JP6973674B2 - Insulated circuit board - Google Patents

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Description

この発明は、セラミックス基板と、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板とが接合されてなる絶縁回路基板に関するものである。 The present invention relates to an insulating circuit board formed by joining a ceramic substrate and an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy.

パワーモジュール、LEDモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、LED素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
また、上述の絶縁回路基板においては、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回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層を形成した構造のものも提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁回路基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
The power module, LED module, and thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are bonded to an insulating circuit board having a circuit layer made of a conductive material formed on one surface of the insulating layer. ..
Further, in the above-mentioned insulating circuit board, a metal plate having excellent conductivity is bonded to one surface of a ceramic substrate to form a circuit layer, and a metal plate having excellent heat dissipation is bonded to the other surface to form a metal. Layered structures are also provided.
Further, in order to efficiently dissipate heat generated from an element or the like mounted on the circuit layer, an insulated circuit board with a heat sink in which a heat sink is bonded to the metal layer side of the insulated circuit board is also provided.

例えば、特許文献1に示す絶縁回路基板においては、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板からなる回路層が形成されるとともに他方の面にアルミニウム板からなる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。
ここで、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板を接合する際には、通常、Al−Si系ろう材が用いられている。
For example, in the insulating circuit board shown in Patent Document 1, an insulating circuit board in which a circuit layer made of an aluminum plate is formed on one surface of a ceramics substrate and a metal layer made of an aluminum plate is formed on the other surface. The structure is provided with a semiconductor element bonded to the circuit layer via a solder material.
Here, when joining the ceramic substrate and the aluminum plate to be the circuit layer and the metal layer, an Al—Si brazing material is usually used.

ここで、上述の絶縁回路基板には、冷熱サイクルを負荷した場合であっても接合信頼性を十分に確保する必要があった。
そこで、特許文献2には、セラミックス基板およびアルミニウム板の接合面の少なくとも一方にCuを固着してCu層を形成し、このCu層を介して積層したセラミックス基板とアルミニウム板とを積層方向に加圧して加熱し、セラミックス基板とアルミニウム板とをさらに強固に接合する技術が提案されている。
この特許文献2においては、Cuがアルニウム板側に拡散しており、接合界面から50μm以内の範囲内におけるCu濃度が0.05〜5wt%の範囲内とされ、アルミニウム板の幅方向端部にはAlとCuの共晶相が形成されており、接合信頼性に優れている。
Here, it is necessary to sufficiently secure the joining reliability of the above-mentioned insulated circuit board even when a thermal cycle is applied.
Therefore, in Patent Document 2, Cu is fixed to at least one of the joint surfaces of the ceramic substrate and the aluminum plate to form a Cu layer, and the ceramic substrate and the aluminum plate laminated via the Cu layer are added in the stacking direction. A technique has been proposed in which a ceramic substrate and an aluminum plate are more firmly bonded to each other by pressing and heating.
In Patent Document 2, Cu is diffused toward the aluminum plate, and the Cu concentration within the range of 50 μm from the bonding interface is within the range of 0.05 to 5 wt%, and the Cu concentration is set to the widthwise end of the aluminum plate. Has a eutectic phase of Al and Cu, and has excellent bonding reliability.

特許第3171234号公報Japanese Patent No. 3171234 特許第5359953号公報Japanese Patent No. 5359953

ところで、最近では、半導体素子がSiC等で構成され、従来よりも高温で動作する高温半導体デバイスが提供されている。
このため、上述の絶縁回路基板においては、従来よりも厳しい環境下で使用されることになり、過酷な冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れや回路層の変形等を抑制することが求められている。
By the way, recently, a high-temperature semiconductor device in which a semiconductor element is made of SiC or the like and operates at a higher temperature than before has been provided.
For this reason, the above-mentioned insulated circuit board is used in a harsher environment than before, and even when a harsh thermal cycle is applied, cracking of the ceramic substrate and deformation of the circuit layer are suppressed. Is required to do.

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、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れやアルミニウム板の変形等を抑制でき、セラミックス基板と回路層との接合信頼性に優れた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 can suppress cracking of the ceramic substrate, deformation of the aluminum plate, etc. even when a severe thermal cycle is applied, and the ceramic substrate and the circuit layer can be combined with each other. It is an object of the present invention to provide an insulated circuit board having excellent joining reliability.

上述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に、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板が積層されて接合された絶縁回路基板であって、前記アルミニウム板には、前記セラミックス基板との接合界面においてCuが固溶しており、前記接合界面と、前記接合界面から積層方向に100μmの位置とで、AlとCuの濃度(mass%)の合計が100となるようにして、それぞれ5点のCu濃度とその平均値を求め、接合界面におけるCu濃度A(mass%),接合界面から100μmの位置におけるCu濃度B(mass%)を算出し、前記接合界面におけるCu濃度Amass%と前記接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bmass%との比B/Aが0.30以上0.85以下であ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 in which an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy is laminated and bonded to the surface of a ceramics substrate, and the aluminum plate is formed. Cu is solid-dissolved at the bonding interface with the ceramic substrate, and the total concentration (mass%) of Al and Cu is 100 at the bonding interface and at a position 100 μm from the bonding interface in the stacking direction. In this way, the Cu concentration at each of the five points and the average value thereof are obtained, the Cu concentration A (mass%) at the bonding interface and the Cu concentration B (mass%) at a position 100 μm from the bonding interface are calculated, and the Cu concentration B (mass%) at the bonding interface is calculated. It is characterized in that the ratio B / A of the Cu concentration Mass% and the Cu concentration Bmass% at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface to the aluminum plate side is 0.30 or more and 0.85 or less.

この構成の絶縁回路基板によれば、前記アルミニウム板の前記セラミックス基板との接合界面側においてCuが固溶しており、前記接合界面におけるCu濃度Amass%と前記接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bmass%との比B/Aが0.30以上0.85以下とされているので、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板の内部にまで十分にCuが拡散しており、アルミニウム板の接合界面近傍にはCuが過飽和に固溶した領域が形成される。このため、冷熱サイクル負荷後におけるアルミニウム板の変形やアルミニウム板内でのクラックの発生を抑制できる。
また、CuがAlの母相中に固溶しているので、硬いAl−Cuの共晶相が形成されておらず、セラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
According to the insulating circuit board having this configuration, Cu is solid-dissolved on the bonding interface side of the aluminum plate with the ceramics substrate, and the Cu concentration Mass% at the bonding interface and the thickness from the bonding interface to the aluminum plate side. Since the ratio B / A to the Cu concentration Bmass% at the position of 100 μm in the vertical direction is 0.30 or more and 0.85 or less, Cu is sufficiently diffused into the inside of the aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy. A region in which Cu is oversaturated is formed in the vicinity of the bonding interface of the aluminum plate. Therefore, it is possible to suppress the deformation of the aluminum plate and the occurrence of cracks in the aluminum plate after the load of the thermal cycle.
Further, since Cu is solid-solved in the matrix phase of Al, a hard eutectic phase of Al—Cu is not formed, and the occurrence of cracking of the ceramic substrate can be suppressed.

ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記アルミニウム板において、前記接合界面から厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bが0.04mass%以上0.96mass%以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、アルミニウム板の内部に向けて十分にCuが拡散しており、アルミニウム板の接合界面近傍にはCuが過飽和に固溶した領域が十分に形成される。このため、冷熱サイクル負荷後におけるアルミニウム板の変形やアルミニウム板内でのクラックの発生をさらに抑制することが可能となる。
Here, in the insulating circuit board of the present invention, in the aluminum plate, the Cu concentration B at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface is within the range of 0.04 mass% or more and 0.96 mass% or less. Is preferable.
In this case, Cu is sufficiently diffused toward the inside of the aluminum plate, and a region in which Cu is supersaturated and solid-solved is sufficiently formed in the vicinity of the bonding interface of the aluminum plate. Therefore, it is possible to further suppress the deformation of the aluminum plate and the occurrence of cracks in the aluminum plate after the load of the cold cycle.

