KR20120021153A - 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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KR20120021153A KR1020110019478A KR20110019478A KR20120021153A KR 20120021153 A KR20120021153 A KR 20120021153A KR 1020110019478 A KR1020110019478 A KR 1020110019478A KR 20110019478 A KR20110019478 A KR 20110019478A KR 20120021153 A KR20120021153 A KR 20120021153A
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Abstract

PURPOSE: A substrate for a power module and a substrate for a heat sink attachment power module and a manufacturing method thereof are provided to prevent the cracking of a ceramics substrate by absorbing thermal stress in a metal plate. CONSTITUTION: Metal plates(12,13) consisting of aluminum are laminated on the surface of a ceramics substrate(11). The width of the ceramics substrate is widely set than the width of the metal plate. A copper extraction part is formed in the edge part of a width direction of the metal plate. Silicon and copper are added to the metal plate. An addition element is selected among Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li. The concentration sum of the silicon, the copper, and the addition element at around the interface with the ceramics substrate is established within range of 0.05wt%-5wt%.

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}SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE EQUIPTTED WITH HEAT SINK, POWER MODULE, AND MANUFACTURING METHOD OF SUBSTRATE FOR POWER MODULE}

이 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.The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device for controlling a large current and a high voltage, a power module substrate with a heat sink, a power module having the power module substrate, and a method for manufacturing the power module 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.Since the power element for power supply among the semiconductor elements has a relatively high heat generation amount, as the substrate on which this is mounted, for example, as shown in Patent Literature 1, the Al (aluminum) on the ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) A power module substrate is used in which a metal plate is joined via a solder material.

또한, 이 금속판은 회로층으로서 형성되고, 그 금속판 상에는 땜납재를 개재하여 파워 소자 (반도체 소자) 가 탑재된다.Moreover, this metal plate is formed as a circuit layer, and a power element (semiconductor element) is mounted on the metal plate via a soldering material.

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.In addition, a metal plate such as Al is bonded to the lower surface of the ceramic substrate for heat dissipation to form a metal layer, and an entire power module substrate is joined to the heat dissipation plate via the 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. Moreover, as a means of forming a circuit layer, in addition to the method of forming a circuit pattern in this metal plate after joining a metal plate to a ceramic substrate, for example, as disclosed in patent document 2, the metal piece previously formed in the circuit pattern shape To a ceramic substrate has been proposed.

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.Here, in order to acquire the favorable bonding strength of the said circuit layer and the metal plate as the said metal layer, and a ceramic substrate, the following patent document 3 discloses the technique which made the surface roughness of a ceramic substrate less than 0.5 micrometer, for example.

일본 공개특허공보 2003-086744호Japanese Laid-Open Patent Publication 2003-086744 일본 공개특허공보 2008-311294호Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-311294 일본 공개특허공보 평3-234045호Japanese Patent 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 joining a metal plate to a ceramic board | substrate, even if it simply reduces the surface roughness of a ceramic board | substrate, there exists a problem that a sufficiently high joining strength is not obtained and reliability improvement cannot be aimed at. For example, it can be seen that even when the surface of the ceramic substrate is subjected to a honing treatment with Al 2 O 3 particles in a dry manner, even if the surface roughness is Ra = 0.2 µm, interfacial peeling may occur in the peeling test. there was. Moreover, even if surface roughness was set to Ra = 0.1 micrometer or less by the grinding | polishing method, the interface peeling may arise similarly.

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. In particular, in recent years, while miniaturization and thinning of power modules have progressed, their use environments have also become strict, and the amount of heat generated from electronic components such as semiconductor elements to be mounted tends to be large. It is necessary to form the arrangement. In this case, since the power module substrate is constrained by the heat dissipation plate, a large shear force acts on the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate during thermal cycle load, thereby improving the bonding strength and improving the reliability between the ceramic substrate and the metal plate more than before. Improvement is required.

이 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.This invention is made | formed in view of the above-mentioned situation, Comprising: A metal module and a ceramic board are reliably joined, The power module board with a high thermal cycling reliability, the power module board with a heat sink, and this power module board are provided. And it aims at providing the manufacturing method of this board | substrate for power modules.

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, Cu 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 Cu 농도 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 such a problem and achieve the above object, the power module substrate of the present invention is a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to a surface of a ceramic substrate, wherein the metal plate is added to Cu. One or two or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved, and the Cu concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the metal plate And the sum total of the said addition element concentration is set in the range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less, It is characterized by the above-mentioned.

이 구성의 파워 모듈용 기판에 있어서는, 상기 금속판에 Cu 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 power module substrate of this structure, in addition to Cu, one or two or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved. The joining interface side portion becomes the solid solution strengthened. Thereby, breaking at a metal plate part can be prevented and joining reliability can be improved.

여기서, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Cu 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 Cu 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, since the sum total of the density | concentration of Cu and the said additional element in the interface vicinity with the said ceramic substrate among the said metal plates is 0.05 mass% or more, solid solution strengthening of the joining interface side part of a metal plate can be carried out. Moreover, since the sum total of the density | concentration of Cu and the said additional element in the interface vicinity with the said ceramic substrate among the said metal plates is 5 mass% or less, the intensity | strength of the joining interface of a metal plate can be prevented from becoming excessively high, and this When a cold heat cycle is loaded on the power module substrate, thermal stress can be absorbed by the metal plate, thereby preventing the ceramic substrate from cracking and the like.

또한, 상기 세라믹스 기판의 폭이 상기 금속판의 폭보다 넓게 설정되고, 상기 금속판의 폭 방향 단부(端部)에, Cu 를 함유하는 화합물이 알루미늄 중에 석출된 Cu 석출부가 형성된 구성을 채용하는 것이 바람직하다.Moreover, it is preferable to employ | adopt the structure in which the width | variety of the said ceramic substrate is set wider than the width | variety of the said metal plate, and the Cu precipitation part in which the compound containing Cu precipitated in aluminum was formed in the width direction edge part of the said metal plate. .

