JP6973218B2 - How to manufacture a board for a power module with a heat sink - Google Patents

How to manufacture a board for a power module with a heat sink Download PDF

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Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.

パワーモジュール用基板として、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面にアルミニウム板を介してアルミニウム系のヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が知られている。
例えば特許文献1に開示されているヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板からなる絶縁層の一方の面に純アルミニウム板、アルミニウム合金板、純銅板、銅合金板等からなる回路層が接合され、絶縁層の他方の面に純アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板からなる金属層が接合され、この金属層に、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたヒートシンクが銅層を介して接合されている。この場合、絶縁層と金属層とはろう材を用いて接合され、金属層とヒートシンクとは、その間に介在した銅層との間で固相拡散接合されている。
As a board for a power module, with a heat sink in which a circuit layer is bonded to one surface of an insulating layer made of a ceramic substrate such as aluminum nitride, and an aluminum-based heat sink is bonded to the other surface via an aluminum plate. Boards for power modules are known.
For example, in the substrate for a power module with a heat sink disclosed in Patent Document 1, a circuit layer made of a pure aluminum plate, an aluminum alloy plate, a pure copper plate, a copper alloy plate, or the like is bonded to one surface of an insulating layer made of a ceramics substrate. A metal layer made of a metal plate of pure aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the insulating layer, and a heat sink made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the metal layer via a copper layer. In this case, the insulating layer and the metal layer are bonded by using a brazing material, and the metal layer and the heat sink are solid-phase diffusion bonded between the copper layer interposed therein.

このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板において、セラミックス基板とアルミニウム板のような熱膨張係数の異なる部材の接合による反りを防止するため、ヒートシンクの材料として、特許文献2に開示される多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸させてなる低膨張係数の複合体(アルミニウム炭化珪素複合体とする)を用いることが提案されている。 In such a substrate for a power module with a heat sink, porous silicon carbide disclosed in Patent Document 2 as a material for a heat sink in order to prevent warpage due to joining of members having different coefficients of thermal expansion such as a ceramic substrate and an aluminum plate. It has been proposed to use a composite having a low coefficient of expansion (referred to as an aluminum silicon carbide composite) obtained by impregnating a molded body with a metal containing aluminum as a main component.

特開2014−60215号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-60215 特開2000−281465号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-281465

ところで、パワーモジュール用基板の金属層は、熱伸縮に伴う応力緩和のために比較的純度の高いアルミニウム(特に純度99.99質量%以上の高純度アルミニウム)により構成するのが好ましい。一方、特許文献2記載のアルミニウム炭化珪素複合体では高温鋳造法等で緻密で高強度の複合体を得るためにシリコンやマグネシウム等を含有する比較的純度の低いアルミニウム合金が用いられることから、このアルミニウム炭化珪素複合体と銅との固相拡散に要する温度は例えば500℃程度が適切である。
しかしながら、これらパワーモジュール用基板の金属層とアルミニウム炭化珪素複合体とを銅層を介して500℃程度の温度で同時に接合しようとすると、金属層と銅層との接合には不十分であり、金属層と銅層との間に金属間化合物(CuAl、CuAl等)が十分に成長せずに接合不良を生じ易い。これを解決するため、接合温度を高めようとすると、アルミニウム炭化珪素複合体の一部が溶融するおそれがある。
By the way, the metal layer of the substrate for a power module is preferably made of relatively high-purity aluminum (particularly high-purity aluminum having a purity of 99.99% by mass or more) for stress relaxation due to thermal expansion and contraction. On the other hand, in the aluminum silicon carbide composite described in Patent Document 2, a relatively low-purity aluminum alloy containing silicon, magnesium, etc. is used in order to obtain a dense and high-strength composite by a high-temperature casting method or the like. The temperature required for solid phase diffusion between the aluminum silicon carbide composite and copper is, for example, about 500 ° C. is appropriate.
However, if an attempt is made to simultaneously bond the metal layer of the substrate for the power module and the aluminum silicon carbide composite via the copper layer at a temperature of about 500 ° C., the metal layer and the copper layer are insufficiently bonded. Intermetallic compounds (CuAl 2 , CuAl, etc.) do not sufficiently grow between the metal layer and the copper layer, and bonding defects are likely to occur. In order to solve this, if an attempt is made to raise the bonding temperature, a part of the aluminum silicon carbide composite may be melted.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パワーモジュール用基板とアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンクとを500℃以下の温度で確実に接合することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to reliably bond a substrate for a power module and a heat sink made of an aluminum silicon carbide composite at a temperature of 500 ° C. or lower.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の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金属層が接合されてなるパワーモジュール用基板における前記金属層と、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金を含浸して形成されたアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンクとを銅層を介して拡散接合することにより、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記パワーモジュール用基板の前記金属層と前記銅層との間に、マグネシウムが添加されたアルミニウム合金からなる金属箔を介在した状態で400℃以上500℃未満に加熱して前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを固相拡散接合する。
この場合、前記金属箔のマグネシウムの濃度が0.02質量%以上3.0質量%以下である。
In the method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink of the present invention, a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate, and a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the ceramic substrate. For the power module, the metal layer in the substrate for the power module and a heat sink made of an aluminum silicon carbide composite formed by impregnating a porous body of silicon carbide with an aluminum alloy are diffusion-bonded via a copper layer. It has a heat sink joining step of joining a substrate and the heat sink, and the heat sink joining step is a metal foil made of an aluminum alloy to which magnesium is added between the metal layer and the copper layer of the power module substrate. The power module substrate and the heat sink are solid-phase diffusion- bonded by heating to 400 ° C. or higher and lower than 500 ° C. in a state of intervening.
In this case, the magnesium concentration of the metal foil is 0.02% by mass or more and 3.0% by mass or less.