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に、前記アルミニウム板の前記接合界面から厚さ方向に100μmまでの領域に、前記アルミニウム板の結晶粒界および結晶粒内にAlとCuを含むAl−Cu化合物粒子が析出することが好ましい。
この場合、アルミニウム板の接合界面近傍がAl−Cu化合物粒子によって強化されており、冷熱サイクル負荷後におけるアルミニウム板の変形やアルミニウム板内でのクラックの発生を確実に抑制できる。
Further, in the insulating circuit substrate of the present invention, after 2000 times of a thermal cycle in which holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle is performed 2000 times, the thickness direction from the bonding interface of the aluminum plate. It is preferable that Al—Cu compound particles containing Al and Cu are precipitated in the crystal grain boundaries and crystal grains of the aluminum plate in a region of up to 100 μm.
In this case, the vicinity of the joint interface of the aluminum plate is reinforced by the Al—Cu compound particles, and it is possible to reliably suppress the deformation of the aluminum plate and the occurrence of cracks in the aluminum plate after the cold cycle load.

また、本発明の絶縁回路基板においては、接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に50μmの範囲内において、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出した前記Al−Cu化合物粒子の個数密度が0.50個/μm以上8.50個/μm以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に50μmの範囲内において、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出した前記Al−Cu化合物粒子の個数密度が0.50個/μm以上とされているので、接合界面近傍のアルミニウム板の変形抵抗が上昇し、アルミニウム板の変形をさらに抑制することができる。また、前記Al−Cu化合物粒子の個数密度が8.50個/μm以下とされているので、接合界面近傍のアルミニウム板が必要以上に硬くならず、セラミックス基板の割れをさらに抑制することができる。
Further, in the insulating circuit substrate of the present invention, a cold cycle in which holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes is one cycle within a range of 50 μm in the thickness direction from the bonding interface to the aluminum plate side. The number density of the Al—Cu compound particles precipitated after 2000 times is preferably in the range of 0.50 / μm 2 or more and 8.50 / μm 2 or less.
In this case, it precipitates after 2000 times of a thermal cycle in which holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle within a range of 50 μm in the thickness direction from the bonding interface to the aluminum plate side. Since the number density of the Al—Cu compound particles is 0.50 / μm 2 or more, the deformation resistance of the aluminum plate near the bonding interface increases, and the deformation of the aluminum plate can be further suppressed. Further, since the number density of the Al—Cu compound particles is 8.50 particles / μm 2 or less, the aluminum plate near the bonding interface does not become harder than necessary, and cracking of the ceramic substrate can be further suppressed. can.

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出した前記Al−Cu化合物粒子の円相当径の平均が30nm以上130nm以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出した前記Al−Cu化合物粒子の円相当径の平均が上述の範囲内とされているので、接合界面近傍のアルミニウム板を十分に析出強化することができ、前記アルミニウム板の変形をさらに抑制することができる。
Further, in the insulating circuit board of the present invention, the circle-equivalent diameter of the Al-Cu compound particles precipitated after 2000 times of a cold heat cycle in which holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle is performed 2000 times. It is preferable that the average of the particles is in the range of 30 nm or more and 130 nm or less.
In this case, the average circle-equivalent diameter of the Al-Cu compound particles precipitated after 2000 times of a cold heat cycle in which holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes is within the above range. Therefore, the aluminum plate in the vicinity of the bonding interface can be sufficiently precipitated and strengthened, and the deformation of the aluminum plate can be further suppressed.

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板の接合界面において、前記接合界面の幅方向の端部から中心に向かって1mmの範囲内でのAl−Cu共晶相の面積率が30%以下であることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板の接合界面において、Al−Cu共晶相の面積率が30%以下に制限されているので、硬いAl−Cu共晶相が少なく、セラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
Further, in the insulating circuit board of the present invention, at the bonding interface between the aluminum plate and the ceramics substrate, the Al—Cu eutectic phase within a range of 1 mm from the end in the width direction of the bonding interface toward the center. The area ratio is preferably 30% or less.
In this case, since the area ratio of the Al—Cu eutectic phase is limited to 30% or less at the bonding interface between the aluminum plate and the ceramic substrate, there are few hard Al—Cu eutectic phases and the ceramic substrate is cracked. Occurrence can be suppressed.

本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れや回路層(金属層)の変形等を抑制でき、セラミックス基板と回路層(金属層)との接合信頼性に優れた絶縁回路基板を提供することができる。 According to the present invention, cracking of the ceramic substrate and deformation of the circuit layer (metal layer) can be suppressed even when a severe cold heat cycle is applied, and the bonding reliability between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) can be suppressed. It is possible to provide an excellent insulated circuit board.

本発明の実施形態である絶縁回路基板を用い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 using the insulation circuit board which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である絶縁回路基板における回路層(金属層)とセラミックス基板の接合界面の拡大説明図である。It is an enlarged explanatory view of the bonding interface of a circuit layer (metal layer) and a ceramics substrate in an insulating circuit board which is an embodiment of this invention. 本発明の実施形態である絶縁回路基板の回路層(アルミニウム板)および金属層(アルミニウム板)とセラミックス基板との接合界面の観察写真である。(a)が冷熱サイクル負荷前であり、(b)が冷熱サイクル負荷後である。It is an observation photograph of the junction interface between a circuit layer (aluminum plate) and a metal layer (aluminum plate) of an insulating circuit board which is an embodiment of this invention, and a ceramics substrate. (A) is before the cold cycle load, and (b) is after the cold cycle load. 図3(b)の拡大写真である。It is an enlarged photograph of FIG. 3 (b). 図1に示す絶縁回路基板およびパワーモジュールの製造方法を示すフロー図である。It is a flow chart which shows the manufacturing method of the insulation circuit board and a power module shown in FIG. 本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the insulation circuit board which is an embodiment of this invention.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1に、本発明の実施形態である絶縁回路基板10、および、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。
図1に示すパワーモジュール1は、絶縁回路基板10と、絶縁回路基板10の一方側(図1において上側)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板10の他方側(図1において下側)に配設されたヒートシンク31と、を備えている。
FIG. 1 shows an insulated circuit board 10 according to an embodiment of the present invention and a power module 1 using the insulated circuit board 10.
The power module 1 shown in FIG. 1 has an insulating circuit board 10, a semiconductor element 3 bonded to one side (upper side in FIG. 1) of the insulating circuit board 10 via a solder layer 2, and the other side of the insulating circuit board 10. It is provided with a heat sink 31 arranged (lower side in FIG. 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。
半導体素子3は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
The solder layer 2 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).
The semiconductor element 3 is an electronic component provided with a semiconductor, and various semiconductor elements are selected according to a required function.

絶縁回路基板10は、図1に示すように、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12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に形成された金属層13と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the insulating circuit board 10 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the other surface of the ceramic substrate 11 (the other surface of the ceramic substrate 11). A metal layer 13 formed on the lower surface in FIG. 1) is provided.

セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いSi(窒化ケイ素)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、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、0.32mmに設定されている。 Ceramic substrate 11 is for preventing an electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and a high insulating property Si 3 N 4 (silicon nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within the range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and in this embodiment, it is set to 0.32 mm.

