KR20120089070A - Method for producing substrate for power module, substrate for power module, substrate for power module with heat sink, and power module - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A power module substrate, a manufacturing method thereof, a power module and a power module substrate with a heat sink are provided to prevent troubles due to a displacement by directly fixing silicon and copper on a ceramic substrate or a metal plate. CONSTITUTION: Silicon and copper are fixed on a ceramic substrate or a metal plate(S1). The ceramic substrate and the metal plate are laminated by laying silicon and copper. The laminated ceramic substrate and metal plate are heated with pressurization in the laminating direction(S3). A molten metal area is formed on the interface of the ceramic substrate and the metal plate. The ceramic substrate and the metal plate are welded by solidifying the molten metal area(S4).

Description

파워 모듈용 기판의 제조 방법, 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈 {METHOD FOR PRODUCING SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH HEAT SINK, AND POWER MODULE}Manufacturing method of power module board, power module board, power module board and power module with heat sink {METHOD FOR PRODUCING SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE, SUBSTRATE FOR POWER MODULE WITH HEAT SINK, AND POWER MODULE }

이 발명은 대전류, 고전압을 제어하는 반도체 장치에 사용되는 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의해 제조된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈에 관한 것이다.The present invention provides a method for manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device for controlling high current and high voltage, a power module substrate manufactured by the method for producing a power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and The present invention relates to a power module having a power module substrate.

반도체 소자 중에서도 전력 공급을 위한 파워 소자는 발열량이 비교적 높기 때문에, 이것을 탑재하는 기판으로서는, 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 element for power supply has a relatively high heat generation amount, and thus, as a substrate on which this is mounted, for example, as shown in Patent Document 1, a metal plate of Al (aluminum) on a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) The board | substrate for power modules joined through this solder material is used.

또한, 이 금속판은 회로층으로서 형성되어, 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 위하여 Al 등의 금속판이 접합되어 금속층으로 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 the whole power module substrate is joined to the heat dissipation plate via the metal layer.

또한, 회로층을 형성하는 수단으로는, 세라믹스 기판에 금속판을 접합시킨 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 접합시키는 방법이 제안되어 있다.Moreover, as a means of forming a circuit layer, after joining a metal plate to a ceramic substrate, in addition to the method of forming a circuit pattern on this metal plate, as previously disclosed by patent document 2, for example, it formed in a circuit pattern shape previously. A method of joining a metal piece to a ceramic substrate has been proposed.

또한, 상기 회로층 및 상기 금속층으로서의 금속판과 세라믹스 기판의 양호한 접합 강도를 얻기 위해, 예를 들어 특허문헌 3 에 세라믹스 기판의 표면 조도를 0.5 ㎛ 미만으로 한 기술이 개시되어 있다.Moreover, 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, patent document 3 discloses the technique which made surface roughness of a ceramic substrate less than 0.5 micrometer, for example.

(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 2003-086744호(Patent Document 1) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-086744

(특허문헌 2) 일본 공개특허공보 2008-311294호(Patent Document 2) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-311294

(특허문헌 3) 일본 공개특허공보 평3-234045호(Patent Document 3) Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-234045

그런데, 금속판을 세라믹스 기판에 접합시키는 경우, 단순히 세라믹스 기판의 표면 조도를 저감시켜도 충분히 높은 접합 강도가 얻어지지 않아, 신뢰성의 향상이 도모되지 않는다는 문제가 있었다. 예를 들어, 세라믹스 기판의 표면에 대하여 건식으로 Al2O3 입자에 의한 호닝 처리를 실시하여 표면 조도를 Ra=0.2 ㎛ 로 해도, 박리 시험에서 계면 박리가 발생되는 경우가 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 연마법에 의해 표면 조도를 Ra=0.1 ㎛ 이하로 해도, 역시 마찬가지로 계면 박리가 발생되는 경우가 있었다.By the way, when joining a metal plate to a ceramic board | substrate, even if it simply reduces the surface roughness of a ceramic board | substrate, a sufficiently high bonding strength is not obtained and there exists a problem that reliability improvement is not aimed at. For example, it was found that even when the surface of the ceramic substrate was subjected to a honing treatment with Al 2 O 3 particles dry and the surface roughness was set to Ra = 0.2 µm, interfacial peeling may occur in the peeling test. Moreover, even if surface roughness was set to Ra = 0.1 micrometer or less by the grinding | polishing method, the interface peeling may generate | occur | produce similarly also.

특히, 최근에는 파워 모듈의 소형화?박육화가 진행됨과 함께 그 사용 환경도 엄격해지고 있고, 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, miniaturization and thinning of power modules have progressed, their usage environments have become more stringent, and the amount of heat generated from electronic components tends to increase. As described above, it is necessary to arrange and form a power module substrate on a heat sink. have. 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 between the ceramic substrate and the metal plate and improving reliability. Improvement is required.

또한, 세라믹스 기판과 금속판을 납땜할 때에는, 융점을 낮게 설정하기 위해 Si 를 7.5 질량％ 이상 함유하는 Al-Si 계 합금의 땜납재박이 사용되는 경우가 많다. 이와 같이 Si 를 비교적 많이 함유하는 Al-Si 계 합금에서는, 연성이 불충분하기 때문에 압연 등에 의해 박재를 제조하는 것이 곤란하였다.In addition, when soldering a ceramic substrate and a metal plate, in order to set melting point low, the solder material foil of Al-Si type alloy containing 7.5 mass% or more of Si is often used. As described above, in Al-Si alloys containing a relatively large amount of Si, it is difficult to produce a thin material by rolling or the like due to insufficient ductility.

또한, 땜납재박을 사용한 경우, 금속판과 세라믹스 기판의 계면 부분에는 금속판 표면, 땜납재박 양면의 3 개의 면에서 산화 피막이 존재하게 되어, 산화 피막의 합계 두께가 두꺼워지는 경향이 있었다.In addition, when solder material foil was used, the oxide film exists in three surfaces of a metal plate surface and both sides of a solder material foil in the interface part of a metal plate and a ceramic substrate, and there existed a tendency for the total thickness of an oxide film to become thick.

