様に、素子搭載領域１２０Ａにおける第１銅層１２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、超音波接合領域１２０Ｂにおける第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なるように構成されているので、素子搭載領域１２０Ａ及び超音波接合領域１２０Ｂにおいて、それぞれに適した構成の銅層（第１銅層１２２Ａ及び第２銅層１２２Ｂ）を形成することができ、半導体素子３との接合信頼性に優れ、かつ、超音波接合時におけるアルミニウム層１２１と第２銅層１２２Ｂとの接合界面での隔離の発生を抑制することが可能となる。 According to the insulating circuit board 110 according to the present embodiment having the above configuration, similarly to the first embodiment, the product t1 of the thickness t1 of the first copper layer 122A and the hardness H1 in the element mounting region 120A. Since × H1 and the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 122B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 120B are configured to be different from each other, the element mounting region 120A and the ultrasonic bonding region 120B are configured to be different from each other. In, a copper layer (first copper layer 122A and second copper layer 122B) having a structure suitable for each can be formed, excellent in bonding reliability with the semiconductor element 3, and an aluminum layer at the time of ultrasonic bonding. It is possible to suppress the occurrence of isolation at the bonding interface between 121 and the second copper layer 122B.

本実施形態においては、具体的には、超音波接合領域１２０Ｂにおける第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、素子搭載領域１２０Ａにおける第１銅層１２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも大きくなるように、構成されているので、超音波接合領域１２０Ｂにおいては、第２銅層１２２Ｂの剛性を確保することで超音波接合時における第２銅層１２２Ｂの変形を抑制でき、アルミニウム層１２１と第２銅層１２２Ｂとの接合界面での剥離の発生を抑制することが可能となる。また、素子搭載領域１２０Ａにおいては、半導体素子３との熱膨張係数の差を小さく抑えることができ、半導体素子３との接合性を確保することができる。 In this embodiment, specifically, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 122B in the ultrasonic bonding region 120B and the hardness H2 is the thickness of the first copper layer 122A in the element mounting region 120A. Since it is configured to be larger than the product of t1 and hardness H1 t1 × H1, in the ultrasonic bonding region 120B, the rigidity of the second copper layer 122B is ensured so that the second copper layer 122B is ultrasonically bonded. Deformation of the copper layer 122B can be suppressed, and the occurrence of peeling at the bonding interface between the aluminum layer 121 and the second copper layer 122B can be suppressed. Further, in the element mounting region 120A, the difference in the coefficient of thermal expansion from the semiconductor element 3 can be suppressed to a small size, and the bondability with the semiconductor element 3 can be ensured.

さらに、本実施形態においては、超音波接合領域１２０Ｂにおける第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が１０以上１１０以下の範囲内とされているので、超音波接合領域における第２銅層１２２Ｂの剛性を十分に確保することができ、超音波接合時におけるアルミニウム層１２１と第２銅層１２２Ｂとの接合界面での隔離の発生を確実に抑制することができる。 Further, in the present embodiment, since the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 122B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 120B is within the range of 10 or more and 110 or less, the ultrasonic bonding region. It is possible to sufficiently secure the rigidity of the second copper layer 122B in the above, and it is possible to surely suppress the occurrence of separation at the bonding interface between the aluminum layer 121 and the second copper layer 122B at the time of ultrasonic bonding.

そして、本実施形態においては、第１銅層１２２Ａと第２銅層２２Ｂは、同一の部材で構成され、第１銅層１２２Ａの硬さＨ１と第２銅層２２Ｂの硬さＨ２が同一とされており、第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２が、第１銅層１２２Ａの厚さｔ１よりも厚く形成された構成とされ、具体的には、素子搭載領域１２０Ａに対応する第１銅層１２２Ａの厚さｔ１が０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲内とされ、超音波接合領域１２０Ｂに対応する第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内とされているので、超音波接合領域１２０Ｂにおける第２銅層１２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２を、素子搭載領域１２０Ａにおける第１銅層１２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも、確実に大きくすることができる。 In the present embodiment, the first copper layer 122A and the second copper layer 22B are made of the same member, and the hardness H1 of the first copper layer 122A and the hardness H2 of the second copper layer 22B are the same. The thickness t2 of the second copper layer 122B is formed to be thicker than the thickness t1 of the first copper layer 122A. Specifically, the first copper layer corresponding to the element mounting area 120A is formed. The thickness t1 of 122A is within the range of 0.1 mm or more and 0.6 mm or less, and the thickness t2 of the second copper layer 122B corresponding to the ultrasonic bonding region 120B is within the range of 0.3 mm or more and 1.5 mm or less. Therefore, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 122B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 120B is the product of the thickness t1 and the hardness H1 of the first copper layer 122A in the element mounting region 120A. It can be surely made larger than the product t1 × H1.

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態である絶縁回路基板２１０について、添付した図面を参照して説明する。なお、第一実施形態及び第二実施形態と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図７に、本発明の第二実施形態である絶縁回路基板２１０、及び、この絶縁回路基板２１０を用いたパワーモジュール２０１を示す。 (Third embodiment)
Next, the insulating circuit board 210 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. The same members as those in the first embodiment and the second embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
FIG. 7 shows an insulated circuit board 210 according to a second embodiment of the present invention, and a power module 201 using the insulated circuit board 210.

