KR101711217B1 - Substrate for power module, substrate for power module equiptted with heat sink, power module, and manufacturing method of substrate for power module - Google Patents

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Abstract

(과제) 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되고, 열 사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단) 세라믹스 기판 (11) 의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판 (12, 13) 이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 으로서, 금속판 (12, 13) 에는, Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 금속판 (12, 13) 중 세라믹스 기판 (11) 과의 계면 근방에 있어서의 Si 농도 및 상기 첨가 원소 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다. Disclosed is a substrate for a power module having a metal plate and a ceramics substrate firmly bonded to each other with high thermal cycle reliability, a power module including the substrate for the power module, and a method of manufacturing the substrate for the power module.
A substrate 10 for a power module in which metal plates 12 and 13 made of aluminum are laminated and bonded to the surface of a ceramics substrate 11. The metal plates 12 and 13 are made of Zn At least one kind of additive element selected from the group consisting of Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li is dissolved in the metal plate 12 and 13, and the Si concentration and the Si concentration in the vicinity of the interface with the ceramics substrate 11 And the total of the additive element concentrations is set within a range of 0.05 mass% to 5 mass%.

Description

파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법{SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE EQUIPTTED WITH HEAT SINK, POWER MODULE, AND MANUFACTURING METHOD OF SUBSTRATE FOR POWER MODULE} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a substrate for a power module, a substrate for a power module with a heat sink, a substrate for a power module, and a substrate for a power module. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002]

본 발명은 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a substrate for a power module used in a semiconductor device for controlling a high current and a high voltage, a substrate for a power module with a heat sink, a power module including the substrate for the power module, and a method of manufacturing the substrate.

반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 소자는 발열량이 비교적 높기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로는, 예를 들어 특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, AlN (질화알루미늄) 으로 이루어지는 세라믹스 기판 상에 Al (알루미늄) 의 금속판이 땜납재를 개재하여 접합된 파워 모듈용 기판이 사용된다.Among the semiconductor devices, the power device for power supply has a relatively high heating value. Therefore, as a substrate on which the power device is mounted, for example, as shown in Patent Document 1, a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) A substrate for a power module in which a metal plate is bonded via a brazing material is used.

또한, 이 금속판은 회로층으로서 형성되고, 그 금속판 상에는 땜납재를 개재하여 파워 소자 (반도체 소자) 가 탑재된다.Further, the metal plate is formed as a circuit layer, and a power element (semiconductor element) is mounted on the metal plate with a solder material interposed therebetween.

또한, 세라믹스 기판의 하면에도 방열을 위해서 Al 등의 금속판이 접합되어 금속층이 되고, 이 금속층을 개재하여 방열판 상에 파워 모듈용 기판 전체가 접합된 것이 제안되어 있다.It has also been proposed that a metal plate such as Al is joined to a lower surface of a ceramic substrate for heat dissipation to form a metal layer, and the entire power module substrate is bonded onto the heat dissipating plate via this metal layer.

또한, 회로층을 형성하는 수단으로는, 세라믹스 기판에 금속판을 접합한 후에 이 금속판에 회로 패턴을 형성하는 방법 외에, 예를 들어 특허문헌 2 에 개시되어 있는 바와 같이, 미리 회로 패턴 형상으로 형성된 금속편을 세라믹스 기판에 접합하는 방법이 제안되어 있다. As a means for forming the circuit layer, there is a method of forming a circuit pattern on the metal plate after bonding the metal plate to the ceramic substrate. In addition, for example, as disclosed in Patent Document 2, Is bonded to the ceramic substrate.

여기서, 상기 회로층 및 상기 금속층으로서의 금속판과 세라믹스 기판의 양호한 접합 강도를 얻기 위해서, 예를 들어 하기 특허문헌 3 에, 세라믹스 기판의 표면 거칠기를 0.5 ㎛ 미만으로 한 기술이 개시되어 있다. In order to obtain good bonding strength between the circuit layer and the metal plate as the metal layer and the ceramics substrate, for example, Patent Document 3 discloses a technique in which the surface roughness of the ceramics substrate is less than 0.5 탆.

일본 공개특허공보 2003-086744호Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-086744 일본 공개특허공보 2008-311294호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2008-311294 일본 공개특허공보 평3-234045호Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-234045

그러나, 금속판을 세라믹스 기판에 접합하는 경우, 단순히 세라믹스 기판의 표면 거칠기를 저감시켜도 충분히 높은 접합 강도가 얻어지지 않고, 신뢰성의 향상을 도모할 수 없다는 문제가 있었다. 예를 들어, 세라믹스 기판의 표면에 대하여, 건식으로 Al2O3 입자에 의한 호닝 처리를 실시하여, 표면 거칠기를 Ra = 0.2 ㎛ 로 해도, 박리 시험에서 계면 박리가 발생하는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 연마법에 의해 표면 거칠기를 Ra = 0.1 ㎛ 이하로 해도, 역시 마찬가지로 계면 박리가 발생하는 경우가 있었다.However, when the metal plate is bonded to the ceramic substrate, a sufficiently high bonding strength can not be obtained even if the surface roughness of the ceramic substrate is simply reduced, and reliability can not be improved. For example, when the surface of the ceramics substrate is subjected to a honing treatment with Al 2 O 3 particles in a dry manner to obtain a surface roughness Ra of 0.2 μm, it is found that the interface peeling may occur in the peeling test there was. In addition, even if the surface roughness Ra was set to 0.1 mu m or less by the softening, the interface peeling sometimes occurred in the same manner.

특히 최근에는, 파워 모듈의 소형화·박육화가 진행됨과 함께, 그 사용 환경도 엄격해지고, 탑재되는 반도체 소자 등의 전자 부품으로부터의 발열량이 커지는 경향이 있어, 전술한 바와 같이 방열판 상에 파워 모듈용 기판을 배치 형성할 필요가 있다. 이 경우, 파워 모듈용 기판이 방열판에 의해 구속되기 때문에, 열 사이클 부하시에 금속판과 세라믹스 기판의 접합 계면에 큰 전단력이 작용하게 되어, 종래보다 더욱 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 강도의 향상 및 신뢰성의 향상이 요구되고 있다.Particularly, in recent years, the miniaturization and thinning of the power module have progressed, and the use environment has become severe, and the amount of heat generated from electronic components such as mounted semiconductor devices tends to increase. As described above, As shown in Fig. In this case, since the substrate for the power module is restrained by the heat sink, a large shearing force acts on the bonding interface between the metal plate and the ceramics substrate at the time of a thermal cycle load, and the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate, Is required to be improved.

본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되고, 열 사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and it is an object of the present invention to provide a power module substrate for a power module having a metal plate and a ceramics substrate firmly bonded thereto and having high heat cycle reliability, a substrate for a power module with a heat sink, And a method for manufacturing a substrate for the power module.

이와 같은 과제를 해결하여 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 파워 모듈용 기판은, 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속판에는, Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용(固溶)되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si 및 상기 첨가 원소 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. In order to solve the above problems, a power module substrate of the present invention is a substrate for a power module in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate, Wherein one or more additional elements selected from the group consisting of Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are solid-solved, and Si and / And the total of the added element concentrations is set within a range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less.

이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속판에 Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있기 때문에, 금속판의 접합 계면측 부분이 고용 강화되게 된다. 이로써, 금속판 부분에서의 파단을 방지할 수 있고, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다. In the substrate for a power module having this structure, one or two or more kinds of additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are dissolved in the metal plate in addition to Si. The bonding interface side portion is strengthened by employment. As a result, it is possible to prevent breakage in the metal plate portion, and to improve the bonding reliability.

여기서, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상으로 되어 있기 때문에, 금속판의 접합 계면측 부분을 확실하게 고용 강화시킬 수 있다. 또한, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 5 질량％ 이하로 되어 있기 때문에, 금속판의 접합 계면의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있고, 이 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열 응력을 금속판에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열 등을 방지할 수 있다. Here, the total concentration of Si and the additive element in the vicinity of the interface with the ceramics substrate in the metal plate is 0.05 mass% or more, so that the bonding interface side portion of the metal plate can be securely solidified. In addition, since the total concentration of Si and the added element in the vicinity of the interface with the ceramics substrate in the metal plate is 5 mass% or less, it is possible to prevent the strength of the bonding interface of the metal plate from excessively increasing, Thermal stress can be absorbed by the metal plate when a cooling / heating cycle is loaded on the substrate for the power module, so that cracking of the ceramic substrate can be prevented.

여기서, 상기 세라믹스 기판이 AlN 또는 Al2O3 로 구성되어 있고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Si 농도가 상기 금속판 중의 Si 농도의 5 배 이상으로 된 Si 고농도부가 형성되어 있어도 된다.Here, the ceramic substrate may be made of AlN or Al 2 O 3 , and a Si high-concentration portion whose Si concentration is 5 times or more the Si concentration of the metal plate may be formed at the bonding interface between the metal plate and the ceramics substrate.