이 경우, 금속판의 폭 방향 단부에 Cu 석출부가 형성되어 있기 때문에, 금속판의 폭 방향 단부를 석출 강화시킬 수 있게 된다. 이로써, 금속판의 폭 방향 단부로부터의 파단의 발생을 방지할 수 있고, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In this case, since the Cu precipitation part is formed in the width direction edge part of a metal plate, precipitation strengthening of the width direction edge part of a metal plate can be carried out. Thereby, generation | occurrence | production of the fracture | rupture from the width direction edge part of a metal plate can be prevented, and joining reliability can be improved.

여기서, 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. Here, the ceramic substrate is composed of AlN or Si 3 N 4 , and at the junction interface between the metal plate and the ceramic substrate, a high oxygen concentration portion having an oxygen concentration higher than the oxygen concentration in the metal plate and in the ceramic substrate is formed. 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 a high oxygen concentration portion is formed at the junction interface between the ceramic substrate made of AlN or Si 3 N 4 and the metal plate made of aluminum, the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plate and in the ceramic substrate. the bond strength of the metal plate composed of a ceramic substrate and an aluminum made of AlN or Si 3 N 4 is improved by the presence of oxygen. In addition, since the thickness of the high oxygen concentration portion is 4 nm or less, the occurrence of cracks in the high oxygen concentration portion is suppressed by the stress when the heat cycle is loaded.

또한, 여기서 금속판 중 및 세라믹스 기판 중의 산소 농도란, 금속판 및 세라믹스 기판 중 접합 계면으로부터 일정 거리 (예를 들어 50 ㎚ 이상) 떨어진 부분에 있어서의 산소 농도이다.In addition, the oxygen concentration in a metal plate and a ceramic substrate is an oxygen concentration in the metal plate and the ceramic substrate in the part separated by a fixed distance (for example, 50 nm or more) from the joining interface here.

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 power module substrate with a heat sink of the present invention includes the power module substrate described above and a heat sink for cooling the power module substrate.

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 power module substrate with a heat sink of this structure, since the heat sink which cools the power module substrate is provided, the heat which generate | occur | produced in the power module substrate can be cooled efficiently by a 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 includes the above-described power module substrate and an electronic component mounted on the power module substrate.

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 of this structure, the bonding strength of a ceramic substrate and a metal plate is high, and even if the use environment is severe, the reliability can be improved remarkably.

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, Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Cu 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, Cu 및 상기 첨가 원소를 0.1 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고, 상기 가열 공정에 있어서, 상기 고착층의 Cu 및 상기 첨가 원소를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.The manufacturing method of the power module board | substrate of this invention is a manufacturing method of the power module board | substrate with which the metal plate which consists of aluminum is laminated | stacked and bonded to the surface of a ceramic substrate, Comprising: At least the joining surface of the said ceramic substrate and the joining surface of the said metal plate. One or two or more kinds of additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li, in addition to Cu, are fixed to each other to form a fixing layer containing Cu and the additive elements. A laminating step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via the fixing layer, pressing the laminated ceramic substrate and the metal plate in a lamination direction, and heating the substrate to the interface between the ceramic substrate and the metal plate. A heating step of forming a molten metal region and a solidification hole for joining the ceramic substrate and the metal plate by solidifying the molten metal region. In the fixing step, Cu and the additional element are interposed in a range of 0.1 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less at the interface between the ceramic substrate and the metal plate, and in the heating step, The molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing Cu of the fixing layer and the additive element toward the metal plate side.

이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의하면, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Cu 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정을 구비하고 있기 때문에, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에는, Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소가 개재되게 된다. 여기서, Cu, 및 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. 또한 Cu 는, Al 에 대하여 반응성이 높은 원소이기 때문에, 접합 계면 근방에 Cu 가 존재함으로써 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 표면이 활성화되게 된다.According to the manufacturing method of the power module board | substrate of this structure, it selects from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li in addition to Cu in at least one of the bonding surface of the said ceramic substrate and the bonding surface of the said metal plate. In addition to Cu, in the bonding interface of the said metal plate and the said ceramic board | substrate, since it is equipped with the fixing process which adhere | attaches the 1 type, or 2 or more types of additional element used, and forms the adhesion layer containing Cu and the said additional element, One or two or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li are interposed. Here, Cu, and elements such as Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are elements that lower the melting point of aluminum, thus forming molten metal regions at the interface between the metal plate and the ceramic substrate under relatively low temperature conditions. can do. Since Cu is an element having high reactivity with Al, the presence of Cu in the vicinity of the bonding interface activates the surface of the metal plate made of aluminum.

따라서, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합해도, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합할 수 있게 된다.Therefore, even when bonding on the comparatively low temperature and short time bonding conditions, a ceramic substrate and a metal plate can be joined firmly.

또한 가열 공정에 있어서, 고착층의 Cu 와 상기 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. Further, in the heating step, the molten metal region is formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing Cu of the adhesion layer and the additive element to the metal plate side, and the molten metal region is solidified, thereby forming the metal plate and the Since it is set as the structure which joins a ceramic substrate, it is not necessary to use a solder material foil etc., and can manufacture the power module board | substrate which the metal plate and the ceramic substrate reliably joined at low cost.

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. Thus, since the ceramic substrate and the metal plate can be joined without using the solder material foil, there is no need to perform the alignment work of the solder material foil, and, for example, a metal piece formed in a circuit pattern shape in advance Even when joining to a ceramic substrate, trouble by positional deviation etc. can be prevented beforehand.

또한 상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 Cu 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. In addition, in the fixing step, the amount of Cu and the additive element interposed between the ceramic substrate and the metal plate is set to 0.1 mg / cm 2 or more, so that the molten metal region is reliably provided at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. It can form, and it can firmly join a ceramic substrate and a metal plate.

또한, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 Cu 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, Cu 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.In addition, since the adhesion amount of Cu and the additional element interposed between the ceramic substrate and the metal plate is set to 10 mg / cm 2 or less, cracks can be prevented from occurring in the fixing layer, and the ceramic substrate and the metal plate The molten metal region can be reliably formed at the interface. In addition, it is possible to prevent Cu and the additional element from excessively diffusing to the metal plate side, thereby increasing the strength of the metal plate near the interface excessively. Therefore, when a cold heat cycle is loaded on the power module substrate, thermal stress can be absorbed by the metal plate, thereby preventing the ceramic substrate from cracking or the like.