図７に示すパワーモジュール２０１は、絶縁回路基板２１０と、この絶縁回路基板２１０の一方の面（図７において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板２１０の一方の面（図７において上面）に超音波接合された端子材５と、絶縁回路基板２１０の下側に第２はんだ層８を介して接合されたヒートシンク６１と、を備えている。 The power module 201 shown in FIG. 7 includes an insulating circuit board 210, a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 7) of the insulating circuit board 210 via a first solder layer 2, and an insulating circuit board. It includes a terminal material 5 ultrasonically bonded to one surface (upper surface in FIG. 7) of the 210, and a heat sink 61 bonded to the lower side of the insulating circuit board 210 via a second solder layer 8.

絶縁回路基板２１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図７において上面）に配設された回路層２２０と、セラミックス基板１１の他方の面（図７において下面）に配設された金属層２３０と、を備えている。 The insulating circuit board 210 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, a circuit layer 220 disposed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 7), and the other surface of the ceramic substrate 11 (FIG. 7). The metal layer 230 is provided on the lower surface of the surface).

回路層２２０は、図７に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層２２１と、このアルミニウム層２２１の一方の面に積層された銅層２２２と、を有している。
なお、回路層２２０におけるアルミニウム層２２１の厚さは、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０．４ｍｍに設定されている。
アルミニウム層２２１は、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム及びアルミニウム合金からなるアルミニウム板２４１が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、アルミニウム層２２１となるアルミニウム板２４１は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。 As shown in FIG. 7, the circuit layer 220 has an aluminum layer 221 arranged on one surface of the ceramic substrate 11 and a copper layer 222 laminated on one surface of the aluminum layer 221. There is.
The thickness of the aluminum layer 221 in the circuit layer 220 is set within the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.4 mm in the present embodiment.
As shown in FIG. 9, the aluminum layer 221 is formed by joining an aluminum plate 241 made of aluminum and an aluminum alloy to one surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the aluminum plate 241 to be the aluminum layer 221 is made of aluminum having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum) or aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum).

この回路層２２０のセラミックス基板１１とは反対側を向く面には、半導体素子３が搭載される素子搭載領域２２０Ａと、端子材５が超音波接合される超音波接合領域２２０Ｂとが形成されている。
そして、回路層２２０の銅層２２２は、上述の半導体素子搭載領域２２０Ａに対応する第１銅層２２２Ａと、超音波接合領域２２０Ｂに対応する第２銅層２２２Ｂと、で構成が異なるものとされている。 An element mounting region 220A on which the semiconductor element 3 is mounted and an ultrasonic bonding region 220B to which the terminal material 5 is ultrasonically bonded are formed on the surface of the circuit layer 220 facing the opposite side to the ceramic substrate 11. There is.
The copper layer 222 of the circuit layer 220 has a different configuration from the first copper layer 222A corresponding to the above-mentioned semiconductor element mounting region 220A and the second copper layer 222B corresponding to the ultrasonic bonding region 220B. ing.

具体的には、素子搭載領域２２０Ａにおける第１銅層２２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、超音波接合領域２２０Ｂにおける第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なるように構成されている。
本実施形態においては、超音波接合領域２２０Ｂにおける第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、素子搭載領域２２０Ａにおける第１銅層２２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも大きくなるように、構成されている。
そして、本実施形態においては、超音波接合領域２２０Ｂにおける第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が１０以上１１０以下の範囲内とされている。 Specifically, the product t1 × H1 of the thickness t1 of the first copper layer 222A and the hardness H1 in the element mounting region 220A, and the thickness t2 and the hardness H2 of the second copper layer 222B in the ultrasonic bonding region 220B. The product t2 × H2 is configured to be different from each other.
In this embodiment, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 222B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 220B is the thickness t1 and the hardness H1 of the first copper layer 222A in the element mounting region 220A. It is configured to be larger than the product t1 × H1.
In the present embodiment, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 222B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 220B is set to be within the range of 10 or more and 110 or less.

本実施形態においては、図７に示すように、第１銅層２２２Ａは単一層で構成され、第２銅層２２２Ｂは、複数層（本実施形態では２層）で構成されており、第１銅層２２２Ａの硬さＨ１と第２銅層２２２Ｂの硬さＨ２が異なり、かつ、第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２が、第１銅層２２２Ａの厚さｔ１よりも厚く形成されている。なお、第２銅層２２２Ｂの硬さは、第２銅層２２２Ｂの一方の面（端子材５が接合される面）で測定されたものとされている。
具体的には、素子搭載領域２２０Ａに対応する第１銅層２２２Ａの厚さｔ１が０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲内とされ、超音波接合領域２２０Ｂに対応する第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内とされている。
また、第２銅層２２２Ｂのビッカース硬さＨ２が５０Ｈｖ以上２００Ｈｖ以下の範囲内とされ、第１銅層２２２Ａのビッカース硬さＨ１が２０Ｈｖ以上５０Ｈｖ以下の範囲内とされている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the first copper layer 222A is composed of a single layer, and the second copper layer 222B is composed of a plurality of layers (two layers in the present embodiment). The hardness H1 of the copper layer 222A and the hardness H2 of the second copper layer 222B are different, and the thickness t2 of the second copper layer 222B is formed to be thicker than the thickness t1 of the first copper layer 222A. The hardness of the second copper layer 222B is measured on one surface of the second copper layer 222B (the surface to which the terminal material 5 is joined).
Specifically, the thickness t1 of the first copper layer 222A corresponding to the element mounting region 220A is within the range of 0.1 mm or more and 0.6 mm or less, and the second copper layer 222B corresponding to the ultrasonic bonding region 220B. The thickness t2 is set to be within the range of 0.3 mm or more and 1.5 mm or less.
Further, the Vickers hardness H2 of the second copper layer 222B is set to be within the range of 50 Hv or more and 200 Hv or less, and the Vickers hardness H1 of the first copper layer 222A is set to be within the range of 20 Hv or more and 50 Hv or less.