이 경우, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Si 농도가 상기 금속판 중의 Si 농도의 5 배 이상으로 된 Si 고농도부가 형성되어 있기 때문에, 접합 계면에 존재하는 Si 원자에 의해 AlN 또는 Al2O3 로 이루어지는 세라믹스 기판과 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 접합 강도가 향상되게 된다. 또한, 여기서 금속판 중의 Si 농도란, 금속판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어 50 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 Si 농도이다.In this case, since the Si high concentration portion in which the Si concentration is 5 times or more the Si concentration in the metal plate is formed on the bonding interface between the metal plate and the ceramics substrate, AlN or Al 2 O 3 the bonding strength of the metal plate composed of a ceramic substrate and aluminum is improved made of. Here, the Si concentration in the metal sheet refers to the Si concentration at a portion away from the bonding interface of the metal sheet by a predetermined distance (for example, 50 nm or more).

또한, 상기 세라믹스 기판이 AlN 또는 Si3N4 로 구성되어 있고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, 산소 농도가 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높게 된 산소 고농도부가 형성되어 있고, 그 산소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있어도 된다. The ceramic substrate is made of AlN or Si 3 N 4 and an oxygen high concentration portion in which the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramics substrate is formed at the bonding interface between the metal plate and the ceramics substrate , And the thickness of the oxygen high concentration portion may be 4 nm or less.

이 경우, AlN 또는 Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판과 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 접합 계면에, 산소 농도가 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높게 된 산소 고농도부가 형성되어 있기 때문에, 접합 계면에 존재하는 산소에 의해 AlN 또는 Si3N4 로 이루어지는 세라믹스 기판과 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 접합 강도가 향상된다. 또한, 이 산소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있기 때문에, 열 사이클을 부하하였을 때의 응력에 의해 산소 고농도부에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.In this case, since the high oxygen concentration portion in which the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramics substrate is formed on the bonding interface between the ceramic substrate made of AlN or Si 3 N 4 and the metal plate made of aluminum, The bonding strength between the ceramic substrate made of AlN or Si 3 N 4 and the metal plate made of aluminum is improved by the presence of oxygen. Further, since the thickness of the oxygen high density portion is 4 nm or less, cracks are prevented from being generated in the oxygen high density portion due to the stress when the thermal cycle is applied.

또한, 여기서 금속판 중 및 세라믹스 기판 중의 산소 농도란, 금속판 및 세라믹스 기판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어 50 ㎚ 이상) 떨어진 부분 에 있어서의 산소 농도이다.Here, the oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate is the oxygen concentration at a portion separated from the bonded interface of the metal plate and the ceramics substrate by a predetermined distance (for example, 50 nm or more).

본 발명의 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.The board for a power module with a heat sink of the present invention is characterized by including the above-described board for a power module and a heat sink for cooling the board for the power module.

이 구성의 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판에 의하면, 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비하고 있기 때문에, 파워 모듈용 기판에 발생한 열을 히트 싱크에 의해 효율적으로 냉각시킬 수 있다.According to the substrate for a power module with a heat sink with this structure, since the heat sink for cooling the substrate for the power module is provided, the heat generated in the substrate for the power module can be efficiently cooled by the heat sink.

본 발명의 파워 모듈은, 전술한 파워 모듈용 기판과, 그 파워 모듈용 기판 상에 탑재된 전자 부품을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.The power module of the present invention is characterized by including the above-described substrate for a power module and an electronic component mounted on the substrate for the power module.

이 구성의 파워 모듈에 의하면, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도가 높아, 사용 환경이 엄격한 경우에도 그 신뢰성을 비약적으로 향상시킬 수 있다.According to the power module having this structure, the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate is high, and even when the use environment is strict, the reliability can be dramatically improved.

본 발명의 파워 모듈용 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Si 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과, 상기 고착층을 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층하는 적층 공정과, 적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과, 이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고, 상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, Si 및 상기 첨가 원소를 0.1 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고, 상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 Si 및 상기 첨가 원소를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.A manufacturing method of a substrate for a power module according to the present invention is a manufacturing method of a substrate for a power module in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramics substrate, Wherein one or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are bonded to one side of the substrate in addition to Si to form a fixing layer containing Si and the additional element A lamination step of laminating the ceramics substrate and the metal plate with the fixing layer interposed therebetween; pressing the laminated ceramic substrate and the metal plate in the laminating direction and heating the laminated ceramic substrate and the metal plate; A heating step of forming a molten metal region; and a solidifying step of solidifying the molten metal region to form a solidification hole In the fixing step, Si and the additional element are interposed in the range of 0.1 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 at the interface between the ceramics substrate and the metal plate, and in the heating step, And the molten metal region is formed at the interface between the ceramics substrate and the metal plate by diffusing the Si of the fixing layer and the additive element toward the metal plate.

이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Si, 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정을 구비하고 있기 때문에, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에는, Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 개재되게 된다. 여기서, Si, 그리고 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 와 같은 원소는 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온 조건에 있어서, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다.According to the manufacturing method of the substrate for a power module of this structure, at least one of Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li is added to at least one of the bonding surface of the ceramics substrate and the bonding surface of the metal plate. And a fixing step of forming a fixing layer containing Si and the above-mentioned additional element, so that the bonded interface between the metal plate and the ceramic substrate is further provided with an additional element , Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li. Since elements such as Si and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are the elements that lower the melting point of aluminum, a molten metal region is formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate at a relatively low temperature. can do.

따라서, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합해도, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있게 된다.Therefore, even if bonding is performed under the bonding conditions of relatively low temperature and short time, it is possible to firmly bond the ceramic substrate and the metal plate.

또한 가열 공정에 있어서, 고착층의 Si 와, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하고, 이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판을 접합하는 구성으로 하고 있기 때문에, 땜납재 박(箔) 등을 사용할 필요가 없어, 저비용으로, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.In addition, by diffusing one or more additional elements selected from Si in the fixing layer and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li into the metal plate side in the heating step, It is not necessary to use a solder material foil or the like because the molten metal region is formed at the interface and the molten metal region is solidified so that the metal plate and the ceramics substrate are bonded to each other. And the ceramics substrate are securely bonded to each other can be manufactured.

이와 같이 땜납재 박을 사용하지 않고 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합할 수 있기 때문에, 땜납재 박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없어, 예를 들어 미리 회로 패턴 형상으로 형성된 금속편을 세라믹스 기판에 접합하는 경우에도 위치 편차 등에 의한 트러블을 미연에 방지할 수 있다.Since the ceramics substrate and the metal plate can be bonded to each other without using the solder material foil in this way, it is not necessary to carry out the positioning work of the solder material foil. For example, It is possible to prevent trouble due to positional deviation and the like.

또한 상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 Si 및 상기 첨가 원소의 고착량을 0.1 ㎎/㎠ 이상으로 하고 있기 때문에, 세라믹스 기판과 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있어, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있게 된다.Further, in the fixing step, since the amount of Si and the additional elements bonded to the interface between the ceramics substrate and the metal plate is 0.1 mg / cm 2 or more, the molten metal region can be surely formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate So that the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded to each other.

또한, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 Si 및 상기 첨가 원소의 고착량을 10 ㎎/㎠ 이하로 하고 있기 때문에, 고착층에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 세라믹스 기판과 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있다. 또한, Si 및 상기 첨가 원소가 과잉으로 금속판측으로 확산되어 계면 근방의 금속판의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열 응력을 금속판에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열 등을 방지할 수 있다.Further, since the bonding amount between Si and the added element interposed between the ceramic substrate and the metal plate is 10 mg / cm 2 or less, cracks can be prevented from being generated in the fixing layer, The molten metal region can be reliably formed at the interface. In addition, it is possible to prevent excessive increase of the strength of the metal plate near the interface, because Si and the above-mentioned additive elements diffuse excessively toward the metal plate side. Therefore, when the cooling module is loaded on the substrate for the power module, the thermal stress can be absorbed by the metal plate, and cracking of the ceramic substrate can be prevented.

또한 상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, Si 및 상기 첨가 원소를 0.1 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고 있기 때문에, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다. In addition, in the fixing step, since Si and the additional element are interposed in the range of 0.1 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 at the interface between the ceramics substrate and the metal plate, It is possible to produce a substrate for a power module in which the total concentration of Si and the added element in the vicinity of the interface is in the range of 0.05 mass% to 5 mass%.

게다가, 금속판 및 세라믹스 기판에 직접 고착층을 형성하고 있기 때문에, 산화 피막은 금속판의 표면에만 형성되게 된다. 그러면, 양면에 산화 피막이 형성된 땜납재 박을 사용한 경우에 비해, 금속판 및 세라믹스 기판의 계면에 존재하는 산화 피막의 합계 두께가 얇아지기 때문에, 초기 접합의 수율을 향상시킬 수 있다. In addition, since the fixing layer is formed directly on the metal plate and the ceramic substrate, the oxide film is formed only on the surface of the metal plate. In this case, the total thickness of the oxide film existing at the interface between the metal plate and the ceramic substrate becomes thinner as compared with the case of using the solder material foil having the oxide film on both sides, so that the yield of the initial bonding can be improved.

또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 직접 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 구성으로 하고 있지만, 생산성의 관점에서, 금속판의 접합면에 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 것이 바람직하다.In addition, Si and the additional element are directly bonded to at least one of the bonding surface of the ceramics substrate and the bonding surface of the metal plate. However, from the viewpoint of productivity, Si and the additional element are fixed to the bonding surface of the metal plate .