一般に、パワーモジュール用基板における金属層の表面やヒートシンクのアルミニウム炭化珪素複合体の表面にはアルミニウム酸化膜が形成されており、これがアルミニウムと銅との金属間化合物の生成を妨げることにより、接合不良の原因となっている。
この製造方法によれば、マグネシウムが添加されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属箔をパワーモジュール用基板の金属層と銅層との間に介在したことにより、金属箔内に固溶したマグネシウムが拡散して金属層やヒートシンク表面の酸化膜と反応してアルミニウム酸化膜を破壊し、マグネシウム酸化物(MgAlやMgO)として分散する。この場合、金属箔は、マグネシウムが固溶したアルミニウム合金であるから、アルミニウム表面のアルミニウム酸化膜を破壊して生成されるマグネシウム酸化物は、アルミニウムと銅との界面に微細な粒子として分散した状態となる。したがって、このマグネシウム酸化物がアルミニウムと銅との金属間化合物の生成を阻害することが抑制され、その結果、アルミニウムと銅との金属間化合物の成長が促進され、500℃以下の低い温度でもパワーモジュール用基板とヒートシンクとを強固に接合することができる。
Generally, an aluminum oxide film is formed on the surface of a metal layer in a substrate for a power module or the surface of an aluminum silicon carbide composite of a heat sink, which hinders the formation of an intermetal compound between aluminum and copper, resulting in poor bonding. Is the cause of.
According to this manufacturing method, a metal foil made of aluminum or an aluminum alloy to which magnesium is added is interposed between the metal layer and the copper layer of the power module substrate, so that the magnesium solidly dissolved in the metal foil is diffused. reacts with the oxide film of the metal layer and the surface of the heat sink to break the aluminum oxide film, dispersed as magnesium oxide (MgAl 2 O 4 and MgO) and. In this case, since the metal foil is an aluminum alloy in which magnesium is solid-dissolved, the magnesium oxide produced by breaking the aluminum oxide film on the aluminum surface is dispersed as fine particles at the interface between aluminum and copper. Will be. Therefore, it is suppressed that this magnesium oxide inhibits the formation of the metal-metal compound between aluminum and copper, and as a result, the growth of the metal-metal compound between aluminum and copper is promoted, and the power is generated even at a low temperature of 500 ° C. or lower. The board for the module and the heat sink can be firmly joined.

この場合、金属箔におけるマグネシウムの濃度が0.02質量%未満ではマグネシウム酸化物が十分に形成されず、接合不良を生じるおそれがある。一方、金属箔におけるマグネシウムの濃度が3.0質量%を超えると、圧延が困難となる。 In this case, if the concentration of magnesium in the metal foil is less than 0.02% by mass, the magnesium oxide is not sufficiently formed, and there is a possibility that bonding failure may occur. On the other hand, if the concentration of magnesium in the metal foil exceeds 3.0% by mass, rolling becomes difficult.