具体的には、素子搭載領域２２０Ａにおける第１銅層２２２Ａを構成する第１銅板２４２Ａは、例えば無酸素銅等の純銅からなる圧延板とされている。また、超音波接合領域２２０Ｂにおける第２銅層２２２Ｂの一方の面側に積層された第２銅板２４２Ｂは、例えばＺｒの含有量が０．０１ｍａｓｓ％以上０．１ｍａｓｓ％以下の範囲で含有するＺｒ入り銅等の銅合金からなる圧延板とされている。 Specifically, the first copper plate 242A constituting the first copper layer 222A in the element mounting region 220A is a rolled plate made of pure copper such as oxygen-free copper. Further, the second copper plate 242B laminated on one surface side of the second copper layer 222B in the ultrasonic bonding region 220B contains, for example, Zr having a Zr content in the range of 0.01 mass% or more and 0.1 mass% or less. It is a rolled plate made of a copper alloy such as impregnated copper.

ここで、アルミニウム層２２１と銅層２２２は、固相拡散接合されている。
なお、アルミニウム層２２１と銅層２２２の接合界面においては、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。 Here, the aluminum layer 221 and the copper layer 222 are solid-phase diffusion bonded.
At the junction interface between the aluminum layer 221 and the copper layer 222, an intermetallic compound layer composed of an intermetallic compound of Cu and Al is formed, and the intermetallic compound layer is laminated with a plurality of phases of intermetallic compounds. It is said that the configuration is as follows.

金属層２３０は、図７に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたアルミニウム層２３１と、このアルミニウム層２３１の他方の面に積層された銅層２３２と、を有している。
なお、金属層２３０におけるアルミニウム層２３１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。
また、金属層２３０における銅層２３２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ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。 As shown in FIG. 7, the metal layer 230 has an aluminum layer 231 disposed on the other surface of the ceramic substrate 11 and a copper layer 232 laminated on the other surface of the aluminum layer 231. There is.
The thickness of the aluminum layer 231 in the metal layer 230 is set within the range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
Further, the thickness of the copper layer 232 in the metal layer 230 is set within the range of 0.1 mm or more and 6.0 mm or less, and in the present embodiment, it is set to 0.6 mm.

金属層２３０におけるアルミニウム層２３１は、図９に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム及びアルミニウム合金からなるアルミニウム板２５１が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層２３０におけるアルミニウム２３１となるアルミニウム板２５１は、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）または純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。 As shown in FIG. 9, the aluminum layer 231 in the metal layer 230 is formed by joining an aluminum plate 251 made of aluminum and an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the aluminum plate 251 to be the aluminum 231 in the metal layer 230 is made of aluminum having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum) or aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum).

金属層２３０における銅層２３２は、図９に示すように、アルミニウム層２３１に、銅又は銅合金からなる銅板２５２が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層２３０における銅層２３２を構成する銅板２５２は、無酸素銅の圧延板とされている。 As shown in FIG. 9, the copper layer 232 in the metal layer 230 is formed by joining a copper plate 252 made of copper or a copper alloy to the aluminum layer 231.
In the present embodiment, the copper plate 252 constituting the copper layer 232 in the metal layer 230 is a rolled plate of oxygen-free copper.

ここで、金属層２３０におけるアルミニウム層２３１と銅層２３２は、固相拡散接合されている。
なお、アルミニウム層２３１と銅層２３２の接合界面においては、ＣｕとＡｌの金属間化合物からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、複数の相の金属間化合物が積層した構成とされている。 Here, the aluminum layer 231 and the copper layer 232 in the metal layer 230 are solid-phase diffusion bonded.
At the junction interface between the aluminum layer 231 and the copper layer 232, an intermetallic compound layer composed of an intermetallic compound of Cu and Al is formed, and the intermetallic compound layer is laminated with a plurality of phases of intermetallic compounds. It is said that the configuration is as follows.

次に、本実施形態である絶縁回路基板２１０の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。 Next, a method of manufacturing the insulated circuit board 210 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

（アルミニウム層形成工程Ｓ２０１）
図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層２２１となるアルミニウム板２４１を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２４６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム層２３１となるアルミニウム板２５１を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２５６を介して積層する。なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２４６、２５６として、厚さ１０μｍのＡｌ−８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。 (Aluminum layer forming step S201)
As shown in FIG. 9, an aluminum plate 241 to be an aluminum layer 221 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 via an Al—Si-based brazing material foil 246, and is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11. , The aluminum plate 251 to be the aluminum layer 231 is laminated via the Al—Si based brazing material foil 256. In this embodiment, an Al-8 mass% Si alloy foil having a thickness of 10 μm was used as the Al—Si brazing material foil 246 and 256.