또한 상기 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에, Cu 및 상기 첨가 원소를 0.1 ㎎/㎠ 이상 10 ㎎/㎠ 이하의 범위 내에서 개재시키고 있기 때문에, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에 있어서의 Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 3 질량％ 이하의 범위 내로 된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.In the fixing step, Cu and the additional element are interposed in an interface between the ceramic substrate and the metal plate within a range of 0.1 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less. The board | substrate for power modules in which the sum total of the density | concentration of Cu and the said addition element in the interface vicinity was in the range of 0.05 mass% or more and 3 mass% or less can be manufactured.

게다가, 금속판 및 세라믹스 기판에 직접 고착층을 형성하고 있기 때문에, 산화 피막은, 금속판의 표면에만 형성되게 되어, 금속판 및 세라믹스 기판의 계면에 존재하는 산화 피막의 합계 두께가 얇아지므로, 초기 접합의 수율이 향상된다.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, and the total thickness of the oxide film present at the interface between the metal plate and the ceramic substrate becomes thin, so that the yield of initial bonding This is improved.

또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 직접 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 구성으로 하고 있지만, 생산성의 관점에서, 금속판의 접합면에 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 것이 바람직하다. 세라믹스 기판의 접합면에 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 경우, 한 장마다의 세라믹스 기판에 각각 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜야 한다. 반면, 금속판의 접합면에 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 경우에는, 롤 형상으로 감긴 장척의 금속조에 대하여, 그 일단부터 타단까지 연속적으로 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시킬 수 있게 되어 생산성이 우수하다.Moreover, although it is set as the structure which directly adheres Cu and the said additional element to at least one of the bonding surface of the said ceramic substrate and the bonding surface of the said metal plate, from a viewpoint of productivity, Cu and the said additional element are fixed to the bonding surface of a metal plate. It is preferable. When Cu and the additional element are fixed to the bonding surface of the ceramic substrate, Cu and the additional element must be fixed to the ceramic substrate for each sheet. On the other hand, in the case where Cu and the additional element are fixed to the joining surface of the metal plate, Cu and the additional element can be continuously fixed from one end to the other end of the long metal bath wound in a roll shape, thereby providing excellent productivity. .

또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Cu 및 상기 첨가 원소를 각각 단독으로 고착시켜 Cu 층 및 첨가 원소층을 형성해도 된다. 혹은, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Cu 및 상기 첨가 원소를 동시에 고착시켜 Cu 와 상기 첨가 원소의 고착층을 형성해도 된다. Moreover, you may fix Cu and the said additional element independently to at least one of the joint surface of the said ceramic substrate, and the joint surface of the said metal plate, respectively, and may form a Cu layer and an additional element layer. Alternatively, Cu and the additive element may be simultaneously fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate to form a fixing layer of Cu and the additive element.

여기서, 상기 고착 공정에서는, Cu 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키는 구성으로 하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable to set it as the structure which adhere | attaches Al with Cu and the said addition element in the said fixing process.

이 경우, Cu 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, Cu 및 상기 첨가 원소와 함께 Al 을 고착시키려면, Cu 및 상기 첨가 원소와 Al 을 동시에 증착시켜도 되고, Cu 및 상기 첨가 원소와 Al 의 합금을 타깃으로 하여 스퍼터링해도 된다. 또한, Cu 및 첨가 원소와 Al 을 적층해도 된다.In this case, since Al is fixed together with Cu and the said addition element, the adhesion layer formed will contain Al, and in a heating process, this adhesion layer will melt preferentially and can form a molten metal area reliably. Thus, the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded. In addition, oxidation of oxidatively active elements such as Mg, Ca, and Li can be prevented. In addition, in order to fix Al together with Cu and the said addition element, Cu and the said addition element and Al may be vapor-deposited simultaneously, and you may sputter | spatter Cu and the alloy of the said addition element and Al as a target. In addition, Cu and additional elements 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, Cu 와, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시키는 것으로 하는 것이 바람직하다. In addition, the fixing step may be performed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or coating of paste or ink in which powder is dispersed, to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate. And one or two or more additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are preferably fixed.

이 경우, 도금, 증착, CVD, 스퍼터링, 콜드 스프레이, 또는 분말이 분산되어 있는 페이스트 및 잉크 등의 도포에 의해, Cu 및 상기 첨가 원소가 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 확실하게 고착되므로, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 Cu 및 상기 첨가 원소를 확실하게 개재시킬 수 있게 된다. 또한, Cu 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, at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate is formed by the Cu and the additive element by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of a paste or ink in which powder is dispersed. Since it adheres reliably to Cu, Cu and the said additional element can be interposed reliably at the bonding interface of a ceramic substrate and a metal plate. In addition, the fixation amount of Cu and the additive element can be adjusted with good accuracy, the molten metal region can be reliably formed, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly joined.

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, a metal plate and a ceramic substrate are reliably bonded to each other, and a power module substrate having a high thermal cycle reliability, a power module substrate with a heat sink, a power module including the power module substrate, and a power module substrate It is possible to provide a manufacturing method.