또한, 세라믹스 기판과 금속판 사이에 땜납재박을 배치하고, 이들을 적층 방향으로 가압하여 가열하게 되는데, 이 가압을 할 때에 땜납재박의 위치가 어긋나지 않도록 땜납재박, 세라믹스 기판 및 금속판을 적층 배치할 필요가 있었다.In addition, the solder material foil is disposed between the ceramic substrate and the metal plate, and these are pressurized in the lamination direction to be heated. In this pressurization, the solder material foil, the ceramic substrate, and the metal plate need to be laminated so as not to shift the position of the solder material foil. .

특히, 특허문헌 2 에 기재되어 있는 바와 같이, 미리 회로 패턴 형상으로 형성된 금속편을 땜납재박을 개재하여 접합시키는 경우에는 접합면의 형상이 복잡하기 때문에, 추가적으로 땜납재박, 세라믹스 기판 및 금속판의 위치 정밀도를 향상시킬 필요가 있었다.In particular, as described in Patent Literature 2, when joining a metal piece formed in a circuit pattern shape in advance through a solder material foil, the shape of the joining surface is complicated, and thus the positional accuracy of the solder material foil, the ceramic substrate, and the metal plate is further improved. There was a need to improve.

또한, 땜납재박의 위치가 어긋난 경우에는 세라믹스 기판과 금속판 사이에 용융 금속층을 충분히 형성할 수 없어, 세라믹스 기판과 금속판 사이의 접합 강도가 저하될 우려가 있다.In addition, when the position of the solder material foil is shifted, the molten metal layer cannot be sufficiently formed between the ceramic substrate and the metal plate, and there is a fear that the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate is lowered.

이 발명은, 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 용이하게, 또한 저비용으로 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 열 사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있는 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의해 제조된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.This invention is made | formed in view of the above-mentioned situation, The manufacturing method of the power module board | substrate which can obtain the power module board | substrate with high thermal cycling reliability by which the metal plate and the ceramic board | substrate were reliably joined easily and at low cost, This An object of the present invention is to provide a power module substrate manufactured by a method for manufacturing a power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and a power module having the power module substrate.

이와 같은 과제를 해결하여 상기 목적을 달성하기 위해, 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 와 Cu 를 고착시키는 Si 및 Cu 고착 공정과, 고착된 Si 및 Cu 를 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 접합시키는 응고 공정을 갖고, 상기 Si 및 Cu 고착 공정에 있어서 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 Si；0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu；0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하를 개재시키며, 상기 가열 공정에 있어서 고착시킨 Si 및 Cu 를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하는 것을 특징으로 하고 있다.In order to solve such a problem and to achieve the above object, the method for manufacturing a power module substrate of the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to a surface of a ceramic substrate. A lamination step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via the Si and Cu fixing step of fixing Si and Cu to at least one of the bonding surface of the substrate and the bonding surface of the metal plate; A heating step of pressing the ceramic substrate and the metal plate in a lamination direction and heating to form a molten metal region at an interface between the ceramic substrate and the metal plate; and solidifying the molten metal region to bond the ceramic substrate and the metal plate. And a ceramic group in the Si and Cu fixing step Si; 0.002 mg / cm 2 or more and 1.2 mg / cm 2 or less, Cu; 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less are interposed between the metal plate and the metal plate, and Si and Cu fixed in the heating step are diffused to the metal plate side. The molten metal region is formed at an interface between the ceramic substrate and the metal plate.

이 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에서는, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si 및 Cu 를 고착시키는 Si 및 Cu 고착 공정을 구비하고 있으므로, 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판의 접합 계면에는 Si 와 Cu 가 개재되게 된다. 여기서, Cu 는 Al 에 대하여 반응성이 높은 원소이기 때문에, 접합 계면 근방에 Cu 가 존재함으로써 알루미늄으로 이루어지는 금속판의 표면이 활성화되게 된다. 따라서, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합시켜도 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합시킬 수 있게 된다.In the manufacturing method of the board for power modules of this structure, since the Si and Cu fixing process which fixes Si and Cu to at least one of the bonding surface of the said ceramic substrate and the bonding surface of the said metal plate is provided, the said metal plate and the said ceramic substrate Si and Cu are interposed in the bonding interface of. 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. Therefore, the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded even if they are bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions.

또한, 가열 공정에 있어서, 고착시킨 Si 및 Cu 를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하고, 이 용융 금속 영역을 응고시킴으로써 상기 금속판과 상기 세라믹스 기판을 접합시키는 구성으로 하고 있으므로, 제조가 곤란한 Al-Si 계의 땜납재박을 사용할 필요가 없이, 저비용으로 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.Further, in the heating step, the molten metal region is formed at an interface between the ceramic substrate and the metal plate by diffusing Si and Cu adhered to the metal plate side, and the metal plate and the ceramic substrate are joined by solidifying the molten metal region. Since it is set as the structure which makes it difficult to manufacture, it is possible to manufacture the power module board | substrate which the metal plate and the ceramic substrate reliably joined at low cost, without using Al-Si-type solder material foil which is difficult to manufacture.

또한, 땜납재박을 사용하지 않고 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 직접 Si 및 Cu 를 고착시키고 있으므로, 땜납재박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없다. 따라서, 예를 들어 미리 회로 패턴 형상으로 형성된 금속편을 세라믹스 기판에 접합시키는 경우에도 위치 어긋남 등에 의한 트러블을 미연에 방지할 수 있다.Moreover, since Si and Cu are directly stuck to at least one of the joining surface of the said ceramic substrate and the joining surface of the said metal plate, without using solder material foil, it is not necessary to carry out alignment work of solder material foil, etc. Therefore, even when the metal piece previously formed in the circuit pattern shape is bonded to a ceramic substrate, the trouble by a position shift etc. can be prevented beforehand.