そして、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板２４１とセラミックス基板１１を接合してアルミニウム層２２１を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２５１を接合してアルミニウム層２３１を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は１５分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。 Then, the aluminum plate 241 and the ceramic substrate 11 are joined to each other by arranging and heating in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 (0.1 to 3.5 MPa)) in the stacking direction. The aluminum layer 221 is formed. Further, the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 251 are joined to form the aluminum layer 231.
Here, the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10-6 Pa or more and 10-3 Pa or less, the heating temperature is in the range of 600 ° C. or more and 650 ° C. or less, and the holding time at the heating temperature is 15 minutes or more and 180 minutes or less. It is preferable that it is set within the range of.

（銅板積層工程Ｓ２０２）
次に、アルミニウム層２２１の一方の面側（図９において上側）に、第１銅層２２２Ａ及び第２銅層２２２Ｂの下層となる第１銅板２４２Ａと、第２銅層２２２Ｂの上層となる第２銅板２４２Ｂを積層する。このとき、第１銅板２４２Ａのみが積層された領域と、第１銅板２４２Ａと第２銅板２４２Ｂとが積層された領域とでは、互いに厚さが異なることから、スペーサ２４８を配置して、高さを一致させている。
ここで、第１銅板２４２Ａは、無酸素銅からなる圧延板とされ、第２銅板２４２Ｂは、Ｚｒの含有量が０．０１ｍａｓｓ％以上０．１ｍａｓｓ％以下の範囲で含有するＺｒ入り銅の圧延板とされている。
なお、アルミニウム層２２１，２３１、第１銅板２４２Ａ、第２銅板２４２Ｂ、銅板２５２の、それぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。 (Copper plate laminating step S202)
Next, on one surface side (upper side in FIG. 9) of the aluminum layer 221, a first copper plate 242A which is a lower layer of the first copper layer 222A and the second copper layer 222B and a second copper plate 222B which is an upper layer of the second copper layer 222B. 2 Copper plates 242B are laminated. At this time, since the thickness is different between the region where only the first copper plate 242A is laminated and the region where the first copper plate 242A and the second copper plate 242B are laminated, the spacer 248 is arranged and the height is increased. Are matched.
Here, the first copper plate 242A is a rolled plate made of oxygen-free copper, and the second copper plate 242B is a rolled copper containing Zr having a Zr content in the range of 0.01 mass% or more and 0.1 mass% or less. It is said to be a board.
The joint surfaces of the aluminum layers 221,231, the first copper plate 242A, the second copper plate 242B, and the copper plate 252 are smoothed by removing scratches on the surfaces in advance.

（固相拡散接合工程Ｓ２０３）
次に、上述の積層体を、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１〜３．５ＭＰａ））するとともに加熱して、アルミニウム層２２１と第１銅板２４２Ａ、第１銅板２４２Ａと第２銅板２４２Ｂ、アルミニウム層２３１と銅板２５２とを、それぞれ固相拡散接合する。このとき、第１銅板２４２Ａのみが積層された領域と、第１銅板２４２Ａと第２銅板２４２Ｂとが積層された領域とでは、互いに厚さが異なることから、スペーサ２４８を配置して、第１銅板２４２Ａの全体をアルミニウム層２２１側に押圧するように構成している。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ２０３においては、加熱温度は４００℃以上５４８℃未満の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。 (Solid phase diffusion bonding step S203)
Next, the above-mentioned laminated body is pressurized (pressure 3 to 35 kgf / cm 2 (0.1 to 3.5 MPa)) in the laminated direction and heated to form an aluminum layer 221 and a first copper plate 242A and a first copper plate. The 242A and the second copper plate 242B, and the aluminum layer 231 and the copper plate 252 are solid-phase diffusion-bonded, respectively. At this time, since the thickness is different between the region where only the first copper plate 242A is laminated and the region where the first copper plate 242A and the second copper plate 242B are laminated, the spacer 248 is arranged and the first. The entire copper plate 242A is configured to be pressed toward the aluminum layer 221.
Here, in the solid phase diffusion bonding step S203, it is preferable that the heating temperature is set in the range of 400 ° C. or higher and lower than 548 ° C., and the holding time at the heating temperature is set in the range of 5 minutes or more and 240 minutes or less.

以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板２１０が製造される。 As described above, the insulated circuit board 210 according to the present embodiment is manufactured.

（ヒートシンク接合工程Ｓ２０４）
次に、金属層２３０の銅層２３２とヒートシンク６１とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。 (Heat sink joining process S204)
Next, the copper layer 232 of the metal layer 230 and the heat sink 61 are laminated via a solder material and solder-bonded in the reduction furnace.

（端子材接合工程Ｓ２０５）
次に、回路層２２０の超音波接合領域２２０Ｂ（第２銅層２２２Ｂ）に、端子材５を超音波接合する。 (Terminal material joining step S205)
Next, the terminal material 5 is ultrasonically bonded to the ultrasonic bonding region 220B (second copper layer 222B) of the circuit layer 220.