回路層12は、セラミックス基板11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板22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、回路層12は、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板22がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
The circuit layer 12 is formed by joining an aluminum plate 22 made of aluminum or an aluminum alloy to one surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining an aluminum plate 22 made of a rolled aluminum plate having a purity of 99.99 mass% or more (so-called 4N aluminum) to a ceramic substrate 11.

金属層13は、セラミックス基板11の他方の面にアルミニウム板23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13は、回路層12と同様に、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
The metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled aluminum plate having a purity of 99.99 mass% or more (so-called 4N aluminum) to the ceramic substrate 11, similarly to the circuit layer 12. It is formed.

ヒートシンク31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31は、熱伝導性が良好なアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態においては、A6063合金で構成されている。このヒートシンク31の厚さは、3mm以上10mm以下の範囲内に設定されている。
なお、ヒートシンク31と絶縁回路基板10の金属層13とは、ろう材を用いて接合されている。
The heat sink 31 is for dissipating heat on the insulating circuit board 10 side. The heat sink 31 is made of aluminum or an aluminum alloy having good thermal conductivity, and in this embodiment, it is made of an A6063 alloy. The thickness of the heat sink 31 is set within the range of 3 mm or more and 10 mm or less.
The heat sink 31 and the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 are joined by using a brazing material.

そして、本実施形態においては、図2に示すように、回路層12および金属層13においては、セラミックス基板11との接合界面においてCuが固溶しており、接合界面におけるCu濃度Amass%と接合界面から回路層12および金属層13側へ厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bmass%との比B/Aが0.30以上0.85以下とされている。
すなわち、接合界面から回路層12および金属層13側へ厚さ方向に100μmの位置においても、Cuが十分に存在していることになる。
比B/Aが、0.30未満であると、接合界面が固くなり接合信頼性が悪化したり、回路層12(金属層13)にCuが十分拡散せず、回路層12(金属層13)に変形および割れが生じたりするおそれがある。
比B/Aが、0.85を超えると、Cuが拡散しすぎて、回路層12(金属層13)全体が硬くなり回路層が温度サイクルで受ける応力を緩和することができず割れが生じるおそれがある。
なお、接合界面におけるCu濃度Amass%と接合界面から回路層12および金属層13側へ厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bmass%との比B/Aの上限は、0.70以下であることが好ましく、0.50以下であることがより好ましい。
Then, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, in the circuit layer 12 and the metal layer 13, Cu is solid-dissolved at the bonding interface with the ceramic substrate 11, and the Cu concentration is mass% at the bonding interface. The ratio B / A to the Cu concentration Bmass% at a position of 100 μm in the thickness direction from the interface to the circuit layer 12 and the metal layer 13 side is 0.30 or more and 0.85 or less.
That is, Cu is sufficiently present even at a position of 100 μm in the thickness direction from the bonding interface to the circuit layer 12 and the metal layer 13 side.
When the ratio B / A is less than 0.30, the bonding interface becomes hard and the bonding reliability deteriorates, or Cu does not sufficiently diffuse into the circuit layer 12 (metal layer 13), and the circuit layer 12 (metal layer 13). ) May be deformed or cracked.
When the ratio B / A exceeds 0.85, Cu diffuses too much, the entire circuit layer 12 (metal layer 13) becomes hard, and the stress that the circuit layer receives in the temperature cycle cannot be relaxed, resulting in cracking. There is a risk.
The upper limit of the ratio B / A between the Cu concentration Mass% at the bonding interface and the Cu concentration B mass% at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface to the circuit layer 12 and the metal layer 13 is 0.70 or less. It is preferably 0.50 or less, and more preferably 0.50 or less.

ここで、本実施形態においては、回路層12および金属層13において、接合界面から厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bが0.04mass%以上0.96mass%以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、接合界面から厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bの下限は0.10mass%以上であることがより好ましく、0.14mass%以上であることがさらに好ましい。一方、接合界面から厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bの上限は0.50mass%以下であることがより好ましく、0.45mass%以下であることがさらに好ましい。
Here, in the present embodiment, in the circuit layer 12 and the metal layer 13, the Cu concentration B at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface is within the range of 0.04 mass% or more and 0.96 mass% or less. Is preferable.
The lower limit of the Cu concentration B at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface is more preferably 0.10 mass% or more, and further preferably 0.14 mass% or more. On the other hand, the upper limit of the Cu concentration B at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface is more preferably 0.50 mass% or less, and further preferably 0.45 mass% or less.

また、本実施形態においては、回路層12および金属層13とセラミックス基板11の接合界面の幅方向の端部から中心に向かって1mmの範囲内でのAl−Cu共晶相の面積率が30%以下に制限されていることが好ましい。
なお、回路層12および金属層13とセラミックス基板11の接合界面におけるAl−Cu共晶相の面積率は20%以下であることがさらに好ましく、17%以下であることがより好ましい。Al−Cu共晶相の面積率の下限値は、0%であってもよく、6.2%以上であってもよい。
Further, in the present embodiment, the area ratio of the Al—Cu eutectic phase within a range of 1 mm from the end in the width direction of the bonding interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 toward the center is 30. It is preferably limited to% or less.
The area ratio of the Al—Cu eutectic phase at the junction interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 is more preferably 20% or less, and even more preferably 17% or less. The lower limit of the area ratio of the Al—Cu eutectic phase may be 0% or 6.2% or more.

さらに、本実施形態においては、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に、回路層12および金属層13の接合界面から厚さ方向に100μmまでの領域に、回路層12および金属層13の結晶粒界および結晶粒内にAlとCuを含むAl−Cu化合物粒子が析出することが好ましい。 Further, in the present embodiment, after 2000 times of a thermal cycle in which holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle is performed 2000 times, the thickness direction from the bonding interface of the circuit layer 12 and the metal layer 13 It is preferable that Al—Cu compound particles containing Al and Cu are precipitated in the crystal grain boundaries of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and in the crystal grains in a region up to 100 μm.

ここで、図3および図4に、本実施形態である絶縁回路基板10の回路層12および金属層13とセラミックス基板11との接合界面の観察結果を示す。
図3(a)に示すように、冷熱サイクルを負荷する前の状態では、回路層12および金属層13には、Al−Cu化合物粒子が存在しておらず、Alの母相中にCuが固溶した組織とされている。
−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後では、図3(b)および図4に示すように、結晶粒が微細化されており、結晶粒界および結晶粒内にAlとCuを含むAl−Cu化合物粒子15が確認される。
Here, FIGS. 3 and 4 show the observation results of the bonding interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 and the ceramic substrate 11 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3A, in the state before loading the cold cycle, Al—Cu compound particles are not present in the circuit layer 12 and the metal layer 13, and Cu is contained in the matrix phase of Al. It is said to be a solid solution structure.
After 2000 times of cold and heat cycles with holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle, the crystal grains are refined as shown in FIGS. 3 (b) and 4. , Al—Cu compound particles 15 containing Al and Cu are confirmed at the crystal grain boundaries and in the crystal grains.