또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si 및 상기 첨가 원소를 각각 단독으로 고착시켜 Si 층 및 첨가 원소층을 형성해도 된다. 혹은, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si 및 상기 첨가 원소를 동시에 고착시켜 Si 와 상기 첨가 원소의 고착층을 형성해도 된다.Further, the Si layer and the additional element layer may be formed by adhering each of Si and the above-described additive element to at least one of the bonding surface of the ceramics substrate and the bonding surface of the metal plate. Alternatively, Si and the additional element may be fixed to at least one of the bonding surface of the ceramics substrate and the bonding surface of the metal plate to form a fixing layer of Si and the additional element.

여기서, 상기 고착 공정에서는, Si 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키는 구성으로 하는 것이 바람직하다.Here, in the fixing step, it is preferable that Al is fixed together with Si and the added element.

이 경우, Si 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키고 있기 때문에, 형성되는 고착층이 Al 을 함유하게 되고, 가열 공정에 있어서, 이 고착층이 우선적으로 용융되어 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있게 되어, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있다. 또한, Mg, Ca, Li 등의 산화 활성 원소의 산화를 방지할 수 있다. 또한, Si 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키려면, Si 및 상기 첨가 원소와 Al 을 동시에 증착시켜도 되고, Si 및 상기 첨가 원소와 Al 의 합금을 타깃으로 하여 스퍼터링해도 된다. 또한, Si 및 첨가 원소와 Al 을 적층해도 된다. In this case, since Al is fixed together with Si and the added element, the formed fixing layer contains Al, and in the heating step, the fixing layer is preferentially melted to form a molten metal region reliably So that the ceramics substrate and the metal plate can be firmly bonded. Further, it is possible to prevent oxidation of active oxidation elements such as Mg, Ca and Li. Further, in order to fix Al together with Si and the added element, Si and the added element and Al may be deposited at the same time, or may be sputtered with Si or an alloy of the additive element and Al as targets. Further, Si and the additional element and Al may be laminated.

또한 상기 고착 공정은, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 것으로 하는 것이 바람직하다.In addition, the fixing step may be carried out by applying at least one of Si and / or Ni on at least one of a bonding surface of the ceramics substrate and a bonding surface of the metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, It is preferable to fix the additional element.

이 경우, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해, Si 및 상기 첨가 원소가 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 확실하게 고착되므로, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 Si 및 상기 첨가 원소를 확실하게 개재시킬 수 있게 된다. 또한, Si 및 상기 첨가 원소의 고착량을 양호한 정밀도로 조정할 수 있고, 용융 금속 영역을 확실하게 형성하여, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있게 된다. In this case, it is preferable that Si and the added element are coated on at least one of the bonding surface of the ceramics substrate and the bonding surface of the metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, So that it is possible to reliably interpose Si and the above-mentioned added element at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. Further, it is possible to adjust the bonding amount of Si and the additive element with good precision, to securely form the molten metal region, and firmly bond the ceramics substrate and the metal plate.

본 발명에 의하면, 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합되고, 열 사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판, 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈 및 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 제공할 수 있게 된다. According to the present invention, there is provided a substrate for a power module, a substrate for a power module with a heat sink, a power module including the substrate for the power module, and a substrate for the power module, A manufacturing method can be provided.

도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 Si 농도 및 첨가 원소 농도를 나타내는 설명도이다.
도 3 은, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다.
도 6 은, 도 5 에 있어서의 금속판과 세라믹스 기판의 접합 계면 근방을 나타내는 설명도이다.
도 7 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 Si 농도 및 첨가 원소 농도를 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 모식도이다.
도 9 는, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 10 은, 본 발명의 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다. 1 is a schematic explanatory view of a power module using a substrate for a power module according to a first embodiment of the present invention.
2 is an explanatory diagram showing the Si concentration and the additive element concentration in the circuit layer and the metal layer of the substrate for power module according to the first embodiment of the present invention.
3 is a schematic view of a bonding interface between a ceramic substrate and a circuit layer and a metal layer (metal plate) of a substrate for power module according to the first embodiment of the present invention.
4 is a flowchart showing a manufacturing method of a substrate for a power module which is a first embodiment of the present invention.
5 is an explanatory view showing a manufacturing method of a substrate for a power module which is a first embodiment of the present invention.
Fig. 6 is an explanatory view showing the vicinity of the bonded interface between the metal plate and the ceramics substrate in Fig. 5;
Fig. 7 is an explanatory diagram showing the Si concentration and the additive element concentration in the circuit layer and the metal layer of the substrate for power module according to the second embodiment of the present invention. Fig.
Fig. 8 is a schematic view of a bonded interface between a ceramic substrate and a circuit layer and a metal layer (metal plate) of a power module substrate according to a second embodiment of the present invention.
Fig. 9 is a flowchart showing a manufacturing method of a substrate for a power module according to a second embodiment of the present invention.
10 is an explanatory view showing a manufacturing method of a substrate for a power module which is a second embodiment of the present invention.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 도 1 에 본 발명의 제 1 실시형태인 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타낸다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Fig. 1 shows a substrate for a power module, a substrate for a power module with a heat sink, and a power module according to a first embodiment of the present invention.

이 파워 모듈 (1) 은, 회로층 (12) 이 배치 형성된 파워 모듈용 기판 (10) 과, 회로층 (12) 의 표면에 땜납층 (2) 을 개재하여 접합된 반도체 칩 (3) 과, 히트 싱크 (4) 를 구비하고 있다. 여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 혹은 Sn-Ag-Cu 계의 땜납재로 되어 있다. 또한 본 실시형태에서는, 회로층 (12) 과 땜납층 (2) 사이에 Ni 도금층 (도시 생략) 이 형성되어 있다.The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is formed, a semiconductor chip 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, And a heat sink (4). Here, the solder layer 2 is, for example, a Sn-Ag based, Sn-In based, or Sn-Ag-Cu based solder material. Further, in the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is formed between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

파워 모듈용 기판 (10) 은, 세라믹스 기판 (11) 과, 이 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면 (도 1 에 있어서 상면) 에 배치 형성된 회로층 (12) 과, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면 (도 1 에 있어서 하면) 에 배치 형성된 금속층 (13) 을 구비하고 있다. A substrate 10 for a power module includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 formed on one surface (upper surface in Fig. 1) of the ceramics substrate 11, And a metal layer 13 disposed on a surface (lower surface in FIG.

세라믹스 기판 (11) 은, 회로층 (12) 과 금속층 (13) 사이의 전기적 접속을 방지하는 것으로서, 절연성이 높은 AlN (질화알루미늄) 으로 구성되어 있다. 또한, 세라믹스 기판 (11) 의 두께는 0.2 ∼ 1.5 ㎜ 의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는 0.635 ㎜ 로 설정되어 있다. 또한 본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 세라믹 기판 (11) 의 폭은 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 폭보다 넓게 설정되어 있다. The ceramic substrate 11 prevents electric connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13 and is made of AlN (aluminum nitride) having high insulation property. The thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in the present embodiment. 1, the width of the ceramic substrate 11 is set wider than the width of the circuit layer 12 and the metal layer 13. In this embodiment,

회로층 (12) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면에 도전성을 갖는 금속판 (22) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 회로층 (12) 은, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (22) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다. As shown in Fig. 5, the circuit layer 12 is formed by bonding a metal plate 22 having conductivity to one surface of a ceramics substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by bonding a metal plate 22 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4 N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11.

금속층 (13) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면에 금속판 (23) 이 접합됨으로써 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 금속층 (13) 은, 회로층 (12) 과 마찬가지로, 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4 N 알루미늄) 의 압연판으로 이루어지는 금속판 (23) 이 세라믹스 기판 (11) 에 접합됨으로써 형성되어 있다.The metal layer 13 is formed by bonding a metal plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11 as shown in Fig. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by bonding a metal plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramics substrate 11 in the same manner as the circuit layer 12 Respectively.

히트 싱크 (4) 는, 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것으로서, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (5) 와 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (6) 를 구비하고 있다. 히트 싱크 (4) (천판부 (5)) 는 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에 있어서는 A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.The heat sink 4 is for cooling the substrate 10 for a power module as described above and includes a top plate 5 bonded to the substrate 10 for power module and a top plate 5 for cooling the cooling medium And a flow path 6 are provided. The heat sink 4 (top plate portion 5) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and in the present embodiment, it is made of A6063 (aluminum alloy).

또한 본 실시형태에 있어서는, 히트 싱크 (4) 의 천판부 (5) 와 금속층 (13) 사이에는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층 (15) 이 형성되어 있다.A buffer layer 15 made of a composite material (for example, AlSiC or the like) containing aluminum or an aluminum alloy or aluminum is provided between the top plate 5 of the heat sink 4 and the metal layer 13 Respectively.

그리고, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 의 폭 방향 중앙부에 있어서는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있다. 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방에는, 접합 계면 (30) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라서 점차 Si 농도 및 상기 첨가 원소의 농도가 저하되는 농도 경사층 (33) 이 형성되어 있다. 여기서, 이 농도 경사층 (33) 의 접합 계면 (30) 측 (회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방) 의 Si 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.2, at the central portion in the width direction of the bonding interface 30 of the ceramics substrate 11, the circuit layer 12 (the metal plate 22) and the metal layer 13 (the metal plate 23) Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li in addition to Si in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) And an additive element is employed. A concentration gradient layer 33 in which the Si concentration and the concentration of the additive element are gradually decreased as they are separated from the bonding interface 30 in the stacking direction is formed near the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13 Respectively. The total concentration of Si and the added element on the side of the bonding interface 30 (near the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13) of the concentration gradient layer 33 is not less than 0.05% by mass and not more than 5% By mass or less.