（半導体素子接合工程Ｓ２０６）
回路層２２０の素子搭載領域２２０Ａ（第１銅層２２２Ａ）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール２０１が製造される。 (Semiconductor element joining step S206)
The semiconductor element 3 is laminated on the element mounting area 220A (first copper layer 222A) of the circuit layer 220 via a solder material, and solder-bonded in the reduction furnace.
As described above, the power module 201 according to this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態に係る絶縁回路基板２１０によれば、第一実施形態及び第二実施形態と同様に、素子搭載領域２２０Ａにおける第１銅層２２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、超音波接合領域２２０Ｂにおける第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なるように構成されているので、素子搭載領域２２０Ａ及び超音波接合領域２２０Ｂにおいて、それぞれに適した構成の銅層（第１銅層２２２Ａ及び第２銅層２２２Ｂ）を形成することができ、半導体素子３との接合信頼性に優れ、かつ、超音波接合時におけるアルミニウム層２２１と第２銅層２２２Ｂとの接合界面での隔離の発生を抑制することが可能となる。 According to the insulating circuit board 210 according to the present embodiment having the above configuration, the thickness t1 and the hardness of the first copper layer 222A in the element mounting region 220A are the same as in the first embodiment and the second embodiment. Since the product t1 × H1 of the H1 and the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 222B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 220B are configured to be different from each other, the element mounting region 220A and the element mounting region 220A and In the ultrasonic bonding region 220B, copper layers (first copper layer 222A and second copper layer 222B) having a structure suitable for each can be formed, the bonding reliability with the semiconductor element 3 is excellent, and ultrasonic waves are used. It is possible to suppress the occurrence of separation at the bonding interface between the aluminum layer 221 and the second copper layer 222B at the time of bonding.

本実施形態においては、具体的には、超音波接合領域２２０Ｂにおける第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、素子搭載領域２２０Ａにおける第１銅層２２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも大きくなるように、構成されているので、超音波接合領域２２０Ｂにおいては、第２銅層２２２Ｂの剛性を確保することで超音波接合時における第２銅層２２２Ｂの変形を抑制でき、アルミニウム層２２１と第２銅層２２２Ｂとの接合界面での剥離の発生を抑制することが可能となる。また、素子搭載領域２２０Ａにおいては、半導体素子３との熱膨張係数の差を小さく抑えることができ、半導体素子３との接合性を確保することができる。 In this embodiment, specifically, the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 222B in the ultrasonic bonding region 220B and the hardness H2 is the thickness of the first copper layer 222A in the element mounting region 220A. Since it is configured to be larger than the product of t1 and hardness H1 t1 × H1, in the ultrasonic bonding region 220B, the rigidity of the second copper layer 222B is ensured so that the second copper layer 222B is second at the time of ultrasonic bonding. Deformation of the copper layer 222B can be suppressed, and the occurrence of peeling at the bonding interface between the aluminum layer 221 and the second copper layer 222B can be suppressed. Further, in the element mounting region 220A, the difference in the coefficient of thermal expansion from the semiconductor element 3 can be suppressed to a small size, and the bondability with the semiconductor element 3 can be ensured.

さらに、本実施形態においては、超音波接合領域２２０Ｂにおける第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が１０以上１１０以下の範囲内とされているので、超音波接合領域における第２銅層２２２Ｂの剛性を十分に確保することができ、超音波接合時におけるアルミニウム層２２１と第２銅層２２２Ｂとの接合界面での隔離の発生を確実に抑制することができる。 Further, in the present embodiment, since the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer 222B and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region 220B is within the range of 10 or more and 110 or less, the ultrasonic bonding region. The rigidity of the second copper layer 222B in the above can be sufficiently ensured, and the occurrence of isolation at the bonding interface between the aluminum layer 221 and the second copper layer 222B at the time of ultrasonic bonding can be reliably suppressed.

そして、本実施形態においては、第１銅層２２２Ａが単層で構成され、第２銅層２２２Ｂが２層構造とされており、第１銅層２２２Ａの硬さＨ１及び厚さｔ１が、第２銅層１２２Ｂの硬さＨ２及び厚さｔ２と、異なる構造とされているので、超音波接合領域２２０Ｂにおける第２銅層２２２Ｂの厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２を、素子搭載領域２２０Ａにおける第１銅層２２２Ａの厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１よりも、確実に大きくすることができる。 In the present embodiment, the first copper layer 222A is composed of a single layer, the second copper layer 222B has a two-layer structure, and the hardness H1 and the thickness t1 of the first copper layer 222A are the first. 2 Since the structure is different from the hardness H2 and the thickness t2 of the copper layer 122B, the product t2 × H2 of the thickness t2 and the hardness H2 of the second copper layer 222B in the ultrasonic bonding region 220B is mounted on the element. It can be reliably made larger than the product t1 × H1 of the thickness t1 of the first copper layer 222A and the hardness H1 in the region 220A.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、アルミニウム層及び銅層を有する金属層を形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属層は、必ずしも形成されていなくてもよいし、金属層を、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の放熱性に優れた金属の単層で構成したものであってもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, it has been described as forming a metal layer having an aluminum layer and a copper layer, but the present invention is not limited to this, and the metal layer does not necessarily have to be formed or is a metal layer. May be composed of a single layer of a metal having excellent heat dissipation such as aluminum or an aluminum alloy, copper or a copper alloy.