도 1 은, 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판을 사용한 파워 모듈의 개략 설명도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층의 Cu 농도 및 첨가 원소 농도를 나타내는 설명도이다.
도 3 은, 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판의 회로층 및 금속층 (금속판) 과 세라믹스 기판의 접합 계면의 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 5 는, 본 발명의 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 다른 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 플로우도이다.
도 8 은, 본 발명의 다른 실시형태인 파워 모듈용 기판의 제조 방법을 나타내는 설명도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board for power modules which is embodiment of this invention.
2 is an explanatory diagram showing the Cu concentration and the additive element concentration of the circuit layer and the metal layer of the power module substrate according to the embodiment of the present invention.
It is a schematic diagram of the bonding interface of the circuit layer, the metal layer (metal plate), and the ceramic substrate of the power module substrate which are embodiment of this invention.
4 is a flowchart showing a method of manufacturing a power module substrate according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5: is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention.
FIG. 6: is explanatory drawing which shows the vicinity of the bonding interface of the metal plate and ceramic substrate in FIG.
7 is a flowchart showing a method of manufacturing a power module substrate according to another embodiment of the present invention.
8 is an explanatory diagram showing a method for manufacturing a power module substrate according to another embodiment of the present invention.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 도 1 에 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판, 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타낸다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, embodiment of this invention is described with reference to attached drawing. 1 shows a power module substrate, a heat sink substrate and a power module according to an 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 having a circuit layer 12 disposed thereon, a semiconductor chip 3 bonded to a surface of the circuit layer 12 with a solder layer 2 interposed therebetween, The heat sink 4 is provided. Here, the solder layer 2 is a solder material of Sn-Ag system, Sn-In system, or Sn-Ag-Cu system, for example. In this 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. The power module substrate 10 includes the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 formed on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 1), and the other of the ceramic substrate 11. The metal layer 13 arrange | positioned at the surface (lower surface in FIG. 1) of this is provided.

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 폭 (도 1 에 있어서의 좌우 방향 길이) 은, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 폭보다 넓게 설정되어 있다.The ceramic substrate 11 prevents the electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is comprised from AlN (aluminum nitride) with high insulation. In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is 0.2? It is set in the range of 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in this embodiment. In addition, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the width | variety (left-right direction length in FIG. 1) of the ceramic substrate 11 is set wider than the width | variety of the circuit layer 12 and the metal layer 13. As shown in FIG.

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 joining a conductive metal plate 22 to one surface of the ceramic substrate 11. In this embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining the ceramic substrate 11 with the metal plate 22 which consists of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) whose purity is 99.99% or more.

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. As shown in FIG. 5, the metal layer 13 is formed by joining the metal plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11. In this embodiment, the metal layer 13 is joined to the ceramic substrate 11 by the metal plate 23 which consists of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) of purity 99.99% or more similarly to the circuit layer 12. Formed.

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 power module substrate 10 described above, and allows the top plate portion 5 to be joined to the power module substrate 10 and a cooling medium (for example, cooling water) to flow through. The flow path 6 for this is provided. It is preferable that the heat sink 4 (top plate part 5) is comprised with the material with favorable thermal conductivity, and is comprised by A6063 (aluminum alloy) in this embodiment.

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.In the present embodiment, between the top plate portion 5 of the heat sink 4 and the metal layer 13, the buffer layer 15 made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite containing aluminum (for example, AlSiC) is provided. Formed.

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 Cu 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 Cu 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 Cu 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.And as shown in FIG. 2, in the width direction center part of the bonding interface 30 of the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23), 1 or 2 or more types selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li in addition to Cu in the circuit layer 12 (metal plate 22) and metal layer 13 (metal plate 23). Additional elements are dissolved. In the vicinity of the junction interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13, the concentration gradient layer 33 which gradually reduces Cu concentration and the concentration of the said additional element as it separates from the junction interface 30 to a lamination direction is provided. Formed. Here, the total of the concentrations of Cu and the above-mentioned additional elements in the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 (in the vicinity of the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13) is 0.05% by mass or more 5 It is set in the range of the mass% or less.

또한, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 접합 계면 (30) 근방의 Cu 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. In addition, the concentration of Cu in the vicinity of the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the additive element is a position of 50 μm from the bonding interface 30 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). Is the average value of five points measured. In addition, the graph of FIG. 2 performs line analysis in the lamination direction in the center part of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), and is performed at the 50 micrometer position mentioned above. It is calculated based on the concentration of.

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, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 1 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.Here, in this embodiment, Ge is used as an additional element, 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 Cu concentration is 0.05. It is set in the range of mass% or more and 1 mass% or less.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 의 폭 방향 단부에 있어서는, 알루미늄의 모상(母相) 중에 Cu 를 함유하는 화합물이 석출된 Cu 석출부 (35) 가 형성되어 있다. 여기서, 이 Cu 석출부 (35) 에 있어서의 Cu 농도는 0.5 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있고, 알루미늄 중의 고용량을 대폭 초과하는 Cu 가 함유되어 있다. Moreover, at the edge part of the width direction of the bonding interface 30 of the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23), it is a matrix phase of aluminum. The Cu precipitation part 35 in which the compound containing Cu precipitated is formed in the inside. Here, Cu density | concentration in this Cu precipitation part 35 is set in the range of 0.5 mass% or more and 5.0 mass% or less, and Cu containing much exceeding the high capacity in aluminum is contained.

또한, Cu 석출부 (35) 의 Cu 농도는, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해 5 점 측정한 평균값이다.In addition, Cu density | concentration of Cu precipitation part 35 is the average value measured 5 points by EPMA analysis (spot diameter of 30 micrometers).

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 산소가 농축된 산소 고농도부 (32) 가 형성되어 있다. 이 산소 고농도부 (32) 에 있어서는, 산소 농도가 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 중의 산소 농도보다 높게 되어 있다. 또한, 이 산소 고농도부 (32) 의 두께 (H) 는 4 ㎚ 이하로 되어 있다.In addition, when the bonding interface 30 of the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) is observed in the transmission electron microscope, it is shown in FIG. As shown, the oxygen high concentration part 32 in which oxygen was concentrated is formed in the bonding interface 30. In this oxygen high concentration part 32, the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). In addition, the thickness H of this oxygen high concentration part 32 is set to 4 nm or less.

또한, 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 단부와 세라믹스 기판 (11) 의 격자 이미지의 접합 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다.In addition, as shown in FIG. 3, the bonding interface 30 observed here is an interface side edge part and ceramics of the grating image of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). The center between the edges of the bonding interface side of the grating image of the substrate 11 is referred to as the reference plane S.

이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대하여 도 4 내지 도 6 을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the power module board | substrate 10 of the structure mentioned above is demonstrated with reference to FIGS.