또한, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Si 및 상기 첨가 원소의 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (30) 으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균값이다. 또한, 도 2 의 그래프는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하고, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구한 것이다. The concentration of Si and the additive element in the vicinities of the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13 was determined to be 50 mu m from the bonding interface 30 by EPMA analysis (spot diameter 30 mu m) The average value is 5 points. 2 is a graph showing the results of line analysis in the lamination direction at the central portions of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) As shown in Fig.

여기서, 본 실시형태에서는, Ge 를 첨가 원소로서 사용하고 있으며, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Ge 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하, Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.Here, in the present embodiment, Ge is used as an additive element and the Ge concentration in the vicinity of the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is 0.05 mass% or more and 1 mass% or less, and the Si concentration is 0.05 Mass% to 0.5 mass% or less.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 을 투과 전자 현미경에 있어서 관찰한 경우에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (30) 에 Si 가 농축된 Si 고농도부 (32) 가 형성되어 있다. 이 Si 고농도부 (32) 에 있어서는, Si 농도가 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 Si 농도보다 5 배 이상 높게 되어 있다. 또한, 이 Si 고농도부 (32) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.When the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) is observed by a transmission electron microscope, As shown in the figure, the Si high concentration portion 32 in which Si is concentrated is formed in the bonding interface 30. In the Si high concentration portion 32, the Si concentration is five times higher than the Si concentration in the circuit layer 12 (the metal plate 22) and the metal layer 13 (the metal plate 23). The thickness H of the Si high concentration portion 32 is 4 nm or less.

여기서, 관찰하는 접합 계면 (30) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 격자 이미지의 계면측 단부(端部) 와 세라믹스 기판 (11) 의 격자 이미지의 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다.3, the bonding interface 30 to be observed is formed so that the interface side end portion of the lattice image of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) And the interface side end of the lattice image of the ceramics substrate 11 is referred to as a reference plane S. [

이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대하여 도 4 내지 도 6 을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the power module substrate 10 having the above-described structure will be described with reference to Figs. 4 to 6. Fig.

(고착 공정 (S1))(Fixing step (S1))

먼저, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 의 각각의 접합면에, 스퍼터링에 의해, Si 와, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 고착층 (24, 25) 을 형성한다.First, as shown in Fig. 5 and Fig. 6, Si and one species selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are formed on the bonding surfaces of the metal plates 22 and 23 by sputtering. Or two or more additional elements are fixed to form the fixing layers 24 and 25.

여기서, 본 실시형태에서는, Ge 를 첨가 원소로서 사용하고 있으며, 고착층 (24, 25) 에 있어서의 Si 량은 0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하, Ge 량은 0.002 ㎎/㎠ 이상 2.5 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.In this embodiment, Ge is used as an additive element, and the amount of Si in the fixing layers 24 and 25 is 0.002 mg / cm 2 or more and 1.2 mg / cm 2 or less, the amount of Ge is 0.002 mg / / Cm < 2 >

(적층 공정 (S2))(Laminating step (S2))

다음으로, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22) 을 세라믹스 기판 (11) 의 일방의 면측에 적층하고, 또한 금속판 (23) 을 세라믹스 기판 (11) 의 타방의 면측에 적층한다. 이 때, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 중 고착층 (24, 25) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (11) 을 향하도록 적층한다. 즉, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 각각 고착층 (24, 25) (Si 및 상기 첨가 원소) 을 개재시키고 있는 것이다. 이와 같이 하여 적층체 (20) 를 형성한다. Next, as shown in Fig. 5, the metal plate 22 is laminated on one side of the ceramic substrate 11, and the metal plate 23 is laminated on the other side of the ceramics substrate 11. At this time, as shown in Fig. 5 and Fig. 6, the metal plates 22 and 23 are laminated so that the surfaces on which the fixing layers 24 and 25 are formed face the ceramics substrate 11. That is, the fixing layers 24 and 25 (Si and the above-mentioned added element) are interposed between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. Thus, the layered product 20 is formed.

(가열 공정 (S3))(Heating step (S3))

다음으로, 적층 공정 (S2) 에 있어서 형성된 적층체 (20) 를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고 가열하여, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 각각 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성한다. 이 용융 금속 영역 (26, 27) 은, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 고착층 (24, 25) 의 Si 및 상기 첨가 원소가 금속판 (22, 23) 측으로 확산됨으로써, 금속판 (22, 23) 의 고착층 (24, 25) 근방의 Si 농도 및 상기 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Ge 농도) 가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다. 또한, 상기 서술한 압력이 1 kgf/㎠ 미만인 경우에는, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 접합을 양호하게 실시할 수 없게 될 우려가 있다. 또한, 상기 서술한 압력이 35 kgf/㎠ 를 초과한 경우에는, 금속판 (22, 23) 이 변형될 우려가 있다. 따라서, 상기 서술한 가압 압력은 1 ∼ 35 kgf/㎠ 의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. Next, the laminate 20 formed in the lamination step (S2) is charged into the vacuum furnace under the pressure (pressure 1 to 35 kgf / cm < 2 >) in the lamination direction and heated, Molten metal regions 26 and 27 are formed at the interface between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. 6, the molten metal regions 26 and 27 are formed in such a manner that the Si of the fixing layers 24 and 25 and the added element are diffused toward the metal plates 22 and 23 to fix the metal plates 22 and 23 The Si concentration in the vicinity of the layers 24 and 25 and the concentration of the added element (Ge concentration in this embodiment) increase and the melting point is lowered. In addition, when the pressure is less than 1 kgf / cm 2, there is a possibility that the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can not be satisfactorily bonded. In addition, when the above-described pressure exceeds 35 kgf / cm 2, there is a fear that the metal plates 22 and 23 are deformed. Therefore, it is preferable that the above-described pressure is in the range of 1 to 35 kgf / cm 2.

여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-3 ∼ 10-6 ㎩ 의 범위 내로, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.Here, in the present embodiment, the pressure in the vacuum furnace is set in the range of 10 -3 to 10 -6 Pa, and the heating temperature is set in the range of 550 ° C or more and 650 ° C or less.

(응고 공정 (S4))(Solidification step (S4))

다음으로, 용융 금속 영역 (26, 27) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지시켜 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 (26, 27) 중의 Si 및 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ge) 가 더욱 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 가게 된다. 이로써, 용융 금속 영역 (26, 27) 이었던 부분의 Si 농도 및 상기 첨가 원소의 농도 (본 실시형태에서는 Ge 농도) 가 서서히 저하되어 가고 융점이 상승하게 되어, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 가게 된다. 요컨대, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 은, 이른바 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온까지 냉각을 실시한다.Next, the temperature is kept constant while the molten metal regions 26 and 27 are formed. Then, Si in the molten metal regions 26 and 27 and the additive element (Ge in this embodiment) are further diffused toward the metal plates 22 and 23 side. As a result, the Si concentration in the portion which was the molten metal regions 26 and 27 and the concentration of the additive element (Ge concentration in this embodiment) are gradually lowered and the melting point is increased. It goes on. In other words, the ceramics substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are bonded by so-called Transient Liquid Phase Diffusion Bonding. After the solidification proceeds in this manner, cooling is carried out to room temperature.

이와 같이 하여, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 이 제조된다.In this manner, the circuit board 12 and the metal plates 22 and 23 serving as the metal layer 13 and the ceramics substrate 11 are joined together to produce the power module substrate 10 of the present embodiment.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 Si 및 상기 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ge) 를 고착시키는 고착 공정 (S1) 을 구비하고 있기 때문에, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에는 Si 및 상기 첨가 원소가 개재되게 된다. 여기서, Si, 그리고 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 와 같은 원소는 알루미늄의 융점을 강하시키는 원소이기 때문에, 비교적 저온 조건에 있어서, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 형성할 수 있다.In the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment having the above-described configuration, Si and the additive element (Ge in this embodiment) are fixed to the bonding surfaces of the metal plates 22 and 23 Si and the additive element intervene between the metal plates 22 and 23 and the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the ceramic substrate 11, Since elements such as Si and Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are the elements that lower the melting point of aluminum, a molten metal region is formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate at a relatively low temperature. can do.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 이, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 형성된 Si 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층 (24, 25) 의 Si 및 상기 첨가 원소를 금속판 (22, 23) 측으로 확산시킴으로써 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성하고, 이 용융 금속 영역 (26, 27) 중의 Si 및 상기 첨가 원소를 금속판 (22, 23) 에 확산시킴으로써 응고시켜 접합하고 있기 때문에, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합해도, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다.The ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (the metal plate 22) and the metal layer 13 (the metal plate 23) are formed of Si formed on the bonding surfaces of the metal plates 22 and 23, The molten metal regions 26 and 27 are formed by diffusing the Si of the fixing layers 24 and 25 and the additive elements toward the metal plates 22 and 23, The ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly joined even if they are bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions because the elements are coagulated by being diffused to the metal plates 22 and 23.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 의 폭 방향 중앙부에 있어서는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 Si 및 상기 첨가 원소가 고용되어 있고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 각각의 접합 계면 (30) 측의 Si 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 본 실시형태에서는, Ge 를 첨가 원소로서 사용하고 있으며, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Ge 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하, Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있기 때문에, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 측의 부분이 고용 강화되어, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 있어서의 균열의 발생을 방지할 수 있다. At the central portion in the width direction of the bonding interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), the circuit layer 12 Si and the additive element are dissolved in the metal layer 13 and the metal layer 13 and the Si on the bonding interface 30 side of the circuit layer 12 and the metal layer 13, In the present embodiment, Ge is used as an additive element, and the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is set to be in the range of 0.05 mass% to 5 mass% (The metal sheet 22) and the metal layer 13 (the metal layer 22) are set to be within the range of 0.05 mass% or more and 1 mass% or less and the Si concentration is set in the range of 0.05 mass% or more and 0.5 mass% (Metal plate 23) on the bonding interface 30 side is solid-solved and the portion of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) It is possible to prevent the occurrence of cracks.