本実施形態においては、接合界面から回路層12および金属層13側へ厚さ方向に50μmの範囲内において、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出したAl−Cu化合物粒子15の個数密度が0.50個/μm以上8.50個/μm以下の範囲内であることが好ましい。
なお、Al−Cu化合物粒子の個数密度は0.60個/μm以上であることがさらに好ましく、0.75個/μm以上であることがより好ましい。また、Al−Cu化合物粒子の個数密度は8.30個/μm以下であることがさらに好ましく、8.10個/μm以下であることがより好ましい。本実施形態においては、粒径が0.01μm以上2μm以下の範囲内のAl−Cu化合物粒子を対象として、個数密度を算出している。なお、個数密度の算出においては、粒子形状が円形状でない場合は、最も短い部分(短径)で判断する。
In the present embodiment, a thermal cycle in which holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes is one cycle within a range of 50 μm in the thickness direction from the bonding interface to the circuit layer 12 and the metal layer 13 side is performed. It is preferable that the number density of the Al—Cu compound particles 15 precipitated after 2000 times is in the range of 0.50 / μm 2 or more and 8.50 / μm 2 or less.
The number density of the Al—Cu compound particles is more preferably 0.60 / μm 2 or more, and more preferably 0.75 / μm 2 or more. Further, the number density of the Al—Cu compound particles is more preferably 8.30 particles / μm 2 or less, and more preferably 8.10 particles / μm 2 or less. In the present embodiment, the number density is calculated for Al—Cu compound particles having a particle size in the range of 0.01 μm or more and 2 μm or less. In the calculation of the number density, if the particle shape is not circular, the shortest portion (minor diameter) is used for judgment.

さらに、本実施形態においては、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出したAl−Cu化合物粒子の円相当径の平均が30nm以上130nm以下の範囲内であることが好ましい。
なお、Al−Cu化合物粒子15の円相当径の平均は37μm以上であることがさらに好ましく、45μm以上であることがより好ましい。Al−Cu化合物粒子15の円相当径の平均は125μm以下であることがさらに好ましく、120μm以下であることがより好ましい。
Further, in the present embodiment, the average circle-equivalent diameter of the Al-Cu compound particles precipitated after 2000 cold cycles with holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle is 30 nm. It is preferably in the range of 130 nm or less.
The average circle-equivalent diameter of the Al—Cu compound particles 15 is more preferably 37 μm or more, and even more preferably 45 μm or more. The average circle-equivalent diameter of the Al—Cu compound particles 15 is more preferably 125 μm or less, and even more preferably 120 μm or less.

次に、本実施形態である絶縁回路基板10およびパワーモジュール1を製造する方法について、図5および図6を用いて説明する。 Next, a method of manufacturing the insulated circuit board 10 and the power module 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

(Cu層形成工程S01)
まず、図5および図6に示すように、回路層12となるアルミニウム板22および金属層13となるアルミニウム板23とセラミックス基板11の接合面の少なくとも一方にCu層26を形成する。本実施形態では、図6に示すように、セラミックス基板11の両面にそれぞれCu層26を形成している。なお、Cu層26の形成方法に特に制限はなく、スパッタ、蒸着、CVD、めっき、ペースト、箔材等の既存の手段を適宜用いることができる。
ここで、Cu層26におけるCuの固着量は、0.08mg/cm以上2.0mg/cm以下の範囲内とすることが好ましい。
(Cu layer forming step S01)
First, as shown in FIGS. 5 and 6, a Cu layer 26 is formed on at least one of the joint surfaces of the aluminum plate 22 which is the circuit layer 12 and the aluminum plate 23 which is the metal layer 13 and the ceramic substrate 11. In this embodiment, as shown in FIG. 6, Cu layers 26 are formed on both surfaces of the ceramic substrate 11. The method for forming the Cu layer 26 is not particularly limited, and existing means such as sputtering, vapor deposition, CVD, plating, paste, and foil material can be appropriately used.
Here, the amount of Cu adhered to the Cu layer 26 is preferably in the range of 0.08 mg / cm 2 or more and 2.0 mg / cm 2 or less.

(積層工程S02)
次に、セラミックス基板11の一方の面にCu層26を介して回路層12となるアルミニウム板22を積層し、セラミックス基板11の他方の面にCu層26を介して金属層13となるアルミニウム板23を積層する。
(Laminating step S02)
Next, the aluminum plate 22 to be the circuit layer 12 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 via the Cu layer 26, and the aluminum plate to be the metal layer 13 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 via the Cu layer 26. 23 are laminated.

(接合工程S03)
次いで、回路層12となるアルミニウム板22、セラミックス基板11、金属層13となるアルミニウム板23の積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウム板22とセラミックス基板11とを接合して回路層12を形成し、アルミニウム板23とセラミックス基板11とを接合して金属層13を形成する。
(Joining step S03)
Next, the laminated body of the aluminum plate 22 to be the circuit layer 12, the ceramic substrate 11, and the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is charged into a vacuum heating furnace in a state of being pressurized in the stacking direction using a pressurizing device. The aluminum plate 22 and the ceramic substrate 11 are joined to form the circuit layer 12, and the aluminum plate 23 and the ceramic substrate 11 are joined to form the metal layer 13.

ここで、接合工程S03においては、積層方向への加圧荷重を0.098MPa以上2.94MPa以下の範囲内とする。
また、接合温度は600℃以上650℃以下の範囲内とし、接合温度での保持時間は180分以下とする。
そして、AlとCuの共晶温度(548℃)から接合温度までの昇温速度を、5℃/分以上20℃/分以下の範囲内とする。
Here, in the joining step S03, the pressure load in the stacking direction is set within the range of 0.098 MPa or more and 2.94 MPa or less.
The joining temperature shall be within the range of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, and the holding time at the joining temperature shall be 180 minutes or lower.
Then, the rate of temperature rise from the eutectic temperature (548 ° C.) of Al and Cu to the joining temperature is set within the range of 5 ° C./min or more and 20 ° C./min or less.

以上のような工程によって、本実施形態である絶縁回路基板10が製造される。 The insulated circuit board 10 according to the present embodiment is manufactured by the above steps.

(ヒートシンク接合工程S04)
次に、この絶縁回路基板10の金属層13の他方側に、ろう材を介してヒートシンク31を積層し、絶縁回路基板10とヒートシンク31とを積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属層13とヒートシンク31を接合する。
(Heat sink joining step S04)
Next, a heat sink 31 is laminated on the other side of the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 via a brazing material, and the insulating circuit board 10 and the heat sink 31 are mounted in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized in the stacking direction. Then, the metal layer 13 and the heat sink 31 are joined.

(半導体素子接合工程S05)
次いで、回路層12の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、加熱炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、図1に示すパワーモジュール1が製造される。
(Semiconductor element joining step S05)
Next, the semiconductor element 3 is laminated on one surface of the circuit layer 12 via a solder material, and solder-bonded in the heating furnace.
As described above, the power module 1 shown in FIG. 1 is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態である絶縁回路基板10によれば、回路層12および金属層13のセラミックス基板11との接合界面側においてCuが固溶しており、接合界面におけるCu濃度Amass%と接合界面から回路層12および金属層13側へ厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bmass%との比B/Aが0.30以上0.85以下とされているので、アルミニウムからなる回路層12および金属層13の内部にまで十分にCuが拡散しており、回路層12および金属層13の接合界面近傍にはCuが過飽和に固溶した領域が形成されることになる。このため、回路層12および金属層13が強化され、冷熱サイクル負荷後における回路層12および金属層13の変形や回路層12および金属層13内でのクラックの発生を抑制できる。 According to the insulating circuit board 10 of the present embodiment having the above configuration, Cu is solid-solved on the bonding interface side of the circuit layer 12 and the metal layer 13 with the ceramics substrate 11, and Cu at the bonding interface. Since the ratio B / A of the concentration Amass% to the Cu concentration Bmass% at a position of 100 μm in the thickness direction from the bonding interface to the circuit layer 12 and the metal layer 13 is 0.30 or more and 0.85 or less, aluminum. Cu is sufficiently diffused into the inside of the circuit layer 12 and the metal layer 13 composed of the metal layer 13, and a region in which Cu is solid-solved in a supersaturated state is formed in the vicinity of the bonding interface of the circuit layer 12 and the metal layer 13. .. Therefore, the circuit layer 12 and the metal layer 13 are strengthened, and it is possible to suppress deformation of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and generation of cracks in the circuit layer 12 and the metal layer 13 after a thermal cycle load.