(고착 공정 (S1))(Fixing step (S1))

먼저, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 의 각각의 접합면에, 스퍼터링에 의해, Cu 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 to FIG. 5 and FIG. 6, 1 type chosen from Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li by sputtering to each joining surface of the metal plates 22 and 23. FIG. Alternatively, two or more kinds of 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 Cu 량은 0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하, Ge 량은 0.002 ㎎/㎠ 이상 2.5 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.Here, in this embodiment, Ge is used as an addition element, Cu amount in the fixing layers 24 and 25 is 0.08 mg / cm <2> or more and 2.7 mg / cm <2> or less, Ge amount is 0.002 mg / cm <2> or more and 2.5 mg / Cm 2 or less.

(적층 공정 (S2))(Lamination Process (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) (Cu 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 surface side of the ceramic substrate 11, and the metal plate 23 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 11. At this time, as shown to FIG. 5 and FIG. 6, the surface in which the fixing layers 24 and 25 were formed among the metal plates 22 and 23 is laminated | stacked so that the ceramic substrate 11 may be faced. That is, the fixing layers 24 and 25 (Cu and the said addition element) are interposed between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. In this way, the laminated body 20 is formed.

(가열 공정 (S3))(Heating process (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 Cu 및 상기 첨가 원소가 금속판 (22, 23) 측으로 확산됨으로써, 금속판 (22, 23) 의 고착층 (24, 25) 근방의 Cu 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 and heated in a vacuum heating furnace in a state of being pressed (pressure 1 to 35 kgf / cm 2) in the lamination direction, as shown in FIG. 6. The molten metal regions 26 and 27 are formed at the interface between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. As shown in FIG. 6, in the molten metal regions 26 and 27, Cu and the additive elements of the fixing layers 24 and 25 are diffused to the metal plates 22 and 23 to fix the metal plates 22 and 23. The Cu concentration in the vicinity of the layers 24 and 25 and the concentration of the additive element (Ge concentration in the present embodiment) rise to form the lower melting point. In addition, when the pressure mentioned above is less than 1 kgf / cm <2>, there exists a possibility that the bonding of the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 may not be able to be performed favorably. In addition, when the pressure mentioned above exceeds 35 kgf / cm <2>, there exists a possibility that the metal plates 22 and 23 may deform | transform. Therefore, the pressurization pressure mentioned above is 1? It is preferable to carry out in the range of 35 kgf / cm <2>.

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

(응고 공정 (S4))(Solidification process (S4))

다음으로, 용융 금속 영역 (26, 27) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지시켜 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 (26, 27) 중의 Cu 및 첨가 원소 (본 실시형태에서는 Ge) 가 더욱 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 가게 된다. 이로써, 용융 금속 영역 (26, 27) 이었던 부분의 Cu 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 in the state where the molten metal regions 26 and 27 are formed. Then, Cu and the additional element (Ge in this embodiment) in the molten metal regions 26 and 27 are further diffused to the metal plates 22 and 23 side. As a result, the Cu concentration and the concentration of the additional element (Ge concentration in the present embodiment) of the portions that were the molten metal regions 26 and 27 gradually decrease, the melting point increases, and solidification is performed in a state where the temperature is kept constant. It goes ahead. In short, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are bonded by what is called a liquid liquid phase difference bonding. In this way, after solidification advances, it cools to normal 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 way, the metal plates 22 and 23 serving as the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 are bonded together, and the power module substrate 10 of this embodiment is manufactured.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 파워 모듈 (1) 에 있어서는, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 Cu 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, Cu 및 상기 첨가 원소가 개재되게 된다. 여기서 Cu 는, Al 에 대하여 반응성이 높은 원소이기 때문에, 접합 계면 (30) 에 Cu 가 존재함으로써 알루미늄으로 이루어지는 금속판 (22, 23) 의 표면이 활성화되게 된다. 따라서, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합할 수 있게 된다.In the power module substrate 10 and the power module 1 of the present embodiment having the above configuration, Cu and the additive element (Ge in the present embodiment) are fixed to the joining surfaces of the metal plates 22 and 23. Since the fixing process S1 is carried out, the bonding interface 30 between the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 is interposed with Cu and the additive element. Since Cu is an element highly reactive with Al, Cu exists in the joining interface 30, and the surface of the metal plates 22 and 23 which consist of aluminum is activated. Therefore, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be joined firmly.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 이, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 형성된 Cu 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층 (24, 25) 의 Cu 및 상기 첨가 원소를 금속판 (22, 23) 측으로 확산시킴으로써 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성하고, 이 용융 금속 영역 (26, 27) 중의 Cu 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. 특히, Cu, 그리고 Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 와 같은 원소는 알루미늄의 융점을 강하시키는 것이기 때문에, 저온 조건에서의 접합이 가능해진다.In addition, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23) contain Cu formed on the joining surfaces of the metal plates 22, 23 and the additive element. The molten metal regions 26 and 27 are formed by diffusing Cu of the fixing layers 24 and 25 and the additive elements to the metal plates 22 and 23, and the Cu and the addition in the molten metal regions 26 and 27. Since the elements are solidified and bonded by diffusing the elements onto the metal plates 22 and 23, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly joined even when they are joined under relatively low temperature and short time bonding conditions. In particular, Cu and elements such as Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li lower the melting point of aluminum, so that joining can be performed at low temperature.

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 Cu 및 상기 첨가 원소가 고용되어 있고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 각각의 접합 계면 (30) 측의 Cu 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, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 1 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. Moreover, in the width direction center part of the bonding interface 30 of the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 (metal plate 22), and the metal layer 13 (metal plate 23), the circuit layer 12 (metal plate) (22)) and Cu and the said addition element are solid-dissolved in the metal layer 13 (metal plate 23), Cu and the said addition on the each bonding interface 30 side of the circuit layer 12 and the metal layer 13 are mentioned. The sum total of concentration of an element is set in the range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less, In this embodiment, Ge is used as an additional element, and the bonding interface 30 of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is carried out. Since the Ge concentration in the vicinity is set within the range of 0.05 mass% or more and 1 mass% or less and the Cu concentration is 0.05 mass% or more and 1 mass% or less, the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 ( The portion on the bonding interface 30 side of the metal plate 23 is solid-dissolved to the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23). The occurrence of cracks can be prevented Come on.