また、アルミニウム層を構成するアルミニウム板として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムの圧延板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、純度９９ｍａｓｓ％以上の純アルミニウムや、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものであってもよい。
さらに、銅層等を構成する銅板として、無酸素銅の圧延板、及び、Ｚｒ入り銅合金の圧延板、を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成したものであってもよい。 Further, as the aluminum plate constituting the aluminum layer, a rolled aluminum plate having a purity of 99.99 mass% or more has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and pure aluminum having a purity of 99 mass% or more, etc. It may be made of aluminum or an aluminum alloy.
Further, as the copper plate constituting the copper layer or the like, a rolled plate of oxygen-free copper and a rolled plate of a copper alloy containing Zr have been described as examples, but the description is not limited to this, and other copper or other copper or It may be made of a copper alloy.

また、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
さらに、本実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層を樹脂等で構成したものであってもよい。 Further, in the present embodiment, it has been described that a semiconductor element is mounted on an insulated circuit board to form a power module, but the present invention is not limited to this. For example, an LED element may be mounted on a circuit layer of an insulated circuit board to form an LED module, or a thermoelectric element may be mounted on a circuit layer of an insulated circuit board to form a thermoelectric module.
Further, in the present embodiment, the description has been made with the insulating layer made of a ceramic substrate, but the present invention is not limited to this, and the insulating layer may be made of a resin or the like.

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。 The results of the confirmation experiment conducted to confirm the effect of the present invention will be described below.

セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）の一方の面に接合してアルミニウム層を形成した。
アルミニウム層形成工程における接合条件は、積層方向の加圧荷重を５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．５ＭＰａ）、加熱温度を６５０℃、加熱温度での保持時間を３０分とした。 One surface of the ceramic substrate and the other surface are joined to one surface of an aluminum plate (37 mm × 37 mm × thickness 0.6 mm) made of a rolled aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more. An aluminum layer was formed.
The joining conditions in the aluminum layer forming step were a pressurized load in the stacking direction of 5 kgf / cm 2 (0.5 MPa), a heating temperature of 650 ° C., and a holding time at the heating temperature of 30 minutes.

次に、セラミックス基板の一方の面側に形成されたアルミニウム層に、銅板を固相拡散接合し、素子接合領域に対応する第１銅層と、超音波接合領域に対応する第２銅層と、を、上述の実施形態に記載した方法で作成した。
なお、構造の「１」は、第一実施形態に対応した構造のものであり、アルミニウム層の上に第１銅層と第２銅層を並列して形成したものである。
構造の「２」は、第二実施形態に対応した構造のものであり、局所的に厚さが異なる異形銅板を用いて第１銅層及び第２銅層を形成したものである。
構造の「３」は、第三実施形態に対応した構造のものであり、第１銅層は単層構造とし、第２銅層は２層構造としたものである。 Next, a copper plate is solid-phase diffusion-bonded to the aluminum layer formed on one surface side of the ceramic substrate, and a first copper layer corresponding to the element bonding region and a second copper layer corresponding to the ultrasonic bonding region are formed. , Was prepared by the method described in the above-described embodiment.
The structure "1" corresponds to the first embodiment, and the first copper layer and the second copper layer are formed in parallel on the aluminum layer.
“2” of the structure is a structure corresponding to the second embodiment, and the first copper layer and the second copper layer are formed by using deformed copper plates having locally different thicknesses.
Reference numeral "3" has a structure corresponding to the third embodiment, in which the first copper layer has a single-layer structure and the second copper layer has a two-layer structure.

なお、第１銅層の硬さＨ１及び第２銅層の硬さＨ２は、正四角錐のダイヤモンド圧子を使用し、セミビッカース硬度計（株式会社島津製作所製ＨＳＶ−３０）を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に規定される方法により測定した。測定結果を表１に示す。 The hardness H1 of the first copper layer and the hardness H2 of the second copper layer are JIS Z using a diamond indenter having a regular quadrangular pyramid and a semi-Vickers hardness tester (HSV-30 manufactured by Shimadzu Corporation). It was measured by the method specified in 2244. The measurement results are shown in Table 1.

また、セラミックス基板の他方の面側に形成されたアルミニウム層上に、無酸素銅の圧延板からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ）を固相拡散接合し、金属層を形成した。
なお、固相拡散接合工程における接合条件は、積層方向の加圧荷重を１２ｋｇｆ／ｃｍ２（１．２ＭＰａ）、加熱温度を５３５℃、加熱温度での保持時間を１２０分とした。 Further, a copper plate (37 mm × 37 mm) made of an oxygen-free copper rolled plate was solid-phase diffusion-bonded onto the aluminum layer formed on the other surface side of the ceramic substrate to form a metal layer.
The joining conditions in the solid phase diffusion joining step were such that the pressurized load in the stacking direction was 12 kgf / cm 2 (1.2 MPa), the heating temperature was 535 ° C, and the holding time at the heating temperature was 120 minutes.

また、比較例１〜３においては、素子搭載領域と超音波接合領域とを同一の構成のものとした。
以上のようにして、本発明例及び比較例の絶縁回路基板を作製した。 Further, in Comparative Examples 1 to 3, the element mounting region and the ultrasonic bonding region have the same configuration.
As described above, the insulated circuit boards of the examples of the present invention and the comparative examples were produced.