また、CuがAlの母相中に固溶しているので、硬いAl−Cuの共晶相が形成されておらず、セラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態において、回路層12および金属層13とセラミックス基板11の接合界面の幅方向の端部から中心に向かって1mmの範囲内でのAl−Cu共晶相の面積率が30%以下である場合には、硬いAl−Cu共晶相が少なく、セラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。
Further, since Cu is solid-solved in the matrix phase of Al, a hard eutectic phase of Al—Cu is not formed, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed.
Further, in the present embodiment, the area ratio of the Al—Cu eutectic phase within a range of 1 mm from the widthwise end of the bonding interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 toward the center is 30%. In the following cases, the number of hard Al—Cu eutectic phases is small, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed.

本実施形態において、回路層12および金属層13のセラミックス基板11との接合界面から厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bが0.04mass%以上0.96mass%以下の範囲内とされている場合には、回路層12および金属層13の内部に向けて十分にCuが拡散しており、冷熱サイクル負荷後における回路層12および金属層13の変形や回路層12および金属層13内でのクラックの発生をさらに抑制できる。 In the present embodiment, the Cu concentration B at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 with the ceramic substrate 11 is within the range of 0.04 mass% or more and 0.96 mass% or less. In this case, Cu is sufficiently diffused toward the inside of the circuit layer 12 and the metal layer 13, and the circuit layer 12 and the metal layer 13 are deformed after the thermal cycle load and the circuit layer 12 and the metal layer 13 are in the same state. The occurrence of cracks can be further suppressed.

本実施形態において、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に、回路層12および金属層13のセラミックス基板11との接合界面から厚さ方向に100μmまでの領域において、回路層12および金属層13の結晶粒界および結晶粒内にAlとCuを含むAl−Cu化合物粒子15が析出している場合には、回路層12および金属層13のセラミックス基板11との接合界面近傍がAl−Cu化合物粒子15によって強化されており、冷熱サイクル負荷後における回路層12および金属層13の変形や回路層12および金属層13内でのクラックの発生を確実に抑制できる。 In the present embodiment, after 2000 times of a thermal cycle in which holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes is performed 2000 times, the thickness is increased from the bonding interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 with the ceramic substrate 11. When Al—Cu compound particles 15 containing Al and Cu are precipitated in the crystal grain boundaries of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and in the crystal grains in the region up to 100 μm in the vertical direction, the circuit layer 12 and the metal The vicinity of the bonding interface of the layer 13 with the ceramic substrate 11 is strengthened by the Al—Cu compound particles 15, and the circuit layer 12 and the metal layer 13 are deformed and cracks in the circuit layer 12 and the metal layer 13 after a thermal cycle load. Can be reliably suppressed.

本実施形態において、接合界面から回路層12および金属層13側へ厚さ方向に50μmの範囲内において、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出したAl−Cu化合物粒子の個数密度が、0.50個/μm以上8.50個/μm以下の範囲内である場合には、回路層12および金属層13の接合界面近傍の変形抵抗が上昇し、回路層12および金属層13の変形をさらに抑制することができるとともに、回路層12および金属層13の接合界面近傍が必要以上に硬くならず、セラミックス基板11の割れをさらに抑制することができる。 In the present embodiment, 2000 cold cycles are held at −65 ° C. for 5 minutes and at 150 ° C. for 5 minutes within a range of 50 μm in the thickness direction from the bonding interface to the circuit layer 12 and the metal layer 13 side. When the number density of Al-Cu compound particles precipitated after the rotation is within the range of 0.50 / μm 2 or more and 8.50 / μm 2 or less, the circuit layer 12 and the metal layer 13 are bonded. Deformation resistance in the vicinity of the interface increases, deformation of the circuit layer 12 and the metal layer 13 can be further suppressed, and the vicinity of the junction interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 does not become harder than necessary, so that the ceramic substrate 11 Cracking can be further suppressed.

本実施形態において、Al−Cu化合物粒子15の円相当径の平均が30nm以上130nm以下の範囲内である場合には、回路層12および金属層13の接合界面近傍部分を十分に析出強化することができ、回路層12および金属層13の変形をさらに抑制することができる。 In the present embodiment, when the average circle-equivalent diameter of the Al—Cu compound particles 15 is within the range of 30 nm or more and 130 nm or less, the portions near the bonding interface of the circuit layer 12 and the metal layer 13 are sufficiently precipitated and strengthened. The deformation of the circuit layer 12 and the metal layer 13 can be further suppressed.

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、セラミックス基板を窒化ケイ素で構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、アルミナで構成されていてもよいし、窒化アルミニウムで構成されていてもよい。
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, the ceramic substrate has been described as being made of silicon nitride, but the present invention is not limited to this, and it may be made of alumina or aluminum nitride.

また、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー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。 Further, in the present embodiment, the power module is described by mounting the power semiconductor element on the circuit layer of the insulated circuit board, but the present invention is not limited to this. For example, an LED element may be mounted on 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.

また、本実施形態では、絶縁回路基板(金属層)とヒートシンクとをろう付けによって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、固相拡散接合、TLP等の他の接合方法を適用してもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクをアルミニウムからなるものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅等で構成されていてもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えたものであってもよい。また、ヒートシンクと絶縁回路基板の間に、例えば、4N−アルミニウムからなる緩衝層を設けてもよい。
Further, in the present embodiment, the insulation circuit board (metal layer) and the heat sink have been described as being bonded by brazing, but the present invention is not limited to this, and other bonding methods such as solid phase diffusion bonding and TLP are used. May be applied.
Further, in the present embodiment, the heat sink has been described as being made of aluminum, but the heat sink is not limited to this, and may be made of copper or the like, and has a flow path through which a cooling medium is circulated. It may be a heat sink. Further, a cushioning layer made of, for example, 4N-aluminum may be provided between the heat sink and the insulating circuit board.

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.

(実施例1)
表1に示すセラミックス基板(40mm×40mm)を準備し、このセラミックス基板の一方の面および他方の面に、スパッタ法によりCu層を形成した。このときのCuの固着量を表1に示す。
そして、セラミックス基板の一方の面にCu層を介して4Nアルミニウムからなるアルミニウム板(37mm×37mm×0.4mmt)を積層し、セラミックス基板の他方の面にCu層を介して4Nアルミニウムからなるアルミニウム板(37mm×37mm×0.4mmt)を積層した。
(Example 1)
The ceramic substrate (40 mm × 40 mm) shown in Table 1 was prepared, and a Cu layer was formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate by a sputtering method. Table 1 shows the amount of Cu fixed at this time.
Then, an aluminum plate (37 mm × 37 mm × 0.4 mmt) made of 4N aluminum is laminated on one surface of the ceramic substrate via a Cu layer, and aluminum made of 4N aluminum is laminated on the other surface of the ceramic substrate via a Cu layer. Plates (37 mm × 37 mm × 0.4 mmt) were laminated.