또한, 가열 공정 (S3) 에 있어서 Cu 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 heating process S3, Cu and the said additional element are fully spread | diffused to the metal plate 22, 23 side, and the metal plate 22, 23 and the ceramic substrate 11 are firmly joined.

또한 본 실시형태에서는, 세라믹스 기판 (11) 이 AlN 으로 구성되어 있고, 회로층 (12) 및 금속층 (13) 이 되는 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에, 산소 농도가 회로층 (12) 및 금속층 (13) 을 구성하는 금속판 (22, 23) 중의 산소 농도보다 높게 된 산소 고농도부 (32) 가 생성되어 있기 때문에, 이 산소에 의해 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 접합 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 이 산소 고농도부 (32) 의 두께가 4 ㎚ 이하로 되어 있기 때문에, 열 사이클을 부하하였을 때의 응력에 의해 산소 고농도부 (32) 에 크랙이 발생하는 것이 억제된다. In the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of AlN, and the bonding interfaces 30 of the ceramic plates 11 and the metal plates 22 and 23 serving as the circuit layer 12 and the metal layer 13 are provided. Since the oxygen high concentration part 32 whose oxygen concentration became higher than the oxygen concentration in the metal plates 22 and 23 which comprise the circuit layer 12 and the metal layer 13 is produced | generated, this oxygen and the ceramic substrate 11 The joining strength of the metal plates 22 and 23 can be improved. In addition, since the thickness of the high oxygen concentration portion 32 is 4 nm or less, generation of cracks in the high oxygen concentration portion 32 is suppressed by the stress when the heat cycle is loaded.

또한, 금속판의 접합면에 Cu 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 Cu 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 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 addition, a bonding step (S1) of fixing Cu and the additive element to form the fixing layers (24, 25) by bonding Cu to the joining surface of the metal plate, and in the heating step (S3), the fixing layers (24, 25) Since the Cu and the addition element are diffused to the metal plates 22 and 23 side, the molten metal regions 26 and 27 are formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, It is not necessary to use a solder material foil, which is difficult, and at low cost, the power module substrate 10 in which the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are reliably bonded can be manufactured.

또한 본 실시형태에서는, 고착 공정 (S1) 에 있어서, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 개재되는 Cu 량 및 Ge 량을, Cu；0.08 ㎎/㎠ 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.In the present embodiment, in the fixing step (S1), the amount of Cu and the amount of Ge which are interposed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are Cu; 0.08 mg / cm 2 or more and Ge; 0.002 mg. / Cm 2 or more, the molten metal regions 26 and 27 can be reliably formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23, and the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be reliably formed. ) Can be joined firmly.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 개재되는 Cu 량 및 Ge 량을, Cu；2.7 ㎎/㎠ 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, Cu 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.In addition, since the amount of Cu and the amount of Ge which are interposed between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are set to Cu; 2.7 mg / cm 2 or less and Ge; 2.5 mg / cm 2 or less, the fixing layer 24 , 25 can be prevented from occurring, and the molten metal regions 26 and 27 can be reliably formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23. In addition, it is possible to prevent Cu and the additional element from excessively diffusing to the metal plates 22 and 23 side, thereby increasing the strength of the metal plates 22 and 23 near the interface excessively. Therefore, when a cold heat cycle is loaded on the power module substrate 10, the thermal stress can be absorbed by the circuit layer 12 and the metal layer 13 (metal plates 22 and 23), so that the ceramic substrate 11 Cracks 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.In addition, since the fixing layers 24 and 25 are formed directly on the joining surfaces of the metal plates 22 and 23 without using the solder material foil, it is not necessary to perform the alignment work of the solder material foil and so on. The ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be joined. Therefore, this power module substrate 10 can be produced efficiently.

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.Moreover, since the fixing layers 24 and 25 are formed in the joining surface of the metal plates 22 and 23, the oxide film interposed in the interface of the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 is a metal plate 22, Since it exists only in the surface of 23), the yield of initial joining can be improved.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있다.As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate 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, although it demonstrated that the metal plate which comprises a circuit layer and a metal layer was made into the rolled plate of pure aluminum of purity 99.99%, it is not limited to this, Aluminum (2N aluminum) of purity 99% may be sufficient.

또한 고착 공정에 있어서, 금속판의 접합면에 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시키는 구성으로 한 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 세라믹스 기판의 접합면에 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 되고, 세라믹스 기판의 접합면 및 금속판의 접합면에 각각 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 된다.In addition, although it demonstrated as what was set as the structure which adheres Cu and the said additional element to the joining surface of a metal plate in a sticking process, it is not limited to this, You may fix Cu and the said additional element to the joining surface of a ceramic substrate, Cu and the additional element may be fixed to the bonding surface of the substrate and the bonding surface of the metal plate, respectively.

또한 고착 공정에 있어서, 스퍼터에 의해 Cu 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 Cu 및 상기 첨가 원소를 고착시켜도 된다. In addition, in the fixing step, it has been explained that the Cu and the additive element are fixed by sputtering. However, the present invention is not limited to this, and is applicable to coating, paste, ink, etc. in which plating, vapor deposition, CVD, cold spray, or powder are dispersed. You may fix Cu and the said additional element by this.