또한, 금속판 및 세라믹스 기판에 직접 Si 및 Cu 를 고착시킨 경우, 산화 피막은 금속판의 표면에만 형성되게 되어 금속판 및 세라믹스 기판의 계면에 존재하는 산화 피막의 합계 두께가 얇아지므로, 초기 접합의 수율이 향상된다.In addition, in the case where Si and Cu are directly fixed to the metal plate and the ceramic substrate, the oxide film is formed only on the surface of the metal plate, so that 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 is improved. do.

또한, 상기 Si 및 Cu 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 Si 양 및 Cu 양을 Si；0.002 ㎎/㎠ 이상, Cu；0.08 ㎎/㎠ 이상으로 하고 있으므로, 세라믹스 기판과 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있어, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합시킬 수 있게 된다.Further, in the Si and Cu fixing step, the Si amount and Cu amount interposed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate are Si; 0.002 mg / cm 2 or more and Cu; 0.08 mg / cm 2 or more. The molten metal region can be reliably formed at the interface of the metal plate, and the ceramic substrate and the metal plate can be firmly joined.

또한, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 개재되는 Si 양 및 Cu 양을 Si；1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu；2.7 ㎎/㎠ 이하로 하고 있으므로, Si 및 Cu 를 고착시켜 형성된 부분에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 세라믹스 기판과 금속판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있다. 또한, Si 및 Cu 가 과잉으로 금속판측으로 확산되어 계면 근방의 금속판 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판에 냉열 사이클이 부하되었을 때에 열응력을 금속판에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열 등을 방지할 수 있다.In addition, since the Si amount and Cu amount intervening at the interface between the ceramic substrate and the metal plate are set to Si; 1.2 mg / cm 2 or less and Cu; 2.7 mg / cm 2 or less, cracks are generated in portions formed by fixing Si and Cu. Can be prevented, and the molten metal region can be reliably formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. In addition, it is possible to prevent Si and Cu from excessively diffusing to the metal plate side and excessively increasing the strength of the metal plate near the interface. Therefore, when the cooling module is loaded on the power module substrate, the thermal stress can be absorbed by the metal plate, thereby preventing the ceramic substrate from cracking or the like.

또한, 상기 Si 및 Cu 고착 공정에 있어서, 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 Si；0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu；0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하를 개재시키고 있으므로, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하의 범위 내로 설정된 파워 모듈용 기판을 제조할 수 있다.In the Si and Cu fixing step, Si; 0.002 mg / cm 2 or more and 1.2 mg / cm 2 or less and Cu; 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less are interposed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. A power module substrate can be produced in which the Si concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate is in the range of 0.05% by mass to 0.5% by mass and the Cu concentration is in the range of 0.05% by mass to 5.0% by mass.

또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 직접 Si 및 Cu 를 고착시키는 구성으로 하고 있지만, 생산성의 관점에서 금속판의 접합면에 Si 및 Cu 를 고착시키는 것이 바람직하다.Moreover, although it is set as the structure which directly adheres Si and Cu to at least one of the bonding surface of the said ceramic substrate and the bonding surface of the said metal plate, it is preferable to fix Si and Cu to the bonding surface of a metal plate from a productivity viewpoint.

또한, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si 및 Cu 를 각각 단독으로 고착시켜 Cu 층 및 Si 층을 형성해도 된다. 또는, 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si 및 Cu 를 동시에 고착시켜 Si 와 Cu 의 혼재층을 형성해도 된다.In addition, you may form a Cu layer and a Si layer by fixing Si and Cu independently to at least one of the bonding surface of the said ceramic substrate, and the bonding surface of the said metal plate, respectively. Alternatively, Si and Cu 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 mixed layer of Si and Cu.

여기서, 상기 Si 및 Cu 고착 공정에서는 Si 및 Cu 와 함께, Al 을 고착시키는 구성으로 하는 것이 바람직하다.Here, in the said Si and Cu fixing process, it is preferable to set it as the structure which Al adheres with Si and Cu.

이 경우, Si 및 Cu 와 함께 Al 을 고착시키고 있으므로 형성되는 Si 및 Cu 층이 Al 을 함유하게 되고, 이 Si 및 Cu 층이 우선적으로 용융되게 되어 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있게 되고, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합시킬 수 있다. 또한, Si 및 Cu 와 함께 Al 을 고착시키려면 Si 및 Cu 와 Al 을 동시에 증착시켜도 되고, Si 및 Cu 와 Al 의 합금을 타깃으로 하여 스퍼터링해도 된다. 또한, Si 및 Cu 와 Al 을 적층시켜도 된다.In this case, since Al is fixed together with Si and Cu, the Si and Cu layers formed contain Al, and the Si and Cu layers are preferentially melted, so that the molten metal region can be reliably formed, and the ceramics The substrate and the metal plate can be firmly bonded. In addition, in order to fix Al together with Si and Cu, Si and Cu and Al may be deposited simultaneously, and sputter | spatter may be made using the alloy of Si, Cu, and Al as a target. In addition, Si, Cu, and Al may be laminated.

또한, 상기 Si 및 Cu 고착 공정은 증착, CVD 또는 스퍼터링에 의해 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 Si 및 Cu 를 고착시키는 것으로 하는 것이 바람직하다.In the Si and Cu fixing step, it is preferable to fix Si and Cu to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate by vapor deposition, CVD, or sputtering.

이 경우 증착, CVD 또는 스퍼터링에 의해 Si 및 Cu 가 상기 세라믹스 기판의 접합면 및 상기 금속판의 접합면 중 적어도 일방에 확실하게 고착되므로, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 Si 및 Cu 를 확실하게 개재시킬 수 있게 된다. 또한, Si 및 Cu 의 고착량을 양호한 정밀도로 조정할 수 있어, 용융 금속 영역을 확실하게 형성하여, 세라믹스 기판과 금속판을 강고하게 접합시킬 수 있게 된다.In this case, Si and Cu are reliably fixed to at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate by vapor deposition, CVD, or sputtering, so that Si and Cu can be reliably interposed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. It becomes possible. In addition, the adhesion amount of Si and Cu can be adjusted with good precision, a molten metal area can be formed reliably, and a ceramic substrate and a metal plate can be joined firmly.