そして、表1に示す条件で、アルミニウム板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基板を製造した。なお、表1に記載の昇温速度は、AlとCuの共晶温度(548℃)から接合温度までの昇温速度を示す。
得られた絶縁回路基板の金属層に4N−アルミニウム(厚さ0.9mm)の緩衝層を介してヒートシンク(50mm×60mm, 厚さ5mmのアルミニウム板(A6063))を接合し、ヒートシンク付絶縁回路基板を得た。なお、金属層と緩衝層及び緩衝層とヒートシンクの接合はAl−Si箔を用いたろう付けにより行った。
Then, under the conditions shown in Table 1, the aluminum plate and the ceramic substrate were joined to manufacture an insulated circuit board. The rate of temperature rise shown in Table 1 indicates the rate of temperature rise from the eutectic temperature (548 ° C.) of Al and Cu to the joining temperature.
A heat sink (50 mm × 60 mm, 5 mm thick aluminum plate (A6063)) is bonded to the metal layer of the obtained insulating circuit board via a buffer layer of 4N-aluminum (thickness 0.9 mm), and an insulating circuit with a heat sink is used. Obtained a substrate. The metal layer and the buffer layer and the buffer layer and the heat sink were joined by brazing using an Al—Si foil.

得られたヒートシンク付絶縁回路基板について、アルミニウム板の接合界面におけるCu濃度A、接合界面からアルミニウム板の内部へ100μmの位置におけるCu濃度B、初期接合率、冷熱サイクル試験後のAl−Cu化合物粒子の有無、冷熱サイクル試験後の接合率、冷熱サイクル試験後の基板の割れの有無、について評価した。 Regarding the obtained insulated circuit board with heat sink, Cu concentration A at the bonding interface of the aluminum plate, Cu concentration B at a position 100 μm from the bonding interface to the inside of the aluminum plate, initial bonding ratio, and Al-Cu compound particles after the thermal cycle test. The presence or absence of, the bonding rate after the cold cycle test, and the presence or absence of cracks in the substrate after the cold cycle test were evaluated.

(Cu濃度A,Cu濃度B)
ヒートシンク付絶縁回路基板を積層方向に沿う断面で切断し、基板の幅方向中央の断面において、電子線マイクロアナライザー(日本電子社製 JXA−8530F)を用いて、倍率500倍,加速電圧15kVの条件で、接合界面と接合界面から積層方向に100μmの位置でCuについて定量分析を行った。観察領域において、接合界面と接合界面から積層方向に100μmの位置とでそれぞれ5点のCu濃度とその平均値を求め、接合界面におけるCu濃度A(mass%),接合界面から100μmの位置におけるCu濃度B(mass%)を得た。この時、AlとCuの濃度(mass%)の合計が100となるようにして、Cu濃度を算出した。
(Cu concentration A, Cu concentration B)
Insulated circuit board with heat sink is cut along the stacking direction, and in the center cross section in the width direction of the board, using an electron probe microanalyzer (JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd.), the conditions are 500 times magnification and 15 kV acceleration voltage. Then, a quantitative analysis was performed on Cu at a position 100 μm from the bonding interface and the bonding interface in the stacking direction. In the observation region, the Cu concentration at 5 points and their average value were obtained at the junction interface and the position 100 μm from the junction interface in the stacking direction, respectively, and the Cu concentration A (mass%) at the junction interface and Cu at the position 100 μm from the junction interface. A concentration B (mass%) was obtained. At this time, the Cu concentration was calculated so that the total of the concentrations (mass%) of Al and Cu was 100.

(初期接合率)
アルミニウム板とセラミックス基板との接合率を評価した。具体的には、ヒートシンク付絶縁回路基板において、アルミニウム板とセラミックス基板との界面の接合率について超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち回路層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積(非接合部面積)とした。
(接合率)={(初期接合面積)−(非接合部面積)}/(初期接合面積)×100
(Initial joining rate)
The bonding ratio between the aluminum plate and the ceramic substrate was evaluated. Specifically, in an insulated circuit board with a heat sink, the bonding ratio at the interface between the aluminum plate and the ceramic substrate was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions, Ltd.) and calculated from the following formula. Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the circuit layer. Since the peeling is shown by the white part in the joint portion in the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, the area of this white part is defined as the peeling area (non-joint part area).
(Joining ratio) = {(Initial joining area)-(Non-joining area)} / (Initial joining area) x 100

(冷熱サイクル試験)
冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、ヒートシンク付絶縁回路基板に対して、液槽(フロリナート)で、−65℃×5分←→150℃×5分の冷熱サイクルを2000回実施した。
(Cold heat cycle test)
Using TSB-51 manufactured by ESPEC, a thermal shock tester, a thermal cycle of -65 ° C x 5 minutes ← → 150 ° C x 5 minutes was performed 2000 times on an insulated circuit board with a heat sink in a liquid tank (Fluorinert). bottom.

(冷熱サイクル試験後のAl−Cu化合物粒子の有無)
上記冷熱サイクル後のヒートシンク付絶縁回路基板について、積層方向に切断した後、基板の幅方向中央の断面において走査型電子顕微鏡(カールツァイス社製 GeminiSEM 500)を用いて、倍率5000倍,加速電圧5.0kVの条件で、アルミニウム板とセラミックス基板との接合界面を含む領域(17μm×23μm)を観察した。
この観察では、SEM画像及びCu,Alの元素MAPを取得し、SEM画像にて白色で観察される粒状の領域が観察され、かつ、この領域においてCuとAlが共存していた場合、Al−Cu化合物粒子が「有」と評価した。そしてアルミニウム板の接合界面から厚さ方向に100μmまでの領域を観察し、Al−Cu化合物粒子の有無を評価した。
そしてアルミニウム板の接合界面から厚さ方向に100μmまでの領域を観察し、Al−Cu化合物粒子の有無を評価した。
(Presence / absence of Al-Cu compound particles after cold cycle test)
After cutting the insulated circuit board with a heat sink after the thermal cycle in the stacking direction, a scanning electron microscope (GeminiSEM 500 manufactured by Karlzeis) was used in the cross section in the center of the width direction of the board, and the magnification was 5000 times and the acceleration voltage was 5. A region (17 μm × 23 μm) including the bonding interface between the aluminum plate and the ceramic substrate was observed under the condition of 0.0 kV.
In this observation, when the SEM image and the elemental MAP of Cu and Al are acquired and a granular region observed in white is observed in the SEM image and Cu and Al coexist in this region, Al- The Cu compound particles were evaluated as "Yes". Then, the region from the bonding interface of the aluminum plate to 100 μm in the thickness direction was observed, and the presence or absence of Al—Cu compound particles was evaluated.
Then, the region from the bonding interface of the aluminum plate to 100 μm in the thickness direction was observed, and the presence or absence of Al—Cu compound particles was evaluated.

(冷熱サイクル試験後の接合率)
冷熱サイクル試験後のヒートシンク付絶縁回路基板について、上述のように超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて評価し、接合率を算出した。
(Joining rate after cold cycle test)
The insulated circuit board with a heat sink after the thermal cycle test was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions, Ltd.) as described above, and the bonding ratio was calculated.

(冷熱サイクル試験後の基板の割れの有無)
冷熱サイクル試験後のヒートシンク付絶縁回路基板について、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて基板の割れの有無を評価した。回路層、金属層、セラミックス基板のいずれかに割れが確認された場合を「有」と評価した。
(Presence / absence of cracks in the substrate after the thermal cycle test)
The presence or absence of cracks in the heat-sink-equipped insulated circuit board after the thermal cycle test was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions, Ltd.). When cracks were confirmed in any of the circuit layer, metal layer, and ceramic substrate, it was evaluated as "Yes".

Figure 0006973674
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Figure 0006973674
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接合界面におけるCu濃度Amass%と接合界面からアルミニウム板側へ厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bmass%との比B/Aが0.30未満又は0.85越とされた比較例1〜4においては、冷熱サイクル試験後の接合率が低く、冷熱サイクル試験後に基板に割れが認められた。 Comparative Examples 1 to 1 in which the ratio B / A of the Cu concentration Mass% at the bonding interface to the Cu concentration B mass% at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface to the aluminum plate side was less than 0.30 or over 0.85. In No. 4, the bonding ratio after the cold cycle test was low, and cracks were observed in the substrate after the cold cycle test.