そして、得られた絶縁回路基板の超音波接合領域に対して、超音波金属接合機（超音波工業株式会社製：６０Ｃ−９０４）を用いて、銅端子（１０ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍ厚）をコプラス量０．５ｍｍの条件で超音波接合した。 Then, a copper terminal (10 mm × 5 mm × 1 mm thickness) was co-plus to the ultrasonic bonding region of the obtained insulated circuit substrate using an ultrasonic metal bonding machine (manufactured by Ultrasonic Industry Co., Ltd .: 60C-904). Ultrasonic bonding was performed under the condition of an amount of 0.5 mm.

また、得られた絶縁回路基板の素子搭載領域に対して、はんだ材（Ｃｕ−９９．３ｍａｓｓ％Ｓｎ）を用いて、半導体素子をはんだ接合した。なお、はんだ接合条件は、雰囲気を水素３ｖｏｌ％還元雰囲気、加熱温度３００℃、及び、加熱温度での保持時間を１０分とした。 Further, a semiconductor element was solder-bonded to the element mounting area of the obtained insulated circuit board using a solder material (Cu-99.3 mass% Sn). The solder joining conditions were such that the atmosphere was a hydrogen 3 vol% reduction atmosphere, the heating temperature was 300 ° C., and the holding time at the heating temperature was 10 minutes.

そして、超音波接合した銅端子との接合強度、冷熱サイクル負荷後の素子接合はんだ層における接合率を、以下のようにして評価した。評価結果を表１に示す。 Then, the bonding strength with the ultrasonically bonded copper terminal and the bonding ratio in the element bonding solder layer after the thermal cycle loading were evaluated as follows. The evaluation results are shown in Table 1.

（銅端子との接合強度）
プッシュプルゲージ（アイコーエンジニアリング社製、デジタルプッシュプルゲージＲＸシリーズ）を用い、リードフレームが回路層から剥離するまでの最大強度を測定した。測定は１５回行い、その平均値を接合強度とした。そして、比較例１の接合強度を基準とし、接合強度が比較例１の１．４倍以上を「◎」、１．２倍以上１．４倍未満を「〇」、１．０倍超え１．２倍未満を「△」、１．０倍以下を「×」と評価した。 (Joining strength with copper terminals)
Using a push-pull gauge (digital push-pull gauge RX series manufactured by Aiko Engineering Co., Ltd.), the maximum strength until the lead frame was peeled from the circuit layer was measured. The measurement was performed 15 times, and the average value was taken as the joint strength. Then, based on the bonding strength of Comparative Example 1, the bonding strength of 1.4 times or more of Comparative Example 1 is "◎", 1.2 times or more and less than 1.4 times is "○", and 1.0 times or more 1 . Less than 2 times was evaluated as "Δ", and 1.0 times or less was evaluated as "x".

（はんだ層の接合率）
気槽式にして低温側−４５℃×３０分、高温側１７５℃×３０分の冷熱サイクルを負荷し、１０００サイクル後の接合率を測定した。
回路層（素子搭載領域）と半導体素子との接合率は、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）を用いて以下の式を用いて求めた。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、すなわち半導体素子の接合面の面積とした。超音波探傷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。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積） (Solder layer bonding ratio)
A cold cycle of −45 ° C. × 30 minutes on the low temperature side and 175 ° C. × 30 minutes on the high temperature side was applied in an air tank system, and the bonding ratio after 1000 cycles was measured.
The bonding ratio between the circuit layer (element mounting area) and the semiconductor element was determined using the following formula using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions, Ltd.). Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the bonding surface of the semiconductor element. Since the peeling is shown by the white part in the joint in the ultrasonic flaw detection image, the area of this white part is defined as the peeling area.
(Joining rate) = {(Initial bonding area)-(Peeling area)} / (Initial bonding area)

Figure 0006969471
Figure 0006969471

素子搭載領域及び超音波接合領域を無酸素銅で構成し、その厚さを０．２ｍｍとした比較例１においては、銅端子との接合強度が不十分であった。超音波接合時に銅層が変形してしまい、銅層（超音波接合領域）とアルミニウム層との接合界面で剥離が生じたためと推測される。 In Comparative Example 1 in which the element mounting region and the ultrasonic bonding region were made of oxygen-free copper and the thickness was 0.2 mm, the bonding strength with the copper terminal was insufficient. It is presumed that the copper layer was deformed during ultrasonic bonding and peeling occurred at the bonding interface between the copper layer (ultrasonic bonding region) and the aluminum layer.

素子搭載領域及び超音波接合領域を無酸素銅で構成し、その厚さを０．７ｍｍとした比較例２においては、冷熱サイクル負荷後のはんだ接合率が低下した。銅層（素子搭載領域）と半導体素子との熱膨張係数が大きく異なり、はんだ層に高い熱応力が作用したためと推測される。 In Comparative Example 2 in which the element mounting region and the ultrasonic bonding region were made of oxygen-free copper and the thickness was 0.7 mm, the solder bonding rate after the thermal cycle loading decreased. It is presumed that the coefficient of thermal expansion of the copper layer (element mounting area) and the semiconductor element are significantly different, and that high thermal stress acts on the solder layer.

素子搭載領域及び超音波接合領域をＺｒ入り銅合金で構成し、その厚さを０．４ｍｍとした比較例３においては、冷熱サイクル負荷後のはんだ接合率が低下した。銅層（素子搭載領域）と半導体素子との熱膨張係数が大きく異なり、はんだ層に高い熱応力が作用したためと推測される。 In Comparative Example 3 in which the element mounting region and the ultrasonic bonding region were made of a copper alloy containing Zr and the thickness was 0.4 mm, the solder bonding ratio after the thermal cycle loading decreased. It is presumed that the coefficient of thermal expansion of the copper layer (element mounting area) and the semiconductor element are significantly different, and that high thermal stress acts on the solder layer.