또한, Cu 와 상기 첨가 원소를 고착시켜, Cu 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 도 7 및 도 8 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 의 접합면 또는 금속판 (123, 124) 의 접합면의 적어도 일방에, Cu 층 (124A, 125A) 과, 첨가 원소층 (124B, 125B) 을 각각 형성해도 된다. 즉, 고착 공정 (S1) 이, Cu 고착 공정 (S10) 과 첨가 원소 고착 공정 (S11) 으로 분리되어 있어도 되는 것이다. 또한, 첨가 원소 고착 공정 후에 Cu 고착 공정을 형성해도 된다.In addition, although Cu and the said additional element were adhered and demonstrated as forming the fixed layer containing Cu and the said additional element, it demonstrated, but is not limited to this, As shown to FIG. 7 and FIG. 8, the ceramic substrate 111 is shown. Cu layers 124A and 125A and the additional element layers 124B and 125B may be formed on at least one of the bonding surfaces of the bonding surfaces or the bonding surfaces of the metal plates 123 and 124, respectively. In other words, the fixing step (S1) may be separated into the Cu fixing step (S10) and the additive element fixing step (S11). Moreover, you may form a Cu fixing process after an addition element fixing process.

또한, 첨가 원소와 Cu 의 합금을 사용하여, Cu 와 첨가 원소의 합금층을 형성해도 된다.Moreover, you may form the alloy layer of Cu and an additional element using the alloy of an additional element and Cu.

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.In addition, although described with reference to the bonding of the ceramic substrate and the metal plate to be conducted using a vacuum heating is not limited to this, N 2 atmosphere, may be performed to the ceramic substrate and the metal plate of the joint, etc. Ar atmosphere and 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 addition, although the buffer layer which consists of a composite material (for example, AlSiC etc.) containing aluminum, an aluminum alloy, or aluminum was formed between the top plate part of a heat sink and a metal layer, this buffer layer may not be required.

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.In addition, although demonstrated as having comprised the heat sink from aluminum, you may be comprised from the aluminum alloy or the composite material containing aluminum. In addition, although it demonstrated as having a flow path of a cooling medium as a heat sink, there is no restriction | limiting in particular in the structure of a heat sink, The heat sink of various structures can be used.

또한, 세라믹스 기판을 AlN 으로 구성된 것으로 하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, Si3N4, Al2O3 등의 다른 세라믹스로 구성되어 있어도 된다. In addition, although described as consisting of a ceramic substrate as AlN, not limited thereto, or may be composed of other ceramics such as Si 3 N 4, Al 2 O 3.

실시예Example

본 발명의 유효성을 확인하기 위해서 실시한 비교 실험에 대하여 설명한다.The comparative experiments 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 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm and a metal layer made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm were bonded to a ceramic substrate made of AlN having a thickness of 0.635 mm to prepare a power module substrate.

여기서, 회로층 및 금속층이 되는 알루미늄판 (4 N 알루미늄) 의 접합면에 Cu 및 첨가 원소를 고착시켜 고착층을 형성하고, 금속판과 세라믹스 기판을 적층하고 가압 가열하여, 금속판과 세라믹스 기판을 접합하였다. Here, Cu and an additional element were adhered to the bonding surface of the aluminum plate (4N aluminum) used as a circuit layer and a metal layer, and the adhesion layer was formed, the metal plate and the ceramic substrate were laminated | stacked, and were heated under pressure, and the metal plate and the ceramic substrate were bonded together. .

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. And the various test pieces which changed the fixed element to adhere | attached were produced, and the joint reliability was evaluated using these test pieces. As evaluation of the bonding reliability, the bonding rate after repeating a cold heat cycle (-45 degreeC-125 degreeC) 2000 times was compared. The results are shown in Tables 1-3.

또한, 접합률은 이하의 식에 의해 산출하였다. 여기서 초기 접합 면적이란, 접합 전에 있어서의 접합해야 할 면적으로 하였다.In addition, the bonding rate was computed by the following formula | equation. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding.

접합률 = (초기 접합 면적 - 박리 면적)/초기 접합 면적Bond Rate = (Initial Bond Area-Peel Area) / Initial Bond Area

또한, 이들 시험편에 대하여, 금속판 중 세라믹스 기판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛) 의 Cu 및 첨가 원소의 농도를, EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해 측정하였다. Cu 및 첨가 원소의 합계 농도를 표 1 - 3 에 함께 나타낸다. Moreover, about these test pieces, the density | concentration of Cu and an additional element in the vicinity of the joining interface (50 micrometers from a joining interface) of a ceramic substrate in a metal plate was measured by EPMA analysis (spot diameter of 30 micrometers). The total concentration of Cu and the additional element is shown together in Tables 1-3.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

고착층의 Cu 량이 0.01 ㎎/㎠ (두께 환산 0.011 ㎛), 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 49.2 ％ 로 매우 낮은 값을 나타냈다. 이것은, 계면에 개재되는 Cu 량 및 첨가 원소 (Li) 량이 적어, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 충분히 형성할 수 없었기 때문인 것으로 판단된다.Comparison of the amount of Cu in a fixed layer to 0.01 mg / cm <2> (thickness conversion 0.011 micrometer), and the addition amount of the added element (Li) to 0.05 mg / cm <2> (thickness conversion 0.935 micrometer), and the sum total of fixed amount was 0.06 mg / cm <2>. In Example 1, the joining rate after repeating a cold heat cycle (-45 degreeC-125 degreeC) 2000 times was 49.2%, and the value was very low. This is considered to be because the amount of Cu and the amount of additional elements (Li) which are interposed in the interface are small, and the molten metal region cannot be sufficiently formed at the interface between the metal plate and the ceramic substrate.

고착층의 Cu 량이 2.4 ㎎/㎠ (두께 환산 2.69 ㎛), 및 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 63.3 ％ 였다. 이것은, Cu 및 첨가 원소 (Ge, Ag) 의 양이 많아 금속판이 지나치게 단단해지고, 냉열 사이클에 의한 열 응력이 접합 계면에 부하되었기 때문인 것으로 추측된다. The amount of Cu in the fixing layer was 2.4 mg / cm 2 (thickness 2.69 μm), and the amount of fixation in the additive element 2.4 mg / cm 2 (thickness 4.51 μm) and the amount of the fixed element (Ag) was 5.3 mg / cm 2 (thickness). In Comparative Example 2, which had a weight of 5.05 µm and a fixed amount of 10.1 mg / cm 2, the bonding rate after repeating the cold-heat cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) 2000 times was 63.3%. This is presumably because the amount of Cu and the additional elements (Ge, Ag) is large and the metal plate is too hard, and the thermal stress caused by the cold heat 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.In contrast, in Examples 1 to 63 of the present invention, the bonding ratios after repeating the cold heat cycle (−45 ° C. to 125 ° C.) 2000 times were all 93% or more.