これに対して、接合界面におけるCu濃度Amass%と接合界面からアルミニウム板側へ厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bmass%との比B/Aが0.30以上0.85以下とされた本発明例1〜8においては、冷熱サイクル試験後においても接合率が十分に高く、かつ、基板に割れが確認されなかった。 On the other hand, the ratio B / A between the Cu concentration Mass% at the bonding interface and the Cu concentration B mass% at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface to the aluminum plate side was 0.30 or more and 0.85 or less. In Examples 1 to 8 of the present invention, the bonding ratio was sufficiently high even after the thermal cycle test, and no crack was confirmed in the substrate.

(実施例2)
表3に示すセラミックス基板(40mm×40mm)を準備し、このセラミックス基板の一方の面および他方の面に、スパッタ法によりCu層を形成した。このときのCuの固着量を表3に示す。
そして、セラミックス基板の一方の面にCu層を介して4Nアルミニウムからなるアルミニウム板(37mm×37mm×0.4mmt)を積層し、セラミックス基板の他方の面にCu層を介して4Nアルミニウムからなるアルミニウム板(37mm×37mm×0.4mmt)を積層した。
そして、表3に示す条件で、アルミニウム板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基板を製造した。
(Example 2)
The ceramic substrate (40 mm × 40 mm) shown in Table 3 was prepared, and a Cu layer was formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate by a sputtering method. Table 3 shows the amount of Cu fixed at this time.
Then, an aluminum plate (37 mm × 37 mm × 0.4 mmt) made of 4N aluminum is laminated on one surface of the ceramic substrate via a Cu layer, and aluminum made of 4N aluminum is laminated on the other surface of the ceramic substrate via a Cu layer. Plates (37 mm × 37 mm × 0.4 mmt) were laminated.
Then, under the conditions shown in Table 3, the aluminum plate and the ceramic substrate were joined to manufacture an insulated circuit board.

得られた絶縁回路基板について、アルミニウム板の接合界面におけるCu濃度A、接合界面からアルミニウム板の内部へ100μmの位置におけるCu濃度B、初期接合率、冷熱サイクル試験後の接合率、冷熱サイクル試験後の基板の割れの有無、について、実施例1と同様の手順で評価した。
また、接合界面のAl−Cu共晶相の面積率、冷熱サイクル試験後のAl−Cu化合物粒子の個数密度、Al−Cu化合物粒子の円相当径の平均を、以下のように評価した。
Regarding the obtained insulated circuit board, Cu concentration A at the bonding interface of the aluminum plate, Cu concentration B at a position 100 μm from the bonding interface to the inside of the aluminum plate, initial bonding rate, bonding rate after the cold cycle test, and after the cold cycle test. The presence or absence of cracks in the substrate was evaluated by the same procedure as in Example 1.
Further, the area ratio of the Al—Cu eutectic phase at the bonding interface, the number density of the Al—Cu compound particles after the thermal cycle test, and the average of the equivalent circle diameters of the Al—Cu compound particles were evaluated as follows.

(接合界面のAl−Cu共晶相の面積率)
接合界面において、幅方向の端部から中心に向かって1mmの範囲におけるBSE像を走査型電子顕微鏡(カールツァイス社製 GeminiSEM 500)により得て、このBSE像を2値化処理した。Al−Cu共晶相の面積、および、接合界面の端部から1mmまでの範囲の面積を求め、以下の式により、接合界面のAl−Cu共晶相の面積率を算出した。
(Al−Cu共晶相の面積率)=(Al−Cu共晶相の面積)/(端部から中心に向かって1mmまでの面積)×100
(Area ratio of Al-Cu eutectic phase at the junction interface)
At the bonding interface, a BSE image in a range of 1 mm from the edge in the width direction toward the center was obtained by a scanning electron microscope (GeminiSEM 500 manufactured by Carl Zeiss), and this BSE image was binarized. The area of the Al—Cu eutectic phase and the area in the range from the end of the junction interface to 1 mm were determined, and the area ratio of the Al—Cu eutectic phase at the junction interface was calculated by the following formula.
(Area ratio of Al-Cu eutectic phase) = (Area of Al-Cu eutectic phase) / (Area from edge to center 1 mm) x 100

(冷熱サイクル試験後のAl−Cu化合物粒子の個数密度)
上記冷熱サイクル試験後の絶縁回路基板について、積層方向に切断した後、基板の幅方向中央の断面において、上述した方法によりAl−Cu化合物粒子の有無を確認した。Al−Cu化合物粒子が確認された領域(接合界面からアルミニウム板側へ厚さ方向に50μmの範囲内)において、走査型電子顕微鏡(カールツァイス社製 GeminiSEM 500)の1000倍のASB像を取得し、Al−Cu化合物粒子が白色となるようにASB像を二値化した。
そして、Al−Cu化合物粒子の個数を計測し、測定範囲の面積で割ることにより、個数密度を算出した。なお、個数密度の算出は、粒径が0.01μm以上2μm以下の範囲内のAl−Cu化合物粒子を対象として算出している。また、粒子形状が円形状でない場合の粒径は、最も短い部分(短径)で判断している。さらに、粒子の一部が測定範囲外にあるなどして、粒子の形状が不明である場合、この粒子は除外して計測した。
(Number density of Al-Cu compound particles after cold cycle test)
After cutting the insulated circuit board after the thermal cycle test in the stacking direction, the presence or absence of Al—Cu compound particles was confirmed in the cross section at the center in the width direction of the board by the above method. In the region where Al-Cu compound particles were confirmed (within a range of 50 μm in the thickness direction from the bonding interface to the aluminum plate side), an ASB image 1000 times larger than that of a scanning electron microscope (GeminiSEM 500 manufactured by Karlzeis) was obtained. , The ASB image was binarized so that the Al—Cu compound particles became white.
Then, the number of Al—Cu compound particles was measured and divided by the area of the measurement range to calculate the number density. The number density is calculated for Al—Cu compound particles having a particle size in the range of 0.01 μm or more and 2 μm or less. Further, the particle size when the particle shape is not circular is determined by the shortest portion (minor diameter). Furthermore, when the shape of the particles is unknown, such as when a part of the particles is out of the measurement range, the particles are excluded from the measurement.

(冷熱サイクル試験後のAl−Cu化合物粒子の円相当径の平均)
個数密度を求めたときと同様にして、ASB像を二値化した。その後、測定領域内の各Al−Cu化合物粒子の面積を求め、この面積から円相当半径を算出し平均値を求めた。この平均値を表に示す。なお、面積を求める際に、粒子の一部が測定範囲外にあるなどして、面積を求められない場合、この粒子は除外した。
(Average of equivalent circle diameters of Al-Cu compound particles after cold cycle test)
The ASB image was binarized in the same manner as when the number density was obtained. Then, the area of each Al—Cu compound particle in the measurement region was obtained, and the radius corresponding to the circle was calculated from this area to obtain the average value. This average value is shown in the table. When determining the area, if the area could not be determined because some of the particles were out of the measurement range, these particles were excluded.