또한, 본 발명의 파워 모듈용 기판은 전술한 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의해 제조된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 금속판에는 Si 및 Cu 가 고용 (固溶) 되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.In addition, the power module substrate of the present invention is a power module substrate manufactured by the method for producing a power module substrate described above, wherein Si and Cu are dissolved in the metal plate, and the ceramic substrate is included in the metal plate. The Si concentration in the vicinity of the interface with 0.05% by mass or more and 0.5% by mass or less is set in the range of 0.05% by mass or more and 5.0% by mass or less.

이 구성의 파워 모듈용 기판에서는, 상기 금속판에 Si 및 Cu 가 고용되어 있고, 접합 계면측 부분의 Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 범위 내로, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있으므로, 전술한 가열 공정에서 Si 및 Cu 가 충분히 금속판측으로 확산되어 있어, 금속판과 세라믹스판이 강고하게 접합되어 있게 된다.In the power module substrate of this structure, Si and Cu are dissolved in the said metal plate, Cu concentration is 0.05 mass% or more and 5.0 mass% in the range of 0.05 mass% or more and 0.5 mass% or less of Si concentration of a junction interface side part. Since it is set in the following range, Si and Cu are fully spread | diffused to the metal plate side in the above-mentioned heating process, and the metal plate and the ceramic plate are firmly joined.

또한, 금속판의 접합 계면측 부분이 Si 및 Cu 에 의해 고용 강화되게 된다. 이로 인해, 금속판 부분에서의 파단을 방지할 수 있어, 파워 모듈용 기판의 접합 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.In addition, the joining interface side portion of the metal plate becomes solid solution strengthened by Si and Cu. For this reason, breaking at the metal plate part can be prevented, and the joining reliability of the board | substrate for power modules can be improved.

또한, 본 발명의 파워 모듈용 기판은, 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의해 제조된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 세라믹스 기판이 AlN, Al2O3 및 Si3N4 중 어느 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.In addition, that for power module substrate of the present invention, as a substrate for power module manufactured by a manufacturing method of a substrate for power module, wherein the ceramic substrate is configured to be any one of AlN, Al 2 O 3 and Si 3 N 4 It features.

이 구성의 파워 모듈용 기판에서는, 세라믹스 기판이 절연성 및 강도가 우수한 AlN, Al2O3 및 Si3N4 중 어느 것으로 구성되어 있으므로, 고품질인 파워 모듈용 기판을 제공할 수 있다.In the power module substrate of this structure, since the ceramic substrate is made of any of AlN, Al 2 O 3 and Si 3 N 4 having excellent insulation and strength, it is possible to provide a high quality power module substrate.

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 larger than the width | variety of the said metal plate, and the Cu precipitation part in which the compound containing Cu precipitated in aluminum in the width direction edge part of the said metal plate was formed.

이 경우, 금속판의 폭 방향 단부에 Cu 석출부가 형성되어 있으므로, 금속판의 폭 방향 단부를 석출 강화시킬 수 있게 된다. 이로 인해, 금속판의 폭 방향 단부로부터의 파단의 발생을 방지할 수 있어, 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 width strengthening of the width direction edge part of a metal plate can be carried out. For this reason, 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.

본 발명의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판은 전술한 파워 모듈용 기판과, 이 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트싱크를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.The power module board | substrate with a heat sink of this invention was equipped with the power module board | substrate mentioned above, and the heat sink which cools this power module board | substrate. It is characterized by the above-mentioned.

이 구성의 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판에 의하면, 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트싱크를 구비하고 있으므로, 파워 모듈용 기판에 발생한 열을 히트싱크에 의해 효율적으로 냉각시킬 수 있다.According to the power module substrate with a heat sink of this configuration, since the heat sink for cooling the power module substrate is provided, heat generated in the power module substrate 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 this invention is equipped with the above-mentioned power module board | substrate, and the electronic component mounted on this power module board | substrate. It is characterized by the above-mentioned.

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

본 발명에 의하면, 용이하게, 또한 저비용으로 금속판과 세라믹스 기판이 확실하게 접합된 열 사이클 신뢰성이 높은 파워 모듈용 기판을 얻을 수 있는 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 이 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의해 제조된 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 이 파워 모듈용 기판을 구비한 파워 모듈을 제공할 수 있게 된다.Advantageous Effects of Invention The present invention provides a method for producing a power module substrate, and a method for producing a power module substrate, in which a power module substrate with high thermal cycle reliability can be easily and at low cost securely bonded to a metal plate and a ceramic substrate. It is possible to provide a power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and a power module having the power module substrate manufactured by the same.

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 분포 및 Cu 농도 분포를 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 분포 및 Cu 농도 분포를 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.
도 11 은 실시예의 평가 결과를 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board for power modules which is 1st Embodiment of this invention.
It is explanatory drawing which shows the Si concentration distribution and Cu concentration distribution of the circuit layer and metal layer of the power module substrate which are 1st Embodiment of this 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 1st Embodiment of this invention.
It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is 1st Embodiment of this invention.
It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is 1st Embodiment of this invention.
It is explanatory drawing which shows the vicinity of the bonding interface of the metal plate and ceramic board in FIG.
It is explanatory drawing which shows the Si concentration distribution and Cu concentration distribution of the circuit layer and metal layer of the power module substrate which are 2nd Embodiment of this 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 2nd Embodiment of this invention.
FIG. 9 is a flowchart showing a method for manufacturing a power module substrate according to a second embodiment of the present invention. FIG.
It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is 2nd Embodiment of this invention.
11 is a graph showing the evaluation results of the examples.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 도 1 에 본 발명의 실시형태인 파워 모듈용 기판, 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈을 나타낸다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, embodiment of this invention is described with reference to attached drawing. The power module board | substrate, the power module board | substrate with a heat sink, and a power module which are embodiment of this invention are shown in FIG.