これに対して、素子搭載領域における銅層の厚さｔ１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なるように構成された本発明例１〜９においては、超音波接合した銅端子との接合強度に優れ、かつ、素子搭載領域にはんだ接合された半導体素子との接合性に優れていた。 On the other hand, the product t1 × H1 of the copper layer thickness t1 and the hardness H1 in the element mounting region and the product t2 × H2 of the copper layer thickness t2 and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region are obtained. In Examples 1 to 9 of the present invention configured to be different from each other, the bonding strength with the ultrasonically bonded copper terminal was excellent, and the bonding property with the semiconductor element solder-bonded to the element mounting region was excellent.

また、アルミニウム層の上に第１銅層と第２銅層を並列して形成した構造「１」である本発明例１，２、局所的に厚さが異なる異形銅板を用いて第１銅層及び第２銅層を形成した構造「２」である本発明例３〜５、第１銅層は単層構造とし、第２銅層は２層構造とした構造「３」である本発明例６〜９、のいずれの構造であっても、同様の作用効果が得られることが確認された。 Further, Examples 1 and 2 of the present invention, which is a structure “1” in which a first copper layer and a second copper layer are formed in parallel on an aluminum layer, the first copper using a deformed copper plate having a locally different thickness. Examples 3 to 5 of the present invention having a structure "2" in which a layer and a second copper layer are formed, and the present invention having a structure "3" in which the first copper layer has a single layer structure and the second copper layer has a two-layer structure. It was confirmed that the same action and effect can be obtained with any of the structures of Examples 6 to 9.

また、超音波接合領域に対応する第２銅層を、無酸素銅で構成した場合でも、Ｃｕ−０．１ｍａｓｓ％Ｚｒ合金で構成した場合でも、Ｃｕ−０．１ｍａｓｓ％Ｆｅ合金で構成した場合であっても、超音波接合領域における第２銅層の厚さｔ２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が上述の関係を満たしていれば、上述の作用効果が得られることが確認された。 Further, when the second copper layer corresponding to the ultrasonic bonding region is made of Cu-0.1mass% Fe alloy, whether it is made of oxygen-free copper or Cu-0.1mass% Zr alloy. Even so, it was confirmed that the above-mentioned action and effect can be obtained if the product t2 × H2 of the thickness t2 of the second copper layer and the hardness H2 in the ultrasonic bonding region satisfies the above-mentioned relationship.

以上の確認実験の結果、本発明例によれば、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と銅又は銅合金からなる銅層とを固相拡散接合されてなる回路層において、半導体素子との接合性に優れ、かつ、超音波接合時にアルミニウム層と銅層との接合界面での剥離を抑制することが可能な絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。 As a result of the above confirmation experiment, according to the example of the present invention, in the circuit layer formed by solid-phase diffusion bonding of an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and a copper layer made of copper or a copper alloy, the bondability with a semiconductor element is achieved. It was confirmed that it is possible to provide an insulated circuit substrate that is excellent in quality and can suppress peeling at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer during ultrasonic bonding.

１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板 10 Insulated circuit board 11 Ceramic substrate

Claims (3)

絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、このアルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、を有しており、
前記回路層の前記絶縁層とは反対側を向く面には、半導体素子が搭載される素子搭載領域と、他の部材が超音波接合される超音波接合領域と、が形成されており、
前記素子搭載領域における前記銅層の厚さt１と硬さＨ１の積ｔ１×Ｈ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さt２と硬さＨ２の積ｔ２×Ｈ２が、互いに異なり、
Ｈ１≦Ｈ２、
ｔ２×Ｈ２＞ｔ１×Ｈ１、
１０≦ｔ２×Ｈ２≦１１０、
を満足することを特徴とする絶縁回路基板。 An insulating circuit board including an insulating layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer.
The circuit layer has an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and a copper layer made of copper or a copper alloy bonded to the aluminum layer.
An element mounting region on which a semiconductor element is mounted and an ultrasonic bonding region in which other members are ultrasonically bonded are formed on the surface of the circuit layer facing the opposite side to the insulating layer.
The product t1 × H1 of thickness t1 and hardness H1 of the copper layer in the element mounting area, the product t2 × H2 of thickness t2 and hardness H2 of the copper layer in the ultrasonic bonding area, unlike each other ,
H1 ≤ H2,
t2 x H2> t1 x H1,
10 ≦ t2 × H2 ≦ 110,
An insulated circuit board characterized by satisfying. 前記素子搭載領域における前記銅層の厚さｔ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の厚さｔ２とが、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。 The insulating circuit board according to claim 1 , wherein the thickness t1 of the copper layer in the element mounting region and the thickness t2 of the copper layer in the ultrasonic bonding region are different from each other. 前記素子搭載領域における前記銅層の硬さＨ１と、前記超音波接合領域における前記銅層の硬さＨ２とが、互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。 The insulating circuit board according to claim 1 , wherein the hardness H1 of the copper layer in the element mounting region and the hardness H2 of the copper layer in the ultrasonic bonding region are different from each other.
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