또한, 가열 공정 (S3) 에 있어서 Si 및 상기 첨가 원소가 충분히 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 있어, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 강고하게 접합되어 있게 된다. In addition, in the heating step (S3), Si and the above-described additive elements are sufficiently diffused toward the metal plates 22 and 23, so that the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are firmly bonded.

또한 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 이 AlN 으로 구성되어 있고, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에, Si 농도가 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 Si 농도의 5 배 이상으로 된 Si 고농도부 (32) 가 형성되어 있기 때문에, 접합 계면 (30) 에 존재하는 Si 에 의해 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다.In the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of AlN, and the Si concentration is applied to the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 through the circuit layer 12 The Si high concentration portion 32 having the Si concentration of 5 times or more of the Si concentration in the metal layer 13 and the metal layer 13 is formed on the surface of the ceramics substrate 11 by Si existing in the bonding interface 30. [ And the bonding strength between the metal plates 22 and 23 can be improved.

또한, 금속판의 접합면에 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시켜 고착층 (24, 25) 을 형성하는 고착 공정 (S1) 을 구비하고 있고, 가열 공정 (S3) 에 있어서, 고착층 (24, 25) 의 Si 및 상기 첨가 원소를 금속판 (22, 23) 측으로 확산시킴으로써, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성하는 구성으로 하고 있기 때문에, 제조가 곤란한 Al-Si 계의 땜납재 박을 사용할 필요가 없어, 저비용으로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조할 수 있게 된다.In the heating step (S3), the fixing layers (24, 25) are formed in the fixing step (S1) for fixing the Si and the additional elements to the bonding surfaces of the metal plates to form the fixing layers (24, 25) The molten metal regions 26 and 27 are formed at the interface between the ceramics substrate 11 and the metal plates 22 and 23 by diffusing the Si of the ceramic substrate 11 and the added elements toward the metal plates 22 and 23. Therefore, It is not necessary to use an Al-Si type solder material foil which is difficult to manufacture and the substrate 10 for a power module in which the metal plates 22 and 23 and the ceramics substrate 11 are securely bonded can be manufactured at low cost.

또한 본 실시형태에서는, 고착 공정 (S1) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 개재되는 Si 량 및 Ge 량을, Si；0.002 ㎎/㎠ 이상, Ge；0.002 ㎎/㎠ 이상으로 하고 있기 때문에, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역 (26, 27) 을 확실하게 형성할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다. The amount of Si and the amount of Ge interposed in the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are set to be 0.002 mg / cm 2 or more of Si and 0.002 mg / The molten metal regions 26 and 27 can be reliably formed at the interface between the ceramics substrate 11 and the metal plates 22 and 23 so that the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 ) Can be firmly bonded to each other.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 개재되는 Si 량 및 Ge 량을, Si；1.2 ㎎/㎠ 이하, Ge；2.5 ㎎/㎠ 이하로 하고 있기 때문에, 고착층 (24, 25) 에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역 (26, 27) 을 확실하게 형성할 수 있다. 또한, Si 및 상기 첨가 원소가 과잉으로 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 계면 근방의 금속판 (22, 23) 의 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판 (10) 에 냉열 사이클이 부하되었을 때에, 열 응력을 회로층 (12), 금속층 (13) (금속판 (22, 23)) 에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 의 균열 등을 방지할 수 있다. Since the amount of Si and the amount of Ge interposed in the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are set to be 1.2 mg / cm2 or less of Si and 2.5 mg / cm2 or less of Ge, It is possible to reliably form the molten metal regions 26 and 27 at the interface between the ceramics substrate 11 and the metal plates 22 and 23. [ Further, it is possible to prevent the Si and the added element from diffusing excessively toward the metal plates 22 and 23, and the strength of the metal plates 22 and 23 in the vicinity of the interface excessively increases. Thermal stress can be absorbed by the circuit layer 12 and the metal layer 13 (the metal plates 22 and 23) when the cooling module is loaded on the power module substrate 10, Cracks and the like can be prevented.

또한, 땜납재 박을 사용하지 않고 금속판 (22, 23) 의 접합면에 직접 고착층 (24, 25) 을 형성하고 있기 때문에, 땜납재 박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없어, 확실하게 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 접합할 수 있다. 따라서, 이 파워 모듈용 기판 (10) 을 효율적으로 만들어 낼 수 있게 된다.Further, since the fixing layers 24 and 25 are formed directly on the bonding surfaces of the metal plates 22 and 23 without using the solder material foil, it is not necessary to perform the positioning work of the solder material foil, The ceramics substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be joined. Therefore, it is possible to efficiently produce the substrate 10 for the power module.

게다가, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 고착층 (24, 25) 을 형성하고 있기 때문에, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 개재되는 산화 피막은, 금속판 (22, 23) 의 표면에만 존재하게 되므로, 초기 접합의 수율을 향상시킬 수 있다. The oxide films interposed at the interface between the metal plates 22 and 23 and the ceramics substrate 11 are formed by the metal plates 22 and 23, 23, the yield of the initial bonding can be improved.

다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 도 7 내지 도 10 을 참조하여 설명한다. Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 7 to 10. Fig.

이 제 2 실시형태인 파워 모듈용 기판에 있어서는, 세라믹스 기판 (111) 이 Si3N4 로 구성되어 있다.In the substrate for power module according to the second embodiment, the ceramics substrate 111 is made of Si 3 N 4 .

세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 접합 계면 (130) 의 폭 방향 중앙부에 있어서는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 에 Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있다. 여기서, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Si 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.7, at the central portion in the width direction of the bonding interface 130 of the ceramics substrate 111, the circuit layer 112 (the metal plate 122) and the metal layer 113 (the metal plate 123) Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li in addition to Si in the metal layer 112 (the metal plate 122) and the metal layer 113 (the metal plate 123) Are employed. Here, the total concentration of Si in the vicinity of the bonding interface 130 of the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the concentration of the added element is set within the range of 0.05 mass% to 5 mass%.

또한, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Si 및 상기 첨가 원소의 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (130) 으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균값이다. 또한, 도 7 의 그래프는, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 중앙 부분에 있어서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하고, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 하여 구한 것이다. The concentration of Si and the additive element in the vicinity of the bonding interface 130 of the circuit layer 112 and the metal layer 113 was measured at a position of 50 占 퐉 from the bonding interface 130 by EPMA analysis (spot diameter 30 占 퐉) The average value is 5 points. 7 is a graph showing the results of line analysis in the lamination direction at the central portion of the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123) As shown in Fig.

여기서, 본 실시형태에서는, Ag 를 첨가 원소로서 사용하고 있으며, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 의 접합 계면 (130) 근방의 Ag 농도가 0.05 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하, Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다. In this embodiment, Ag is used as an additive element and the Ag concentration in the vicinity of the bonding interface 130 of the circuit layer 112 and the metal layer 113 is 0.05 mass% or more and 1.5 mass% or less, the Si concentration is 0.05 Mass% to 0.5 mass% or less.

또한, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 접합 계면 (130) 을 투과 전자 현미경에 있어서 관찰한 경우에는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 접합 계면 (130) 에 산소가 농축된 산소 고농도부 (132) 가 형성되어 있다. 이 산소 고농도부 (132) 에 있어서는, 산소 농도가 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 중의 산소 농도보다 높게 되어 있다. 또한, 이 산소 고농도부 (132) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다. 8A and 8B, when the bonding interface 130 between the ceramics substrate 111 and the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123) is observed by a transmission electron microscope, As shown in the figure, the bonding interface 130 is formed with an oxygen-rich portion 132 in which oxygen is concentrated. The oxygen concentration in the oxygen high concentration portion 132 is higher than the oxygen concentration in the circuit layer 112 (the metal plate 122) and the metal layer 113 (the metal plate 123). The thickness H of the oxygen high concentration portion 132 is 4 nm or less.

또한, 여기서 관찰하는 접합 계면 (130) 은, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 격자 이미지의 계면측 단부와 세라믹스 기판 (111) 의 격자 이미지의 접합 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다.8, the bonded interface 130 observed here is an interface between the interface side end of the lattice image of the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123) The center between the bonding interface side ends of the lattice image of the substrate 111 is referred to as a reference plane S.