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, 히트싱크 (4) 를 구비하고 있다. 여기서, 땜납층 (2) 은, 예를 들어 Sn-Ag 계, Sn-In 계, 또는 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 via a solder layer 2, and a heat. The 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 a ceramic substrate 11, a 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) 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 폭은 회로층 (12) 및 금속층 (13) 의 폭보다 넓게 설정되어 있다.The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of AlN (aluminum nitride) having 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 of the ceramic substrate 11 is set larger 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 실시형태에서는, 회로층 (12) 은 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 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 실시형태에서는, 금속층 (13) 은 회로층 (12) 과 동일하게 순도가 99.99 ％ 이상인 알루미늄 (이른바 4N 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 the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining the ceramic substrate 11 with the metal plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more, similarly to the circuit layer 12. .

히트싱크 (4) 는 전술한 파워 모듈용 기판 (10) 을 냉각시키기 위한 것으로, 파워 모듈용 기판 (10) 과 접합되는 천판부 (5) 와, 냉각 매체 (예를 들어 냉각수) 를 유통시키기 위한 유로 (6) 를 구비하고 있다. 히트싱크 (4) (천판부 (5)) 는 열전도성이 양호한 재질로 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시형태에서는 A6063 (알루미늄 합금) 으로 구성되어 있다.The heat sink 4 is for cooling the substrate 10 for power module described above, and for distributing the top plate portion 5 to be joined to the power module substrate 10 and a cooling medium (for example, cooling water). The flow path 6 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 with A6063 (aluminum alloy) in this embodiment.

또한, 본 실시형태에서는, 히트싱크 (4) 의 천판부 (5) 와 금속층 (13) 사이에는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층 (15) 이 형성되어 있다.In addition, in this embodiment, the buffer layer 15 which consists of a composite material (for example, AlSiC etc.) containing aluminum or an aluminum alloy or aluminum is formed between the top plate part 5 and the metal layer 13 of the heat sink 4. It is.

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 중앙부 (도 1 의 A 부) 에서는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 Si 및 Cu 가 고용되어 있고, 접합 계면 (30) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 Si 및 Cu 농도가 저하되는 농도 경사층 (33) 이 형성되어 있다. 여기서, 이 농도 경사층 (33) 의 접합 계면 (30) 측의 Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 범위 내로, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.And as shown in FIG. 2, 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) (FIG. 1) In part A), Si and Cu are dissolved in the circuit layer 12 (metal plate 22) and metal layer 13 (metal plate 23), and gradually separated from the bonding interface 30 in the lamination direction. The concentration gradient layer 33 in which Si and Cu concentration falls is formed. Here, the Cu concentration is set in the range of 0.05 mass% or more and 5.0 mass% or less in the range of 0.05 mass% or more and 0.5 mass% or less of Si density | concentration on the junction interface 30 side of this density | concentration gradient layer 33.

또한, 농도 경사층 (33) 의 접합 계면 (30) 측의 Si 농도 및 Cu 농도는 EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (30) 으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균치이다. 또한, 도 2 의 그래프는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 중앙 부분에서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하여, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 해서 구한 것이다.In addition, the Si density | concentration and Cu concentration of the bonding interface 30 side of the concentration gradient layer 33 are the average value measured 5 points from the bonding interface 30 at the position of 50 micrometers by EPMA analysis (spot diameter of 30 micrometers). . 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 shown in the above-mentioned 50 micrometer position. It was calculated based on the concentration.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 의 폭 방향 단부 (도 1 의 B 부) 에서는, 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.In addition, in the width direction edge part (part B of FIG. 1) 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 aluminum. The Cu precipitation part 35 in which the compound containing Cu precipitated in the mother phase of is formed. 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 ㎛) 으로 5 점 측정한 평균치이다.In addition, Cu density | concentration of the 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 Si 가 농축된 Si 고농도부 (32) 가 형성되어 있다. 이 Si 고농도부 (32) 에서는, 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.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 Si high concentration part 32 in which Si was concentrated is formed in the bonding interface 30. In this Si high concentration part 32, the Si concentration is five times higher than the Si concentration in the circuit layer 12 (metal plate 22) and metal layer 13 (metal plate 23). In addition, the thickness H of this Si high concentration part 32 is set to 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 단부와 세라믹스 기판 (11) 의 격자 이미지의 계면측 단부 사이의 중앙을 기준면 (S) 으로 한다.Here, as shown in FIG. 3, the bonding interface 30 to observe is the interface side edge part of the grating image of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23), and a ceramic substrate. The center between the interface side edge part of the grating image of (11) is made into the reference surface S.

이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판 (10) 의 제조 방법에 대해 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.

(Si 및 Cu 고착 공정 (S1))(Si and Cu adhesion process (S1))

먼저, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (22, 23) 각각의 접합면에 스퍼터링에 의해 Si 및 Cu 를 고착시켜 Si 와 Cu 의 혼재층 (24, 25) 을 형성한다. 여기서, 혼재층 (24, 25) 에 있어서의 Si 양 및 Cu 양은 Si；0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu；0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.First, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, Si and Cu are fixed to the bonding surfaces of the metal plates 22 and 23 by sputtering to form mixed layers 24 and 25 of Si and Cu. Here, the amount of Si and the amount of Cu in the mixed layers 24 and 25 are set to Si; 0.002 mg / cm 2 or more and 1.2 mg / cm 2 or less, Cu; 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 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 혼재층 (24, 25) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (11) 을 향하도록 적층한다. 즉, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 사이에 각각 혼재층 (24, 25) (Si 및 Cu) 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, it laminates so that the surface in which the mixed layers 24 and 25 among the metal plates 22 and 23 were formed may face the ceramic substrate 11. That is, the mixed layers 24 and 25 (Si and Cu) 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) 에서 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, 혼재층 (24, 25) 의 Si 및 Cu 가 금속판 (22, 23) 측으로 확산됨으로써, 금속판 (22, 23) 의 혼재층 (24, 25) 근방의 Si 농도 및 Cu 농도가 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, 적층체 (20) 를 가압할 때의 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 furnace in a state of being pressurized (pressure 1 to 35 kgf / cm 2) in the lamination direction, as shown in FIG. 6, 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, Si and Cu of the mixed layers 24 and 25 are diffused to the metal plates 22 and 23, so that the mixed layers of the metal plates 22 and 23 ( It is formed by increasing the Si concentration and the Cu concentration in the vicinity thereof to lower the 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 pressure at the time of pressurizing the laminated body 20 is 1? It is preferable to carry out in the range of 35 kgf / cm <2>.