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の好ましい態様としては、前記金属箔の厚さが3.0μm以上300.0μm以下であることが好ましい。
この場合、金属箔の厚さが、3.0μm未満とするのは圧延困難であり、300.0μmを超える厚さでは、金属箔(圧延箔)とセラミックスとの線膨張差から生じる応力が大きくなり、剥離の原因となるおそれがある。
As a preferred embodiment of the method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink of the present invention, the thickness of the metal foil is preferably 3.0 μm or more and 300.0 μm or less.
In this case, it is difficult to roll the metal foil to a thickness of less than 3.0 μm, and if the thickness exceeds 300.0 μm, the stress generated by the linear expansion difference between the metal foil (rolled foil) and the ceramics is large. It may cause peeling.

本発明の別の態様に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属箔は、さらにシリコンを含み、該シリコンの濃度が10.5質量%以下であってもよい。
シリコンも金属層やアルミニウム炭化珪素複合体のアルミニウムに拡散して接合強度を高めることができる。ただし、金属箔のシリコンの濃度が10.5質量%を超えていると、圧延が困難となる。
In the method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink according to another aspect of the present invention, the metal foil may further contain silicon, and the concentration of the silicon may be 10.5% by mass or less.
Silicon can also diffuse into the metal layer and the aluminum of the aluminum silicon carbide composite to increase the bonding strength. However, if the silicon concentration of the metal foil exceeds 10.5% by mass, rolling becomes difficult.

本発明によれば、金属箔のマグネシウム成分が、金属層やアルミニウム炭化珪素複合体の表面のアルミニウム酸化膜を破壊して微細なマグネシウム酸化物として分散するので、アルミニウムと銅との金属間化合物の成長が促進され、500℃以下の温度でパワーモジュール用基板とヒートシンクとを強固に接合することができる。 According to the present invention, the magnesium component of the metal foil breaks the aluminum oxide film on the surface of the metal layer and the aluminum silicon carbide composite and is dispersed as a fine magnesium oxide. Growth is promoted, and the power module substrate and the heat sink can be firmly bonded at a temperature of 500 ° C. or lower.

本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の全体構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the whole structure of the substrate for the power module with a heat sink which concerns on one Embodiment of this invention. 図1のパワーモジュール用基板について接合前の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state before joining about the substrate for a power module of FIG. 上記実施形態の製造方法におけるパワーモジュール用基板にヒートシンクを接合する前の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state before joining the heat sink to the substrate for a power module in the manufacturing method of the said embodiment.

以下、本発明の実施形態について説明する。
図1に、本実施形態の製造方法により製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板1を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板1は、パワーモジュール用基板10とヒートシンク20とが銅層30を介して積層状態で接合されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a substrate 1 for a power module with a heat sink manufactured by the manufacturing method of the present embodiment. In the power module substrate 1 with a heat sink, the power module substrate 10 and the heat sink 20 are joined to each other in a laminated state via a copper layer 30.

パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面(表面)11aに接合された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(裏面)11bに接合された金属層13とを有する。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えばAlN(窒化アルミ)、窒化珪素Si等により形成され、その板厚は0.2mm〜1.5mmである。
The power module substrate 10 is a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 bonded to one surface (front surface) 11a of the ceramic substrate 11, and a metal layer 13 bonded to the other surface (back surface) 11b of the ceramic substrate 11. And have.
The ceramic substrate 11 is an insulating material that prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is formed of, for example, AlN (aluminum nitride), silicon nitride Si 3 N 4, or the like, and its plate thickness is 0. It is 2 mm to 1.5 mm.