Figure 0006973674
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本発明例11,13,15,17,18においては、接合界面からアルミニウム板側へ厚さ方向に50μmの範囲内において、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出したAl−Cu化合物粒子の個数密度が0.50個/μm以上8.50個/μm以下の範囲内であった。前記Al−Cu化合物粒子の円相当径の平均が30nm以上130nm以下の範囲内であった。アルミニウム板とセラミックス基板の接合界面において、接合界面の幅方向の端部から中心に向かって1mmの範囲内でのAl−Cu共晶相の面積率が30.0%以下であった。冷熱サイクル試験後においても接合率が十分に高く、かつ、基板に割れが確認されなかった。 In Examples 11, 13, 15, 17, and 18 of the present invention, holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes within a range of 50 μm in the thickness direction from the bonding interface to the aluminum plate side is defined as one cycle. The number density of Al—Cu compound particles precipitated after 2000 times of the cooling and heating cycle was within the range of 0.50 / μm 2 or more and 8.50 / μm 2 or less. The average circle-equivalent diameter of the Al—Cu compound particles was in the range of 30 nm or more and 130 nm or less. At the bonding interface between the aluminum plate and the ceramic substrate, the area ratio of the Al—Cu eutectic phase within a range of 1 mm from the end in the width direction of the bonding interface toward the center was 30.0% or less. Even after the thermal cycle test, the bonding ratio was sufficiently high, and no cracks were confirmed on the substrate.

また、本発明例12では、Al−Cu共晶相の面積率が32.0%であった。本発明例14では、冷熱サイクル試験後のAl−Cu化合物粒子の個数密度が8.70個/μmであり、かつAl−Cu化合物粒子の円相当径が27nmであった。本発明例16では、冷熱サイクル試験後のAl−Cu化合物粒子の個数密度が0.47個/μmであり、かつAl−Cu化合物粒子の円相当径が133nmであった。これら本発明例12,14,16に比べて、本発明例11,13,15,17,18では、Al−Cu共晶相の面積率が30.0%以下であり、冷熱サイクル試験後のAl−Cu化合物粒子の個数密度が0.50個/μm以上8.50個/μm以下の範囲内であり、かつAl−Cu化合物粒子の円相当径が30nm以上130nm以下の範囲内であった。本発明例12,14,16に比べて、本発明例11,13,15,17,18においては、接合率がさらに優れていることが確認された。 Further, in Example 12 of the present invention, the area ratio of the Al—Cu eutectic phase was 32.0%. In Example 14 of the present invention, the number density of the Al—Cu compound particles after the thermal cycle test was 8.70 particles / μm 2 , and the equivalent circle diameter of the Al—Cu compound particles was 27 nm. In Example 16 of the present invention, the number density of the Al—Cu compound particles after the thermal cycle test was 0.47 / μm 2 , and the equivalent circle diameter of the Al—Cu compound particles was 133 nm. Compared with these Examples 12, 14, 16 of the present invention, in Examples 11, 13, 15, 17, 18 of the present invention, the area ratio of the Al—Cu eutectic phase was 30.0% or less, and after the thermal cycle test, the area ratio was 30.0% or less. The number density of Al-Cu compound particles is within the range of 0.50 / μm 2 or more and 8.50 / μm 2 or less, and the equivalent circle diameter of Al-Cu compound particles is within the range of 30 nm or more and 130 nm or less. there were. It was confirmed that the bonding ratio was further excellent in Examples 11, 13, 15, 17 and 18 of the present invention as compared with Examples 12, 14 and 16 of the present invention.

本実施例の結果から、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れや回路層(金属層)の変形等を抑制でき、セラミックス基板と回路層との接合信頼性に優れた絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。 From the results of this embodiment, according to the example of the present invention, cracking of the ceramic substrate, deformation of the circuit layer (metal layer), etc. can be suppressed even when a severe thermal cycle is applied, and the ceramic substrate and the circuit layer can be used. It was confirmed that it is possible to provide an insulated circuit board with excellent bonding reliability.

1 パワーモジュール
3 半導体素子
10 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
15 Al−Cu化合物粒子
22,23 アルミニウム板
1 Power module 3 Semiconductor element 10 Insulation circuit board 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 15 Al-Cu compound particles 22,23 Aluminum plate

Claims (6)

セラミックス基板の表面に、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板が積層されて接合された絶縁回路基板であって、
前記アルミニウム板には、前記セラミックス基板との接合界面においてCuが固溶しており、
前記接合界面と、前記接合界面から積層方向に100μmの位置とで、AlとCuの濃度(mass%)の合計が100となるようにして、それぞれ5点のCu濃度とその平均値を求め、接合界面におけるCu濃度A(mass%),接合界面から100μmの位置におけるCu濃度B(mass%)を算出し、
前記接合界面におけるCu濃度Amass%と前記接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bmass%との比B/Aが0.30以上0.85以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
An insulating circuit board in which an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy is laminated and joined to the surface of a ceramic substrate.
Cu is solid-solved in the aluminum plate at the bonding interface with the ceramic substrate.
The Cu concentration at 5 points and the average value thereof were obtained so that the total concentration (mass%) of Al and Cu was 100 at the bonding interface and the position 100 μm from the bonding interface in the stacking direction. Calculate the Cu concentration A (mass%) at the bonding interface and the Cu concentration B (mass%) at a position 100 μm from the bonding interface.
The ratio B / A between the Cu concentration Mass% at the bonding interface and the Cu concentration B mass% at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface to the aluminum plate side is 0.30 or more and 0.85 or less. Insulated circuit board.
前記アルミニウム板において、前記接合界面から厚さ方向に100μmの位置におけるCu濃度Bが0.04mass%以上0.96mass%以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1に記載の絶縁回路基板。 The insulation according to claim 1, wherein in the aluminum plate, the Cu concentration B at a position 100 μm in the thickness direction from the bonding interface is within the range of 0.04 mass% or more and 0.96 mass% or less. Circuit board. −65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に、前記アルミニウム板の前記接合界面から厚さ方向に100μmまでの領域に、前記アルミニウム板の結晶粒界および結晶粒内にAlとCuを含むAl−Cu化合物粒子が析出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁回路基板。 After performing 2000 cold and thermal cycles with holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle, the aluminum plate was placed in a region up to 100 μm in the thickness direction from the bonding interface of the aluminum plate. The insulating circuit substrate according to claim 1 or 2, wherein Al—Cu compound particles containing Al and Cu are precipitated at the grain boundaries and in the crystal grains. 接合界面から前記アルミニウム板側へ厚さ方向に50μmの範囲内において、−65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出した前記Al−Cu化合物粒子の個数密度が0.50個/μm以上8.50個/μm以下の範囲内であることを特徴とする請求項3に記載の絶縁回路基板。 The Al-precipitated after 2000 cold cycles of holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes as one cycle within a range of 50 μm from the bonding interface to the aluminum plate side in the thickness direction. The insulating circuit substrate according to claim 3, wherein the number density of Cu compound particles is in the range of 0.50 / μm 2 or more and 8.50 / μm 2 or less. −65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする冷熱サイクルを2000回実施した後に析出した前記Al−Cu化合物粒子の円相当径の平均が30nm以上130nm以下の範囲内であることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の絶縁回路基板。 Within the range where the average circle-equivalent diameter of the Al-Cu compound particles precipitated after 2000 cold cycles of holding at −65 ° C. for 5 minutes and holding at 150 ° C. for 5 minutes is 30 nm or more and 130 nm or less. The insulated circuit board according to claim 3 or 4, wherein the insulating circuit board is provided. 前記アルミニウム板と前記セラミックス基板の接合界面において、前記接合界面の幅方向の端部から中心に向かって1mmの範囲内でのAl−Cu共晶相の面積率が30%以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。 At the bonding interface between the aluminum plate and the ceramic substrate, the area ratio of the Al—Cu eutectic phase within a range of 1 mm from the end in the width direction of the bonding interface toward the center is 30% or less. The insulated circuit board according to any one of claims 1 to 5.
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