여기서, 본 실시형태에서는 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ? 10-3 ㎩, 가열 온도를 610 ℃ 이상 655 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.In this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set to 10 −6 ? 10-3 Pa and heating temperature are set within the range of 610 degreeC or more and 655 degrees C or less.

(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 Si 및 Cu 가 더욱 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 나가게 된다. 이로 인해, 용융 금속 영역 (26, 27) 이었던 부분의 Si 및 Cu 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하게 되어서, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되게 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 상온으로까지 냉각을 실시한다.Next, the temperature is kept constant in the state where the molten metal regions 26 and 27 are formed. Then, Si and Cu in the molten metal regions 26 and 27 are further diffused to the metal plates 22 and 23 side. For this reason, Si and Cu density | concentration of the part which was the molten metal area | regions 26 and 27 fall gradually, melting | fusing point rises, and solidification advances in the state which kept the temperature constant. In short, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22, 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 manner, the metal plates 22 and 23 serving as the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 are bonded to each other to manufacture the power module substrate 10 of the present embodiment.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판 (10) 및 파워 모듈 (1) 에서는, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 Si 및 Cu 를 고착시키는 Si 및 Cu 고착 공정 (S1) 을 구비하고 있으므로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 접합 계면 (30) 에는 Si 와 Cu 가 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 접합시킬 수 있게 된다.In the power module substrate 10 and the power module 1 of the present embodiment having the above configuration, the Si and Cu fixing step (S1) for fixing Si and Cu to the bonding surfaces of the metal plates 22 and 23 is performed. Since it is provided, Si and Cu are interposed in the bonding interface 30 of the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11. 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 firmly joined.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 이 금속판 (22, 23) 의 접합면에 형성된 Si 와 Cu 의 혼재층 (24, 25) 의 Si 및 Cu 를 금속판 (22, 23) 측으로 확산시킴으로써 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성하고, 이 용융 금속 영역 (26, 27) 중의 Si 및 Cu 를 금속판 (22, 23) 으로 확산시킴으로써 응고시켜 접합하고 있으므로, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합시켜도 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 강고하게 접합시킬 수 있게 된다.In addition, a mixed layer 24 of Si and Cu in which the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) are formed on the joining surfaces of the metal plates 22 and 23. , Si and Cu of the 25 are diffused toward the metal plates 22 and 23 to form the molten metal regions 26 and 27, and Si and Cu in the molten metal regions 26 and 27 are converted into the metal plates 22 and 23. Since the particles are solidified by bonding by bonding, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly bonded even when they are bonded under relatively low temperature and short time bonding conditions.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 의 접합 계면 (30) 의 폭 방향 중앙부에서는, 회로층 (12) (금속판 (22)) 및 금속층 (13) (금속판 (23)) 에 Si 및 Cu 가 고용되어 있고, 접합 계면 (30) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 Si 농도 및 Cu 농도가 저하되는 농도 경사층 (33) 이 형성되어 있으며, 이 농도 경사층 (33) 의 접합 계면 (30) 측의 Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 범위 내로, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있으므로, 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)) 에서의 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 the concentration gradient layer 33 in which Si and Cu are dissolved in the metal layer 13 (metal plate 23), and the Si concentration and the Cu concentration decrease gradually as they are separated from the bonding interface 30 in the lamination direction. Is formed, and the Si concentration at the junction interface 30 side of the concentration gradient layer 33 is set within the range of 0.05% by mass to 0.5% by mass, and the Cu concentration is set within the range of 0.05% by mass to 5.0% by mass. As a result, portions on the bonding interface 30 side of the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) are solid-dissolved to form the circuit layer 12 (metal plate 22). And the occurrence of cracks in the metal layer 13 (metal plate 23) can be prevented.

또한, 가열 공정 (S3) 에서 Si 및 Cu 가 충분히 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 있어, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스판 (11) 이 강고하게 접합되어 있게 된다.In addition, in the heating step (S3), Si and Cu are sufficiently diffused to the metal plates 22 and 23 side, and the metal plates 22 and 23 and the ceramic plates 11 are firmly joined.

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 있으므로, 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 formed at the junction interface 30 of the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (metal plate 22). )) And the Si high concentration part 32 which is 5 times or more of the Si concentration in the metal layer 13 (metal plate 23) is formed. Therefore, Si which exists in the bonding interface 30 and the ceramic substrate 11 and The joining strength of the metal plates 22 and 23 can be improved.

또한, 금속판의 접합면에 Si 및 Cu 를 고착시켜 혼재층 (24, 25) 을 형성하는 Si 및 Cu 고착 공정 (S1) 을 구비하고 있고, 가열 공정 (S3) 에서 혼재층 (24, 25) 의 Si 및 Cu 를 금속판 (22, 23) 측으로 확산시킴으로써 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역 (26, 27) 을 형성하는 구성으로 하고 있으므로, 제조가 곤란한 Al-Si 계의 땜납재박을 사용할 필요가 없이, 저비용으로 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 이 확실하게 접합된 파워 모듈용 기판 (10) 을 제조할 수 있게 된다.Furthermore, Si and Cu fixing process (S1) which adhere | attaches Si and Cu to the bonding surface of a metal plate to form the mixed layers 24 and 25 is provided, and the heating of step S3 of the mixed layers 24 and 25 is carried out. Since the molten metal regions 26 and 27 are formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 by diffusing Si and Cu toward the metal plates 22 and 23, Al-Si is difficult to manufacture. It is possible to manufacture the power module substrate 10 in which the metal plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are reliably bonded at low cost without using a solder material foil of the system.