回路層12及び金属層13は、アルミニウム又はアルミニウム合金のいずれも適用可能であるが、金属層13については純度99.00質量%以上又は純度99.99質量%以上の純アルミニウムが応力緩和のために特に好ましい。これら回路層12及び金属層13の板厚は0.1mm〜1.0mmが好適である。これら回路層12及び金属層13は、セラミックス基板11の両面にアルミニウム板を、例えばAl−Si系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより接合される。 Either aluminum or an aluminum alloy can be applied to the circuit layer 12 and the metal layer 13, but for the metal layer 13, pure aluminum having a purity of 99.00% by mass or more or a purity of 99.99% by mass or more is used for stress relaxation. Is particularly preferable. The plate thickness of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is preferably 0.1 mm to 1.0 mm. The circuit layer 12 and the metal layer 13 are joined by laminating aluminum plates on both sides of the ceramic substrate 11 via, for example, an Al—Si brazing material, and pressurizing and heating them in the laminating direction.

ヒートシンク20は、炭化珪素多孔体にアルミニウム合金を含浸して形成されたアルミニウム炭化珪素複合体により形成される。炭化珪素多孔体は、炭化珪素粉末と結合剤とを混合して板状に成形して焼結したものである。この炭化珪素多孔体にマグネシウムやシリコンを含有するアルミニウム合金の溶融物を高圧で含浸させることにより、アルミニウム炭化珪素複合体が製造される。アルミニウムと炭化珪素との両方の特性を兼ね備えており、ヒートシンクとして良好な熱伝導性を有するとともに、熱膨張係数が低く、パワーモジュール用基板10に接合されることにより、熱伸縮がパワーモジュール用基板10のセラミックス基板11と均衡して反り等の発生を抑制することができる。
ヒートシンク20としては、平板が好適に用いられ、その厚さは0.4mm〜6.0mmとするとよい。
なお、ヒートシンク20の表面には、含侵されたアルミニウム合金からなるスキン層(図示なし)が形成されており、このスキン層と銅層30が接合されている。
また、含浸されるアルミニウム合金としては、例えば、A356(ASTM規格)、ADC12、6063、3003等(JIS規格)を用いることができる。
銅層30は、特に限定されないが、熱伝導性の面で純銅からなるものが好ましい。例えば、無酸素銅の圧延板によって形成されており、0.05mm以上3.0mm以下の厚さに形成される。
The heat sink 20 is formed of an aluminum silicon carbide composite formed by impregnating a silicon carbide porous body with an aluminum alloy. The silicon carbide porous body is obtained by mixing silicon carbide powder and a binder, forming a plate, and sintering the mixture. An aluminum silicon carbide composite is produced by impregnating this silicon carbide porous body with a melt of an aluminum alloy containing magnesium or silicon at a high pressure. It has the characteristics of both aluminum and silicon carbide, has good thermal conductivity as a heat sink, has a low coefficient of thermal expansion, and is bonded to the power module substrate 10 so that thermal expansion and contraction can be achieved by the power module substrate. It is possible to suppress the occurrence of warpage and the like in balance with the ceramic substrate 11 of 10.
As the heat sink 20, a flat plate is preferably used, and the thickness thereof is preferably 0.4 mm to 6.0 mm.
A skin layer (not shown) made of an impregnated aluminum alloy is formed on the surface of the heat sink 20, and the skin layer and the copper layer 30 are bonded to each other.
Further, as the impregnated aluminum alloy, for example, A356 (ASTM standard), ADC12, 6063, 3003 and the like (JIS standard) can be used.
The copper layer 30 is not particularly limited, but is preferably made of pure copper in terms of thermal conductivity. For example, it is formed by a rolled plate of oxygen-free copper, and is formed to have a thickness of 0.05 mm or more and 3.0 mm or less.

次に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板1の製造方法について説明する。
その製造方法は、セラミックス基板11に回路層12及び金属層13を接合してパワーモジュール用基板10を形成するパワーモジュール用基板形成工程と、パワーモジュール用基板10にヒートシンク20を接合するヒートシンク接合工程とからなる。以下、この工程順に説明する。
Next, a method of manufacturing the substrate 1 for a power module with a heat sink according to the present embodiment will be described.
The manufacturing method includes a power module substrate forming step of joining a circuit layer 12 and a metal layer 13 to a ceramics substrate 11 to form a power module substrate 10, and a heat sink joining step of joining a heat sink 20 to a power module substrate 10. It consists of. Hereinafter, this process will be described in order.