이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대하여 도 9 및 도 10 을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시형태에서는, 고착 공정이 Si 고착 공정 (S10) 과 첨가 원소 고착 공정 (S11) 으로 분리되어 있다.Hereinafter, a method of manufacturing a substrate for a power module having the above-described structure will be described with reference to Figs. 9 and 10. Fig. In this embodiment, the fixing step is separated into the Si fixing step (S10) and the additive element fixing step (S11).

(Si 고착 공정 (S10))(Si fixing process S10)

먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (122, 123) 의 각각의 접합면에 스퍼터링에 의해 Si 를 고착시켜 Si 층 (124A, 125A) 을 형성한다. 여기서, Si 층 (124A, 125A) 의 Si 량은 0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다. 또한, Si 층 (124A, 125A) 의 두께는 0.01 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다. First, as shown in Fig. 10, Si is adhered to each of the bonding surfaces of the metal plates 122, 123 by sputtering to form Si layers 124A, 125A. Here, the Si amount of the Si layers 124A and 125A is set to 0.002 mg / cm2 or more and 1.2 mg / cm2 or less. The thickness of the Si layers 124A and 125A is preferably set within the range of 0.01 mu m or more and 5 mu m or less.

(첨가 원소 고착 공정 (S11))(Additional element fixing step (S11))

다음으로, 전술한 Si 층 (124A, 125A) 상에, 스퍼터링에 의해 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, 첨가 원소층 (124B, 125B) 을 형성한다. 여기서, 본 실시형태에서는, 첨가 원소로서 Ag 를 사용하고 있으며, 첨가 원소층 (124B, 125B) 에 있어서의 Ag 량은 0.08 ㎎/㎠ 이상 5.4 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다. 또한, 첨가 원소층 (124B, 125B) 의 두께는 0.01 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.Next, one or two or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are fixed on the Si layers 124A and 125A by sputtering to form an additional element layer 124B, and 125B. Here, in the present embodiment, Ag is used as an additive element, and the amount of Ag in the additive element layers 124B and 125B is set to 0.08 mg / cm2 or more and 5.4 mg / cm2 or less. The thickness of the additional element layers 124B and 125B is preferably set within a range of 0.01 mu m or more and 5 mu m or less.

(적층 공정 (S12))(Lamination step (S12))

다음으로, 금속판 (122) 을 세라믹스 기판 (111) 의 일방의 면측에 적층하고, 또한 금속판 (123) 을 세라믹스 기판 (111) 의 타방의 면측에 적층한다. 이 때, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (122, 123) 중 Si 층 (124A, 125A) 및 첨가 원소층 (124B, 125B) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (111) 을 향하도록 적층한다. 즉, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 사이에 각각 Si 층 (124A, 125A) 및 첨가 원소층 (124B, 125B) 을 개재시키고 있는 것이다. 이와 같이 하여 적층체를 형성한다. Next, the metal plate 122 is laminated on one surface side of the ceramics substrate 111, and the metal plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramics substrate 111. At this time, as shown in Fig. 10, the Si layers 124A and 125A of the metal plates 122 and 123 and the surface on which the additional element layers 124B and 125B are formed are laminated so as to face the ceramics substrate 111. [ That is, the Si layers 124A and 125A and the additive element layers 124B and 125B are interposed between the metal plates 122 and 123 and the ceramics substrate 111, respectively. Thus, a laminate is formed.

(가열 공정 (S13))(Heating step (S13))

다음으로, 적층 공정 (S12) 에 있어서 형성된 적층체를, 그 적층 방향으로 가압 (압력 1 ∼ 35 kgf/㎠) 한 상태에서 진공 가열로 내에 장입하고 가열하여, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 계면에 각각 용융 금속 영역 (126, 127) 을 형성한다. 이 용융 금속 영역 (126, 127) 은, 도 10 에 나타내는 바와 같이, Si 층 (124A, 125A) 및 첨가 원소층 (124B, 125B) 의 Si 및 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ag) 가 금속판 (122, 123) 측으로 확산됨으로써, 금속판 (122, 123) 의 Si 층 (124A, 125A) 및 첨가 원소층 (124B, 125B) 근방의 Si 농도 및 첨가 원소의 농도가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다. Next, the laminate formed in the laminating step (S12) was charged in a vacuum furnace under pressure (pressure: 1 to 35 kgf / cm2) in the lamination direction and heated, and as shown in Fig. 10, Molten metal regions 126 and 127 are formed at the interface between the ceramic substrate 111 and the ceramic substrate 111, respectively. 10, the Si layers 124A and 125A and the Si of the additional element layers 124B and 125B and the additive elements (Ag in this embodiment) form the metal plate 122 And 123 are formed by increasing the Si concentration in the vicinity of the Si layers 124A and 125A and the additive element layers 124B and 125B of the metal plates 122 and 123 and the melting point of the additive elements.

여기서, 본 실시형태에서는, 진공 가열로 내의 압력은 10-3 ∼ 10-6 ㎩ 의 범위 내로, 가열 온도는 550 ℃ 이상 650 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.Here, in the present embodiment, the pressure in the vacuum furnace is set in the range of 10 -3 to 10 -6 Pa, and the heating temperature is set in the range of 550 ° C or more and 650 ° C or less.

(응고 공정 (S15))(Solidification step (S15))

다음으로, 용융 금속 영역 (126, 127) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지시켜 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 (126, 127) 중의 Si 및 첨가 원소가 더욱 금속판 (122, 123) 측으로 확산되어 가게 된다. 이로써, 용융 금속 영역 (126, 127) 이었던 부분의 Si 농도 및 첨가 원소의 농도가 서서히 저하되어 가고 융점이 상승하게 되어, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되어 가게 된다. 요컨대, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 은, 이른바 확산 접합 (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding) 에 의해 접합되어 있는 것이다. 이와 같이 하여 응고가 진행된 후에, 상온까지 냉각을 실시한다.Next, the temperature is kept constant while the molten metal regions 126 and 127 are formed. Then, the Si and the additive elements in the molten metal regions 126 and 127 are further diffused toward the metal plates 122 and 123. Thereby, the Si concentration and the concentration of the additive element in the portions which were the molten metal regions 126 and 127 are gradually lowered, the melting point is increased, and the solidification progresses while maintaining the temperature constant. In short, the ceramics substrate 111 and the metal plates 122 and 123 are bonded by so-called Transient Liquid Phase Diffusion Bonding. After the solidification proceeds in this manner, cooling is carried out to room temperature.

이와 같이 하여, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 되는 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 이 접합되어, 본 실시형태인 파워 모듈용 기판이 제조되게 된다.In this manner, the metal plates 122 and 123, which serve as the circuit layer 112 and the metal layer 113, and the ceramics substrate 111 are bonded to each other to manufacture the power module substrate of the present embodiment.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판에 있어서는, 금속판 (122, 123) 의 접합면에 Si 를 고착시키는 Si 고착 공정 (S10) 과, 상기 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ag) 를 고착시키는 첨가 원소 고착 공정 (S11) 을 구비하고 있기 때문에, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 에는 Si 및 상기 첨가 원소가 개재되게 된다. 여기서, Si, 그리고 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 와 같은 원소는 알루미늄의 융점을 강하시키는 것이기 때문에, 저온 조건에서의 접합이 가능해진다.In the substrate for power module according to the present embodiment having the above-described configuration, the Si fixing step S10 for fixing Si to the bonding surfaces of the metal plates 122 and 123 and the step of bonding the additional elements (Ag in this embodiment) Si and the added element are interposed in the bonding interface 130 between the metal plates 122 and 123 and the ceramics substrate 111 since the step of bonding the additive elements S11 is carried out. Here, since Si, and elements such as Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li lower the melting point of aluminum, bonding at low temperatures becomes possible.

또한, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 이, 금속판 (122, 123) 의 접합면에 형성된 Si 층 (124A, 125A) 과 첨가 원소층 (124B, 125B) 의 Si 및 첨가 원소를 금속판 (122, 123) 측으로 확산시킴으로써 용융 금속 영역 (126, 127) 을 형성하고, 이 용융 금속 영역 (126, 127) 중의 Si 및 첨가 원소를 금속판 (122, 123) 에 확산시킴으로써 응고시켜 접합하고 있기 때문에, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합해도, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다.Further, the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 (the metal plate 122), and the metal layer 113 (the metal plate 123) are bonded to the Si layers 124A and 125A formed on the bonding surfaces of the metal plates 122 and 123, The molten metal regions 126 and 127 are formed by diffusing Si and the additive elements of the additive element layers 124B and 125B toward the metal plates 122 and 123. The Si in the molten metal regions 126 and 127, The ceramics substrate 111 and the metal plates 122 and 123 can be firmly bonded even if they are bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions because they are solidified by diffusion to the metal plates 122 and 123.