또한, Si 및 Cu 고착 공정 (S1) 에서, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 개재되는 Si 양 및 Cu 양을 Si；0.002 ㎎/㎠ 이상, Cu；0.08 ㎎/㎠ 이상으로 하고 있으므로, 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 접합시킬 수 있게 된다.In addition, in Si and Cu fixing process (S1), Si amount and Cu amount which are interposed in the interface of the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are Si; 0.002 mg / cm <2> or more, Cu; 0.08 mg / cm <2> or more Since 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, the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be firmly formed. It can be bonded.

또한, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 개재되는 Si 양 및 Cu 양을 Si；1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu；2.7 ㎎/㎠ 이하로 하고 있으므로, Si 와 Cu 의 혼재층 (24, 25) 에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 의 계면에 용융 금속 영역 (26, 27) 을 확실하게 형성할 수 있다. 또한, Si 및 Cu 가 과잉으로 금속판 (22, 23) 측으로 확산되어 계면 근방의 금속판 (22, 23) 강도가 과잉으로 높아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 파워 모듈용 기판 (10) 에 냉열 사이클이 부하되었을 때에 열응력을 회로층 (12), 금속층 (13) (금속판 (22, 23)) 에서 흡수할 수 있어, 세라믹스 기판의 균열 등을 방지할 수 있다.In addition, since the Si amount and Cu amount intervening at the interface between the ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 are set to Si; 1.2 mg / cm 2 or less and Cu; 2.7 mg / cm 2 or less, a mixed layer of Si and Cu Cracks can be prevented in the 24 and 25, 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 the Si and Cu from excessively diffusing to the metal plates 22 and 23 side and excessively increasing the strength of the metal plates 22 and 23 near the interface. Therefore, when the 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) to prevent cracking of the ceramic substrate and the like. can do.

또한, 땜납재박을 사용하지 않고 금속판 (22, 23) 의 접합면에 직접 Si 및 Cu 를 고착시켜 혼재층 (24, 25) 을 형성하고 있으므로, 땜납재박의 위치 맞춤 작업 등을 실시할 필요가 없이, 확실하게 세라믹스 기판 (11) 과 금속판 (22, 23) 을 접합시킬 수 있다. 따라서, 이 파워 모듈용 기판 (10) 을 효율적으로 제작해낼 수 있게 된다.In addition, since the mixed layers 24 and 25 are formed by directly fixing Si and Cu to the joining surfaces of the metal plates 22 and 23 without using the solder material foil, there is no need to perform the positioning work of the solder material foil or the like. The ceramic substrate 11 and the metal plates 22 and 23 can be joined together reliably. Therefore, this power module substrate 10 can be manufactured efficiently.

또한, 금속판 (22, 23) 의 접합면에 혼재층 (24, 25) 을 형성하고 있으므로, 금속판 (22, 23) 과 세라믹스 기판 (11) 의 계면에 개재되는 산화 피막은 금속판 (22, 23) 의 표면에만 존재하게 되기 때문에, 초기 접합의 수율을 향상시킬 수 있다.Moreover, since the mixed 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 and 23. Since it exists only in the surface of, the yield of initial joining can be improved.

또한, 본 실시형태에서는 금속판 (22, 23) 의 접합면에 직접 Si 및 Cu 를 고착시켜 혼재층 (24, 25) 을 형성하는 구성으로 하고 있으므로, Si 및 Cu 고착 공정 (S1) 을 효율적으로 실시할 수 있다.In addition, in this embodiment, since it is set as the structure which adhere | attaches Si and Cu directly to the joining surface of the metal plates 22 and 23 to form the mixed layers 24 and 25, Si and Cu fixing process (S1) is performed efficiently. can do.

다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 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.

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

여기서, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 접합 계면 (130) 의 폭 방향 중앙부에서는, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 에 Si 및 Cu 가 고용되어 있고, 접합 계면 (130) 으로부터 적층 방향으로 이간됨에 따라 점차 Si 농도 및 Cu 농도가 저하되는 농도 경사층 (133) 이 형성되어 있다. 여기서, 이 농도 경사층 (133) 의 접합 계면 (130) 측의 Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하의 범위 내로, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있다.Here, as shown in FIG. 7, in the width direction center part of the bonding interface 130 of the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 (metal plate 122), and the metal layer 113 (metal plate 123), a circuit is shown. Si and Cu are dissolved in the layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123), and the Si concentration and the Cu concentration gradually decrease as they are separated from the bonding interface 130 in the lamination direction. The concentration gradient layer 133 is formed. Here, the Si concentration on the bonding interface 130 side of the concentration gradient layer 133 is set within the range of 0.05% by mass to 0.5% by mass, and the Cu concentration is set within the range of 0.05% by mass to 5.0% by mass.

또한, 농도 경사층 (133) 의 접합 계면 (130) 측의 Si 농도 및 Cu 농도는 EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해, 접합 계면 (30) 으로부터 50 ㎛ 의 위치에서 5 점 측정한 평균치이다. 또한, 도 7 의 그래프는, 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 의 중앙 부분에서 적층 방향으로 라인 분석을 실시하여, 전술한 50 ㎛ 위치에서의 농도를 기준으로 해서 구한 것이다.In addition, Si density | concentration and Cu density | concentration of the junction interface 130 side of the concentration gradient layer 133 are the average value measured 5 points from the junction interface 30 at the position of 50 micrometers by EPMA analysis (spot diameter of 30 micrometers). . In addition, the graph of FIG. 7 performs a line analysis in the lamination direction at the center part of the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123), and shows it in the 50 micrometer position mentioned above. It was calculated based on the concentration.