(パワーモジュール用基板形成工程)
図2に示すように、セラミックス基板11の一方の面11aに回路層12となるアルミニウム板12A、他方の面11bに金属層13となるアルミニウム板13Aを、それぞれAl−Si系ろう材箔15を介して積層し、その積層体を積層方向に加圧した状態で加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板11の一方の面11aに回路層12、他方の面11bに金属層13が接合されたパワーモジュール用基板10を形成する。ろう材箔15は加熱により溶融し、回路層12や金属層13中に拡散して、これらをセラミックス基板11と強固に接合する。
このときの接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が0.3MPa〜1.0MPaで、640℃以上650℃以下の加熱温度に1分以上60分以下保持するのが好適である。
(Substrate forming process for power module)
As shown in FIG. 2, an aluminum plate 12A serving as a circuit layer 12 is provided on one surface 11a of the ceramic substrate 11, an aluminum plate 13A serving as a metal layer 13 is provided on the other surface 11b, and an Al—Si brazing material foil 15 is provided. The circuit layer 12 is bonded to one surface 11a of the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 is bonded to the other surface 11b by cooling the laminated body in a state of being pressurized in the stacking direction. The power module substrate 10 is formed. The brazing foil 15 is melted by heating and diffuses into the circuit layer 12 and the metal layer 13 to firmly bond them to the ceramic substrate 11.
The joining conditions at this time are not necessarily limited, but in a vacuum atmosphere, the pressing force in the stacking direction is 0.3 MPa to 1.0 MPa, and the heating temperature is 640 ° C. or higher and 650 ° C. or lower for 1 minute or longer and 60. It is preferable to hold it for a minute or less.

(ヒートシンク接合工程)
図3に示すように、パワーモジュール用基板10の金属層13に銅層30を介してヒートシンク20を接合する。この接合は、金属層13及びヒートシンク20のアルミニウムと銅層30の銅との固相拡散接合である。
また、この接合に際しては、金属箔40を金属層13と銅層30との間に挿入しておく。この金属箔40は、マグネシウムが添加されたアルミニウム合金により形成される金属箔である。
この金属箔40を金属層13と銅層30との間に介在させ、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、金属層13とヒートシンク20とをアルミニウムと銅との拡散接合によって接合する。このときの接合条件としては、必ずしも限定されないが、真空雰囲気で、積層方向の加圧力が0.3MPa以上3.5MPa以下で、400℃以上500℃未満の加熱温度に5分以上240分以下保持するのが好適である。
(Heat sink joining process)
As shown in FIG. 3, the heat sink 20 is bonded to the metal layer 13 of the power module substrate 10 via the copper layer 30. This bonding is a solid phase diffusion bonding between the aluminum of the metal layer 13 and the heat sink 20 and the copper of the copper layer 30.
Further, at the time of this joining, the metal foil 40 is inserted between the metal layer 13 and the copper layer 30. The metal foil 40 is a metal foil formed of an aluminum alloy to which magnesium is added.
The metal leaf 40 is interposed between the metal layer 13 and the copper layer 30, and the metal layer 13 and the heat sink 20 are joined by diffusion bonding between aluminum and copper by heating in a state of being pressurized in the stacking direction. .. The joining conditions at this time are not necessarily limited, but are maintained in a vacuum atmosphere at a pressure of 0.3 MPa or more and 3.5 MPa or less in the stacking direction and at a heating temperature of 400 ° C. or more and less than 500 ° C. for 5 minutes or more and 240 minutes or less. It is preferable to do so.

前述したように、金属層13及びヒートシンク20表面にはアルミニウム酸化膜が存在しており、これが銅層30との固相拡散接合の妨げとなっている。この接合工程においては、金属箔40ではマグネシウム原子がアルミニウム合金内に含有されているため、そのマグネシウム原子が、金属層13及びヒートシンク20表面のアルミニウム酸化膜を破壊し、スピネル(MgAl)等のマグネシウム酸化物を生成する。このため、アルミニウム酸化膜が除去された金属層13及びアルミニウム炭化珪素アルミニウムの表面と銅層30の表面とが接触して拡散接合する。 As described above, the aluminum oxide film is present on the surfaces of the metal layer 13 and the heat sink 20, which hinders the solid phase diffusion bonding with the copper layer 30. In this joining step, since magnesium atoms are contained in the aluminum alloy in the metal foil 40, the magnesium atoms destroy the aluminum oxide film on the surfaces of the metal layer 13 and the heat sink 20, and the spinel (MgAl 2 O 4 ). To produce magnesium oxides such as. Therefore, the surface of the metal layer 13 and the aluminum silicon carbide aluminum from which the aluminum oxide film has been removed and the surface of the copper layer 30 are in contact with each other for diffusion bonding.