또한, 고착층의 Cu 량이 0.01 ㎎/㎠ (두께 환산 0.011 ㎛), 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 Cu 량이 2.4 ㎎/㎠ (두께 환산 2.69 ㎛), 및 첨가 원소 (Ge) 의 고착량이 2.1 ㎎/㎠ (두께 환산 3.95 ㎛), 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.In addition, the amount of Cu in a fixed layer became 0.01 mg / cm <2> (thickness conversion 0.011 micrometer), and the fixed amount of addition element Li became 0.09 mg / cm <2> (thickness conversion 1.68 micrometers), and the sum total of fixed amount was 0.1 mg / cm <2>. The amount of Cu of the present invention example 64 or the fixed layer was 2.4 mg / cm 2 (thickness 2.69 μm), and the amount of fixation of the additive element Ge 2.1 2.1 mg / cm 2 (thickness 3.95 μm) and the amount of the fixed element (Ag) In Example 65 of the present invention, which was 5.1 mg / cm 2 (thickness conversion 4.86 μm) and the total amount of fixation was 9.6 mg / cm 2, the bonding ratio after repeated repeated 2000 times of cold-heat cycles (-45 ° C. to 125 ° C.) It exceeded 70%.

이 결과로부터, 본 발명예에 의하면, Cu 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.From this 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 Cu and various additional elements, and the metal plate and the ceramic substrate can be firmly joined. It seems to be.

또한, 본 발명예 1 - 65 에 있어서는, 금속판 중 세라믹스 기판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛) 의 Cu 및 각종 첨가 원소의 합계 농도가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 되는 것이 확인되었다. Moreover, in Examples 1-65 of this invention, it confirmed that the total concentration of Cu and various additional elements in the vicinity of the bonding interface (50 micrometers from a bonding interface) of a ceramic substrate in a metal plate exists in the range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less. It became.

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 : Cu 층
124B, 125B : 첨가 원소층1: power module 3: semiconductor chip (electronic components)
10: substrate 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 area
30, 130: bonding interface 124A, 125A: Cu layer
124B, 125B: Additional Element Layer

Claims (8)

세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판으로서,
상기 금속판에는, Cu 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 Cu 농도 및 상기 첨가 원소의 농도 합계가 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판. As a power module board | substrate with which the metal plate which consists of aluminum is laminated | stacked and bonded to the surface of a ceramic substrate,
In the metal plate, in addition to Cu, one or two or more kinds of additive elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li are dissolved, and in the vicinity of the interface with the ceramic substrate of the metal plate, The Cu concentration of and the sum total of the concentration of the said additional element are set in the range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less, The power module board | substrate characterized by the above-mentioned. 제 1 항에 있어서,
상기 세라믹스 기판의 폭이 상기 금속판의 폭보다 넓게 설정되어 있고, 상기 금속판의 폭 방향 단부에는, Cu 를 함유하는 화합물이 알루미늄 중에 석출된 Cu 석출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판. The method of claim 1,
The width | variety of the said ceramic board | substrate is set larger than the width | variety of the said metal plate, The Cu module part which formed the Cu precipitation part in which the compound containing Cu precipitated in aluminum is formed in the width direction edge part of the said metal plate. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
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. The method according to claim 1 or 2,
The ceramic substrate is composed of AlN or Si 3 N 4 , and a high oxygen concentration portion having an oxygen concentration higher than the oxygen concentration in the metal plate and in the ceramic substrate is formed at a bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate. A power module substrate, wherein the oxygen high concentration part has a thickness of 4 nm or less. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트 싱크를 구비한 것을 특징으로 하는 히트 싱크 부착 파워 모듈용 기판. The power module board | substrate of any one of Claims 1-3, and the heat sink which cools this power module board | substrate were provided, The power module board | substrate with a heat sink characterized by the above-mentioned. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 그 파워 모듈용 기판 상에 탑재되는 전자 부품을 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈.A power module comprising the power module substrate according to any one of claims 1 to 3, and an electronic component mounted on the power module substrate. 세라믹스 기판의 표면에, 알루미늄으로 이루어지는 금속판이 적층되어 접합된 파워 모듈용 기판의 제조 방법으로서,
상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에, Cu 에 추가하여, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga 및 Li 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가 원소를 고착시켜, Cu 및 상기 첨가 원소를 함유하는 고착층을 형성하는 고착 공정과,
상기 고착층을 개재하여 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판과 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, Cu 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 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법. As a manufacturing method of the power module board | substrate with which the metal plate which consists of aluminum is laminated | stacked and bonded to the surface of a ceramic substrate,
At least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate is fixed to one or two or more additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga and Li in addition to Cu, A fixing step of forming a fixing layer containing Cu and the additional element;
A lamination step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via the fixing layer;
A heating step of pressing the laminated ceramic substrate and the metal plate in a lamination direction and heating them to form a molten metal region at an interface between the ceramic substrate and the metal plate;
By solidifying this molten metal area | region, it has a solidification process which joins the said ceramic substrate and the said metal plate,
In the fixing step, Cu and the additional element are interposed in the range of 0.1 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less at an interface between the ceramic substrate and the metal plate,
In the heating step, the molten metal region is formed at an interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing an element of the fixing layer toward the metal plate side. 제 6 항에 있어서,
상기 고착 공정에서는, Cu 및 상기 첨가 원소와 함께, Al 을 고착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법. The method according to claim 6,
In the fixing step, Al is fixed together with Cu and the additive element. 제 6 항 또는 제 7 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, Cu 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 6 or 7,
The fixing step is performed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spraying, or application of pastes and inks in which powder is dispersed, to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate. A method for manufacturing a power module substrate, comprising fixing one or two or more kinds of additional elements selected from Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li.
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