또한 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (111) 이 Si3N4 로 구성되어 있고, 회로층 (112) 및 금속층 (113) 이 되는 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 에, 산소 농도가 회로층 (112) 및 금속층 (113) 을 구성하는 금속판 (122, 123) 중의 산소 농도보다 높게 된 산소 고농도부 (132) 가 생성되어 있기 때문에, 이 산소에 의해 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 이 산소 고농도부 (132) 의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있기 때문에, 열 사이클을 부하하였을 때의 응력에 의해 산소 고농도부 (132) 에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.In the present embodiment, the ceramic substrate 111 is made of Si 3 N 4 , and the interface between the metal plates 122 and 123 and the ceramics substrate 111, which are the circuit layer 112 and the metal layer 113, The oxygen concentration is increased in the oxygen concentration in the circuit board 112 and the metal plates 122 and 123 constituting the metal layer 113 so that the oxygen concentration in the ceramic substrate 111 and the metal plates 122, 123 can be improved. Further, since the thickness of the oxygen high density portion 132 is 4 nm or less, cracks are prevented from being generated in the oxygen high density portion 132 due to the stress when the thermal cycle is applied.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be suitably changed within a range not deviating from the technical idea of the invention.

예를 들어, 회로층 및 금속층을 구성하는 금속판을 순도 99.99 ％ 의 순알루미늄의 압연판으로 한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 순도 99 ％ 의 알루미늄 (2 N 알루미늄) 이어도 된다.For example, the description has been made on the assumption that the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer is a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%. However, the present invention is not limited to this, and aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% may be used.

또한 고착 공정에 있어서, 금속판의 접합면에 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 구성으로 한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 세라믹스 기판의 접합면에 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 되고, 세라믹스 기판의 접합면 및 금속판의 접합면에 각각 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 된다.In addition, in the fixing process, Si and the additional element are fixed to the bonding surface of the metal plate. However, the present invention is not limited to this, and Si and the additional element may be fixed to the bonding surface of the ceramic substrate, Si and the above-mentioned additive element may be fixed to the bonding surface of the substrate and the bonding surface of the metal plate, respectively.

또한 고착 공정에 있어서, Si 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시켜도 된다.Further, in the fixing step, Al may be fixed together with Si and the added element.

또한 고착 공정에 있어서, 스퍼터에 의해 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 도금, 증착, CVD, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해 Si 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 된다. In addition, in the fixing step, Si and the additional element are fixed by sputtering. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited thereto, and may be applied to plating, vapor deposition, CVD, cold spray, The Si and the added element may be fixed.

또한 제 2 실시형태에 있어서, 고착 공정을 Si 고착 공정 (S10) 후에 첨가 원소 고착 공정 (S11) 을 실시하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 첨가 원소 고착 공정 후에 Si 고착 공정을 실시해도 된다. In the second embodiment, the fixing step is performed after the Si fixing step (S10), but the addition element fixing step (S11) is performed. However, the present invention is not limited to this and even if the Si fixing step is performed after the additional element fixing step do.

또한, 첨가 원소와 Si 등의 합금을 사용하여 Si 와 첨가 원소의 합금층을 형성해도 된다. Alternatively, an alloy of Si and an additional element may be formed using an additive element and an alloy of Si or the like.

또한, 세라믹스 기판과 금속판의 접합을 진공 가열로를 사용하여 실시하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, N2 분위기, Ar 분위기 및 He 분위기 등에서 세라믹스 기판과 금속판의 접합을 실시해도 된다.The bonding of the ceramics substrate and the metal plate is described using a vacuum heating furnace. However, the present invention is not limited to this, and the ceramics substrate and the metal plate may be bonded in an N 2 atmosphere, an Ar atmosphere, or a He atmosphere.

또한, 히트 싱크의 천판부와 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 혹은 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성한 것으로 하여 설명했지만, 이 완충층이 없어도 된다. In the above description, a buffer layer made of a composite material containing aluminum, aluminum alloy or aluminum (for example, AlSiC or the like) is formed between the top plate portion of the heat sink and the metal layer. However, this buffer layer may be omitted.

또한, 히트 싱크를 알루미늄으로 구성한 것으로 하여 설명했지만, 알루미늄 합금, 또는 알루미늄을 함유하는 복합재 등으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 히트 싱크로서 냉각 매체의 유로를 갖는 것으로 설명했지만, 히트 싱크의 구조에 특별히 한정은 없고, 여러 가지 구성의 히트 싱크를 사용할 수 있다.Although the heat sink is formed of aluminum, it may be made of an aluminum alloy, a composite material containing aluminum, or the like. Further, although the heat sink is described as having a channel of the cooling medium, the structure of the heat sink is not particularly limited, and various heat sinks can be used.

또한, 세라믹스 기판을 AlN, Si3N4 로 구성된 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, Al2O3 등의 다른 세라믹스로 구성되어 있어도 된다. The ceramic substrate is made of AlN and Si 3 N 4. However, the ceramic substrate is not limited to this and may be made of other ceramics such as Al 2 O 3 .

실시예Example

본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 비교 실험에 대하여 설명한다.The comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.

두께 0.635 ㎜ 의 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판에, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 회로층과, 두께 0.6 ㎜ 의 4 N 알루미늄으로 이루어지는 금속층을 접합하여, 파워 모듈용 기판을 제작하였다.A circuit layer made of 4 N aluminum having a thickness of 0.6 mm and a metal layer made of 4 N aluminum having a thickness of 0.6 mm were bonded to a ceramics substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm to prepare a substrate for power module.

여기서, 회로층 및 금속층이 되는 알루미늄판 (4 N 알루미늄) 의 접합면에 Si 및 첨가 원소를 고착시켜 고착층을 형성하고, 금속판과 세라믹스 기판을 적층하고 가압 가열하여, 금속판과 세라믹스 기판을 접합하였다.Here, Si and the additive element were fixed to the bonding surface of the aluminum plate (4 N aluminum) to be the circuit layer and the metal layer to form the fixing layer, and the metal plate and the ceramics substrate were laminated and heated under pressure to bond the metal plate and the ceramics substrate .

그리고, 고착하는 첨가 원소를 변경한 여러 가지 시험편을 만들어 내고, 이들 시험편을 사용하여 접합 신뢰성의 평가를 실시하였다. 접합 신뢰성의 평가로는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 결과를 표 1 내지 표 3 에 나타낸다.Then, various test pieces were prepared by changing the adhering added elements, and the reliability of bonding was evaluated using these test pieces. The bonding reliability was evaluated by comparing the bonding ratios after repeating the cooling and heating cycle (-45 ° C to 125 ° C) 2000 times. The results are shown in Tables 1 to 3.

또한, 접합률은 이하의 식에 의해 산출하였다. 여기서 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적으로 하였다.The bonding ratio was calculated by the following formula. Here, the initial bonding area was defined as an area to be bonded before bonding.

접합률 = (초기 접합 면적 - 박리 면적)/초기 접합 면적Bonding ratio = (initial bonding area - peeling area) / initial bonding area

또한, 이들 시험편에 대하여, 금속판 중 세라믹스 기판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛) 의 Si 및 첨가 원소의 농도를 EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해 측정하였다. Si 및 첨가 원소의 합계 농도를 표 1 - 3 에 함께 나타낸다.With respect to these test pieces, the concentration of Si and the additive element in the vicinity of the bonding interface (50 mu m from the bonding interface) of the ceramic substrate in the metal plate was measured by EPMA analysis (spot diameter 30 mu m). The total concentration of Si and the additive elements are shown together in Tables 1-3.

Figure 112011015669340-pat00001
Figure 112011015669340-pat00001

※ 금속판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛ 위치) 에 있어서의 Si 및 첨가 원소의 합계 농도※ The total concentration of Si and the additive elements in the vicinity of the bonding interface of the metal plate (50 μm from the bonding interface)

Figure 112011015669340-pat00002
Figure 112011015669340-pat00002

※ 금속판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛ 위치) 에 있어서의 Si 및 첨가 원소의 합계 농도※ The total concentration of Si and the additive elements in the vicinity of the bonding interface of the metal plate (50 μm from the bonding interface)

Figure 112011015669340-pat00003
Figure 112011015669340-pat00003

※ 금속판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛ 위치) 에 있어서의 Si 및 첨가 원소의 합계 농도※ The total concentration of Si and the additive elements in the vicinity of the bonding interface of the metal plate (50 μm from the bonding interface)

고착층의 Si 량이 0.01 ㎎/㎠ (두께 환산 0.043 ㎛), 및 첨가 원소 (Li) 의 고착량이 0.05 ㎎/㎠ (두께 환산 0.935 ㎛) 로 되고, 고착량의 합계가 0.06 ㎎/㎠ 로 된 비교예 1 에서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 50.6 ％ 로 매우 낮은 값을 나타냈다. 이것은, 계면에 개재되는 Si 량 및 첨가 원소 (Li) 량이 적어, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 충분히 형성할 수 없었기 때문인 것으로 판단된다.The amount of Si of the fixing layer was 0.01 mg / cm 2 (0.043 탆 in terms of the thickness) and the amount of fixing of the additive element (Li) was 0.05 mg / cm 2 (0.935 탆 in thickness), and the sum of the fixing amounts was 0.06 mg / In Example 1, the bonding rate after repeating the cooling / heating cycle (-45 ° C to 125 ° C) 2000 times showed a very low value of 50.6%. This is because the amount of Si and the amount of added element (Li) interposed at the interface were so small that the molten metal region could not be sufficiently formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate.