また、このとき生成されるマグネシウム酸化物は、マグネシウム原子の拡散によって形成されたものであるため、微細な粒子であり、金属層13と銅層30との界面に沿って面方向に分散して形成される。このため、金属層13やヒートシンク20のアルミニウムと銅層30の銅との拡散接合を阻害することが少なく、アルミニウムと銅との拡散接合が促進され、金属層13とヒートシンク20とが強固に接合される。 Further, since the magnesium oxide generated at this time is formed by the diffusion of magnesium atoms, it is fine particles and is dispersed in the plane direction along the interface between the metal layer 13 and the copper layer 30. It is formed. Therefore, the diffusion bonding between the aluminum of the metal layer 13 or the heat sink 20 and the copper of the copper layer 30 is less likely to be hindered, the diffusion bonding between aluminum and copper is promoted, and the metal layer 13 and the heat sink 20 are firmly bonded. Will be done.

この金属箔40は、マグネシウムが添加されたAl−Si合金(アルミニウム合金)の圧延箔であり、その厚さは3.0μm以上300.0μm以下が好ましい。この金属箔40の厚さは3.0μm未満とするのは圧延困難であり、300.0μmを超える厚さでは、金属箔40(圧延箔)とセラミックスとの線膨張差から生じる応力が大きくなり、剥離の原因となるおそれがある。
なお、金属箔40はマグネシウムが添加されたAl−Si合金により構成されていることとしたが、そのAl−Si合金におけるシリコンの含有比率が10.5質量%以下であることが好ましい。Al−Si合金におけるシリコンの含有比率が10.5質量%を超えると圧延困難となる。
また、上記実施形態では、金属箔40の材料をマグネシウムが添加されたAl−Si合金としたが、マグネシウムが添加された他のアルミニウム合金を用いてもよいし、マグネシウムが添加された純アルミニウムであってもよい。
The metal foil 40 is a rolled foil of an Al—Si alloy (aluminum alloy) to which magnesium is added, and the thickness thereof is preferably 3.0 μm or more and 300.0 μm or less. It is difficult to roll the metal foil 40 to a thickness of less than 3.0 μm, and if the thickness exceeds 300.0 μm, the stress generated by the linear expansion difference between the metal foil 40 (rolled foil) and the ceramics becomes large. , May cause peeling.
The metal leaf 40 is made of an Al—Si alloy to which magnesium is added, but the silicon content in the Al—Si alloy is preferably 10.5% by mass or less. If the silicon content in the Al—Si alloy exceeds 10.5% by mass, rolling becomes difficult.
Further, in the above embodiment, the material of the metal foil 40 is an Al—Si alloy to which magnesium is added, but another aluminum alloy to which magnesium is added may be used, or pure aluminum to which magnesium is added may be used. There may be.

金属箔40におけるマグネシウムの濃度は、マグネシウムが0.02質量%以上3.0質量%以下となる比率に設定される。
マグネシウムの濃度が0.02質量%未満ではアルミニウムと銅との界面にマグネシウム酸化物が十分に形成されない結果、アルミニウム酸化膜が残存してアルミニウムと銅との拡散接合が阻害され、接合不良を生じるおそれがある。
一方、マグネシウムの濃度が増えると、相対的にアルミニウムの濃度が減少し、金属層40がより固くなることから、圧延が困難となる。
The concentration of magnesium in the metal foil 40 is set to a ratio of 0.02% by mass or more and 3.0% by mass or less of magnesium.
If the magnesium concentration is less than 0.02% by mass, magnesium oxide is not sufficiently formed at the interface between aluminum and copper, and as a result, an aluminum oxide film remains and diffusion bonding between aluminum and copper is hindered, resulting in bonding failure. There is a risk.
On the other hand, when the concentration of magnesium increases, the concentration of aluminum decreases relatively, and the metal layer 40 becomes harder, which makes rolling difficult.

このようにしてパワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク20とが銅層30を介して固相拡散接合されることにより、これらが一体になったヒートシンク付パワーモジュール用基板1が製造される。 In this way, the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the heat sink 20 are solid-phase diffusion-bonded via the copper layer 30, thereby manufacturing a power module substrate 1 with a heat sink in which they are integrated. ..

この製造方法によれば、マグネシウムが添加されたアルミニウム合金からなる金属箔40を介在させたことにより、パワーモジュール用基板10の金属層13とアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンク20とを銅層30を介して500℃以下の低温で固相拡散接合することが可能になり、金属層13及びアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンク20のいずれもを強固に接合することができる。 According to this manufacturing method, the metal layer 13 of the substrate 10 for a power module and the heat sink 20 made of an aluminum silicon carbide composite are formed into a copper layer 30 by interposing a metal foil 40 made of an aluminum alloy to which magnesium is added. It becomes possible to perform solid-phase diffusion bonding at a low temperature of 500 ° C. or lower, and both the metal layer 13 and the heat sink 20 made of an aluminum silicon carbide composite can be firmly bonded.

その他、細部構成は実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
また、本実施形態では、ヒートシンク20は平板としたが、形状は特に限定されず、例えば、内部に水路を有する液冷式の冷却器であっても良い。
In addition, the detailed configuration is not limited to the configuration of the embodiment, and various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
Further, in the present embodiment, the heat sink 20 is a flat plate, but the shape is not particularly limited, and for example, a liquid-cooled cooler having a water channel inside may be used.

パワーモジュール用基板として、窒化アルミニウム板からなるセラミックス基板の両面に、純アルミニウム板(4N−Al)からなる回路層及び金属層を接合したものを用い、その金属層に厚さ1.0mmの銅層を接合した。パワーモジュール用基板の接合には、厚さ12μmのAl−7.5質量%Siろう材箔を用い、加圧力0.6MPaで、640℃〜660℃の温度に30分保持した。
実施例1〜8及び比較例1におけるパワーモジュール用基板の金属層と銅層との接合の際に形成した金属箔におけるMgの添加の有無、シリコンの濃度及びマグネシウムの濃度、並びに箔厚は表1の通りである。なお、従来例においては、パワーモジュール用基板の金属層と銅層との接続に上記金属箔を用いなかった。
このパワーモジュール用基板の金属層と銅層との接合においては、加圧力2.1MPaで490℃の温度に150分保持した。
As the substrate for the power module, a ceramic substrate made of an aluminum nitride plate is bonded to a circuit layer made of a pure aluminum plate (4N-Al) and a metal layer on both sides, and copper having a thickness of 1.0 mm is attached to the metal layer. The layers were joined. A 12 μm-thick Al-7.5 mass% Si brazing material foil was used for joining the power module substrate, and the pressure was maintained at a pressure of 0.6 MPa at a temperature of 640 ° C to 660 ° C for 30 minutes.
The table shows the presence / absence of Mg added to the metal foil formed at the time of joining the metal layer and the copper layer of the power module substrate in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1, the concentration of silicon and the concentration of magnesium, and the foil thickness. It is as in 1. In the conventional example, the metal foil was not used for connecting the metal layer and the copper layer of the power module substrate.
In the bonding between the metal layer and the copper layer of the power module substrate, the pressure was maintained at 490 ° C. for 150 minutes at a pressing force of 2.1 MPa.

得られた試料について、金属層と銅層との接合率(DBA/Cu接合率)を評価した。
接合率は、接合面の超音波探傷像を二値化処理して、剥離部分を除く接合された面積を求め、これを接合すべき界面の面積で割った比率とした。
また、得られた資料について、冷熱サイクル信頼性としてセラミックス基板と金属層との接合率(AIN/裏Al接合率)を評価した。このセラミックス基板及び金属層の接合率は、−40℃〜150℃の間で3000回変化させる温度サイクル試験を実行した後の数値である。
これらの結果を表1に示す。
The bonding ratio (DBA / Cu bonding ratio) between the metal layer and the copper layer was evaluated for the obtained sample.
The bonding ratio was obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image of the bonding surface to obtain the bonded area excluding the peeled portion, and dividing this by the area of the interface to be bonded.
Moreover, about the obtained material, the bonding ratio (AIN / back Al bonding ratio) between the ceramic substrate and the metal layer was evaluated as the thermal cycle reliability. The bonding ratio of the ceramic substrate and the metal layer is a numerical value after performing a temperature cycle test in which the temperature is changed 3000 times between −40 ° C. and 150 ° C.
These results are shown in Table 1.