고착층의 Si 량이 1.2 ㎎/㎠ (두께 환산 5.15 ㎛), 및 첨가 원소 (Zn) 의 고착량이 1.2 ㎎/㎠ (두께 환산 1.68 ㎛), 첨가 원소 (Ge) 의 고착량이 2.4 ㎎/㎠ (두께 환산 4.51 ㎛), 첨가 원소 (Ag) 의 고착량이 5.3 ㎎/㎠ (두께 환산 5.05 ㎛) 로 되고, 고착량의 합계가 10.1 ㎎/㎠ 로 된 비교예 2 에서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 63.8 ％ 였다. 이것은, Si 및 첨가 원소 (Zn, Ge, Ag) 의 양이 많아 금속판이 지나치게 단단해지고, 냉열 사이클 에 의한 열 응력이 접합 계면에 부하되었기 때문인 것으로 추측된다.The fixing amount of the additive element (Ge) was 2.4 mg / cm 2 (thickness: 1.68 탆), the amount of Si of the fixing layer was 1.2 ㎎ / (In terms of thickness: 4.51 탆) and the added element (Ag) was 5.3 mg / cm 2 (5.05 탆 in thickness), and in the case of Comparative Example 2 in which the sum of the amounts of fixing was 10.1 mg / Lt; 0 > C) was repeated 6300 times. This is presumably because the amounts of Si and the additive elements (Zn, Ge, Ag) are large and the metal plate becomes excessively hard and the thermal stress due to the cooling and heating cycle is loaded on the bonding interface.

이에 대하여, 본 발명예 1 - 63 에 있어서는, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 모두 93 ％ 이상이었다. On the other hand, in Examples 1 to 63 of the present invention, the bonding ratio after repeating the cooling and heating cycle (-45 ° C to 125 ° C) 2000 times was 93% or more.

또한, 고착층의 Si 량이 0.01 ㎎/㎠ (두께 환산 0.043 ㎛), 및 첨가 원소 (Li) 의 고착량이 0.09 ㎎/㎠ (두께 환산 1.68 ㎛) 로 되고, 고착량의 합계가 0.1 ㎎/㎠ 로 된 본 발명예 64 나 고착층의 Si 량이 1.1 ㎎/㎠ (두께 환산 4.72 ㎛), 및 첨가 원소 (Zn) 의 고착량이 1.2 ㎎/㎠ (두께 환산 1.68 ㎛), 첨가 원소 (Ge) 의 고착량이 2.2 ㎎/㎠ (두께 환산 4.13 ㎛), 첨가 원소 (Ag) 의 고착량이 5.1 ㎎/㎠ (두께 환산 4.86 ㎛) 로 되고, 고착량의 합계가 9.6 ㎎/㎠ 로 된 본 발명예 65 에 있어서도, 냉열 사이클 (-45 ℃ - 125 ℃) 을 2000 회 반복한 후의 접합률이 70 ％ 를 초과하였다.The amount of Si in the fixing layer was 0.01 mg / cm 2 (0.043 μm in terms of the thickness) and the amount of fixing of the added element (Li) was 0.09 mg / cm 2 (1.68 μm in terms of the thickness), and the sum of the fixing amounts was 0.1 mg / And the fixing amount of the additive element (Ge) was 1.2 mg / cm 2 (1.68 탆 in terms of the thickness) and the fixing amount of the additive element (Zn) was 1.1 mg / In the case of the present invention 65 in which the fixing amount of 2.2 mg / cm 2 (4.13 탆 in thickness) and the added element (Ag) became 5.1 mg / cm 2 (4.86 탆 in terms of thickness) and the sum of the fixing amounts was 9.6 mg / The bonding ratio after repeating the cooling / heating cycle (-45 ° C - 125 ° C) 2000 times exceeded 70%.

이 결과로부터, 본 발명예에 의하면, Si 및 각종 첨가 원소의 확산에 의해, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있게 되어, 금속판과 세라믹스 기판을 강고하게 접합할 수 있었던 것으로 판단된다.As a result, according to the present invention, the molten metal region can be reliably formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate by diffusion of Si and various added elements, and the metal plate and the ceramics substrate can be firmly bonded .

또한, 본 발명예 1 - 65 에 있어서는, 금속판 중 세라믹스 기판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛) 의 Si 및 각종 첨가 원소의 합계 농도가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 되는 것이 확인되었다. Further, in Inventive Examples 1 to 65, it was confirmed that the total concentration of Si and various kinds of additive elements in the vicinity of the bonding interface of the ceramic substrate (50 탆 from the bonding interface) was within the range of 0.05 mass% to 5 mass% .

1 : 파워 모듈
3 : 반도체 칩 (전자 부품)
10 : 파워 모듈용 기판
11, 111 : 세라믹스 기판
12, 112 : 회로층
13, 113 : 금속층
22, 23, 122, 123 : 금속판
24, 25 : 고착층
26, 27, 126, 127 : 용융 금속 영역
30, 130 : 접합 계면
124A, 125A : Si 층
124B, 125B : 첨가 원소층1: Power module
3: Semiconductor chip (electronic parts)
10: PCB for power module
11, 111: ceramic substrate
12, 112: circuit layer
13, 113: metal layer
22, 23, 122, 123: metal plate
24, 25: Fixing layer
26, 27, 126, 127: molten metal region
30, 130: bonded interface
124A, 125A: Si layer
124B, 125B: an additional element layer

Claims (8)

세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판으로서,
상기 금속판에는, Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si 농도 및 상기 첨가 원소 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있으며,
상기 세라믹스 기판이 AlN 또는 Al2O3 로 구성되어 있고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, Si 농도가 상기 금속판 중의 Si 농도의 5 배 이상으로 된 Si 고농도부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.A substrate for a power module in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
Wherein one or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are dissolved in addition to Si in the metal plate, and in the vicinity of the interface of the metal plate with the ceramics substrate And the added element concentration is set within a range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less,
Characterized in that the ceramic substrate is made of AlN or Al 2 O 3 and a Si high concentration portion in which the Si concentration is 5 times or more the Si concentration of the metal plate is formed on the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate Substrate for power module. 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판으로서,
상기 금속판에는, Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 고용되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Si 농도 및 상기 첨가 원소 농도의 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있으며,
상기 세라믹스 기판이 AlN 또는 Si3N4 로 구성되어 있고, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에, 산소 농도가 상기 금속판 중 및 상기 세라믹스 기판 중의 산소 농도보다 높게 된 산소 고농도부가 형성되어 있고, 그 산소 고농도부의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.A substrate for a power module in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate,
Wherein one or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are dissolved in addition to Si in the metal plate, and in the vicinity of the interface of the metal plate with the ceramics substrate And the added element concentration is set within a range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less,
Wherein the ceramic substrate is made of AlN or Si 3 N 4 and an oxygen high concentration portion in which the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and the ceramics substrate is formed on a bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate, Wherein a thickness of the oxygen high-concentration portion is 4 nm or less. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비한 것을 특징으로 하는 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판.A substrate for a power module with a heat sink, comprising the substrate for a power module according to claim 1 or 2 and a heat sink for cooling the substrate for the power module. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 그 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈. A power module comprising the substrate for a power module according to claim 1 or 2 and an electronic part mounted on the substrate for the power module. 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Si 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Si 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과,
상기 고착층을 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층하는 적층 공정과,
적층된 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 적층 방향으로 가압함과 함께 가열하여, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 형성하는 가열 공정과,
이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판을 접합하는 응고 공정을 갖고,
상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, Si 및 상기 첨가 원소를 0.1 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고,
상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 원소를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하고,
상기 응고 공정에 있어서, 상기 용융 금속 영역이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지하고, 상기 용융 금속 영역 중의 Si 및 상기 첨가 원소를 추가로 상기 금속판측으로 확산시킴으로써, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 용융 금속 영역의 응고를 진행시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.A manufacturing method of a substrate for a power module in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to a surface of a ceramic substrate,
One or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are bonded to at least one of the bonding surface of the ceramics substrate and the bonding surface of the metal plate, A fixing step of forming a fixing layer containing Si and the added element,
A lamination step of laminating the ceramics substrate and the metal plate with the fixing layer interposed therebetween;
A heating step of pressing and heating the laminated ceramic substrate and the metal plate in a lamination direction to form a molten metal region at an interface between the ceramics substrate and the metal plate,
And a solidifying step of solidifying the molten metal region to bond the ceramics substrate and the metal plate,
In the fixing step, Si and the additional element are interposed between the ceramic substrate and the metal plate in a range of 0.1 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2,
The molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing the elements of the fixation layer toward the metal plate in the heating step,
In the solidifying step, the temperature is maintained constant while the molten metal region is formed, and Si and the additive element in the molten metal region are further diffused toward the metal plate, whereby the molten metal And the solidification of the metal region is promoted. 제 5 항에 있어서,
상기 고착 공정에서는, Si 및 상기 첨가 원소와 함께, Al 을 고착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법. 6. The method of claim 5,
Wherein in the fixing step, Al is fixed together with Si and the added element. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 고착 공정은, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Si 와, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.The method according to claim 5 or 6,
The fixing step may be performed by applying at least one of a bonding surface of the ceramics substrate and a bonding surface of the metal plate by applying a paste, an evaporation, a CVD, a sputtering, a cold spray, , Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li is adhered to the substrate. 삭제delete
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