Figure 0006973218
Figure 0006973218

表1から明らかなように、マグネシウムを添加したアルミニウム箔、若しくは、マグネシウムを添加したAl−Si箔のマグネシウムの濃度が0.02質量%以上3.0質量%以下のもの(実施例1〜8)は、金属層と銅層との接合率(DBA/Cu接合率)が90%を超えており、500℃以下の温度でも実用上問題ない接合を得ることができた。
また、実施例1〜8の窒化アルミニウムにより構成されるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属層との接合率(AIN/裏Alの接合率)は、75%を超えており、冷熱サイクル信頼性も高かった。特に、実施例1〜7は、AIN/裏Alの接合率が80%を超えており、マグネシウムを添加したアルミニウム箔、若しくは、マグネシウムを添加したAl−Si箔の箔圧を3.0μm以上300.0μm以下とすることで、冷却サイクル信頼性をより高めることができた。
As is clear from Table 1, the magnesium concentration of the magnesium-added aluminum foil or the magnesium-added Al-Si foil is 0.02% by mass or more and 3.0% by mass or less (Examples 1 to 8). ), The bonding ratio (DBA / Cu bonding ratio) between the metal layer and the copper layer exceeds 90%, and a bonding with no practical problem can be obtained even at a temperature of 500 ° C. or lower.
Further, the bonding ratio (bonding ratio of AIN / back Al) between the ceramic substrate composed of aluminum nitride and the metal layer made of pure aluminum in Examples 1 to 8 exceeds 75%, and the thermal cycle reliability is also high. it was high. In particular, in Examples 1 to 7, the bonding ratio of AIN / back Al exceeds 80%, and the foil pressure of the aluminum foil to which magnesium is added or the Al-Si foil to which magnesium is added is 300 μm or more. By setting it to 0.0 μm or less, the reliability of the cooling cycle could be further improved.

1 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
20 ヒートシンク
30 銅層
40 金属箔
50 接合層
1 Substrate for power module with heat sink 10 Substrate for power module 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 20 Heat sink 30 Copper layer 40 Metal foil 50 Bonding layer

Claims (3)

セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、前記セラミックス基板の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金属層が接合されてなるパワーモジュール用基板における前記金属層と、炭化珪素の多孔体にアルミニウム合金を含浸して形成されたアルミニウム炭化珪素複合体からなるヒートシンクとを銅層を介して拡散接合することにより、前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記パワーモジュール用基板の前記金属層と前記銅層との間に、マグネシウムが0.02質量%以上3.0質量%以下の濃度で添加されたアルミニウム合金からなる金属箔を介在した状態で400℃以上500℃未満に加熱して前記パワーモジュール用基板と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 The metal layer in the power module substrate in which the circuit layer is bonded to one surface of the ceramic substrate and the metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is bonded to the other surface of the ceramic substrate, and the porosity of silicon carbide. It has a heat sink joining step of joining the power module substrate and the heat sink by diffusion-bonding the heat sink made of an aluminum silicon carbide composite formed by impregnating the body with an aluminum alloy via a copper layer. In the heat sink joining step, a metal made of an aluminum alloy in which magnesium is added at a concentration of 0.02% by mass or more and 3.0% by mass or less between the metal layer and the copper layer of the power module substrate. A method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink, which comprises heating the substrate for a power module to a temperature of 400 ° C. or higher and lower than 500 ° C. with a foil interposed therebetween to solid-phase diffusion-bond the substrate for the power module and the heat sink. 前記金属箔の厚さが3.0μm以上300.0μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 The method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink according to claim 1, wherein the thickness of the metal foil is 3.0 μm or more and 300.0 μm or less. 前記金属箔は、さらにシリコンを含み、該シリコンの濃度が10.5質量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 The method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink according to claim 1 or 2, wherein the metal foil further contains silicon, and the concentration of the silicon is 10.5% by mass or less.
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