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) 에서는, 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.In addition, when the bonding interface 130 of the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 (metal plate 122), and the metal layer 113 (metal plate 123) is observed in the transmission electron microscope, it is shown in FIG. As shown, the oxygen high concentration part 132 in which oxygen was concentrated is formed in the bonding interface 130. In this oxygen high concentration part 132, the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123). In addition, the thickness H of this oxygen high concentration part 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.In addition, as shown in FIG. 8, the bonding interface 130 observed here is an interface side edge part and ceramics of the grating image of the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123). The center between the edge part of the bonding interface side of the grating image of the board | substrate 111 is made into the reference surface S.

이하에, 전술한 구성의 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 대해 도 9 및 도 10 을 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시형태에서는 Si 및 Cu 고착 공정이 Cu 고착 공정 (S10) 과 Si 고착 공정 (S11) 로 분리되어 있다.Hereinafter, the manufacturing method of the power module board | substrate of the structure mentioned above is demonstrated with reference to FIG. 9 and FIG. In addition, in this embodiment, Si and Cu fixing process are isolate | separated into Cu fixing process (S10) and Si fixing process (S11).

(Cu 고착 공정 (S10))(Cu adhesion process (S10))

먼저, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 금속판 (122, 123) 각각의 접합면에 스퍼터링에 의해 Cu 를 고착시켜 Cu 층 (124A, 125A) 을 형성한다. 여기서, Cu 층 (124A, 125A) 에서의 Cu 양은 Cu；0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.First, as shown in FIG. 10, Cu is stuck to the bonding surface of each of the metal plates 122 and 123 by sputtering, and Cu layers 124A and 125A are formed. Here, Cu amount in Cu layers 124A and 125A is set to Cu; 0.08 mg / cm <2> or more and 2.7 mg / cm <2> or less.

(Si 고착 공정 (S11))(Si Fixation Process (S11))

다음으로, 금속판 (122, 123) 각각의 접합면에 형성된 Cu 층 (124A, 125A) 상에 스퍼터링에 의해 Si 를 고착시켜 Si 층 (124B, 125B) 을 형성한다. 여기서, Si 층 (124B, 125B) 에서의 Si 양은 Si；0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하로 설정되어 있다.Next, Si is fixed by sputtering on Cu layers 124A and 125A formed on the bonding surfaces of the metal plates 122 and 123 to form the Si layers 124B and 125B. Here, the amount of Si in the Si layers 124B and 125B is set to Si; 0.002 mg / cm 2 or more and 1.2 mg / cm 2 or less.

(적층 공정 (S12))(Lamination Process (S12))

다음으로, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 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 Cu 층 (124A, 125A) 및 Si 층 (124B, 125B) 이 형성된 면이 세라믹스 기판 (111) 을 향하도록 적층한다. 즉, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 사이에 각각 Cu 층 (124A, 125A) 및 Si 층 (124B, 125B) 을 개재시키고 있는 것이다. 이와 같이 하여 적층체를 형성한다.Next, as shown in FIG. 10, the metal plate 122 is laminated on one surface side of the ceramic substrate 111, and the metal plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 111. At this time, as shown in FIG. 10, the surface in which the Cu layers 124A and 125A and Si layers 124B and 125B were formed among the metal plates 122 and 123 is laminated | stacked so that the ceramic substrate 111 may be faced. That is, Cu layers 124A and 125A and Si layers 124B and 125B are interposed between the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111, respectively. In this way, a laminated body is formed.

(가열 공정 (S13))(Heating Step (S13))

다음으로, 적층 공정 (S12) 에서 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, Cu 층 (124A, 125A) 및 Si 층 (124B, 125B) 의 Si 및 Cu 가 금속판 (122, 123) 측으로 확산됨으로써 금속판 (122, 123) 의 Cu 층 (124A, 125A) 및 Si 층 (124B, 125B) 근방의 Si 농도 및 Cu 농도가 상승하여 융점이 낮아짐으로써 형성되는 것이다.Next, the laminate formed in the lamination step (S12) is charged and heated in a vacuum furnace in a state of being pressed in the lamination direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2), and as shown in FIG. 10, the metal plate 122 , 123 and molten metal regions 126 and 127 are formed at the interface between the ceramic substrate 111. As for the molten metal regions 126 and 127, as shown in FIG. 10, the Si and Cu of the Cu layers 124A and 125A and the Si layers 124B and 125B are diffused toward the metal plates 122 and 123 so that the metal plate 122 , 123 is formed by increasing the Si concentration and the Cu concentration in the vicinity of the Cu layers 124A and 125A and the Si layers 124B and 125B to lower the melting point.

여기서, 본 실시형태에서는 진공 가열로 내의 압력을 10-6 ? 10-3 ㎩, 가열 온도를 610 ℃ 이상 655 ℃ 이하의 범위 내로 설정하고 있다.In this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set to 10 −6 ? 10-3 Pa and heating temperature are set within the range of 610 degreeC or more and 655 degrees C or less.

(응고 공정 (S14))(Solidification process (S14))

다음으로, 용융 금속 영역 (126, 127) 이 형성된 상태에서 온도를 일정하게 유지시켜 둔다. 그러면, 용융 금속 영역 (126, 127) 중의 Si 및 Cu 가 더욱 금속판 (122, 123) 측으로 확산되어 나가게 된다. 이로 인해, 용융 금속 영역 (126, 127) 이었던 부분의 Si 농도 및 Cu 농도가 서서히 저하되어 융점이 상승하게 되어서, 온도를 일정하게 유지한 상태에서 응고가 진행되게 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 상온으로까지 냉각을 실시한다.Next, the temperature is kept constant in the state where the molten metal regions 126 and 127 are formed. Then, Si and Cu in the molten metal regions 126 and 127 are further diffused toward the metal plates 122 and 123. For this reason, Si concentration and Cu concentration of the part which were the molten metal area | regions 126 and 127 fall gradually, melting | fusing point rises, and solidification advances in the state which kept the temperature constant. In other words, the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 are bonded by so-called diffusion liquid phase diffusion bonding. In this way, after solidification advances, it cools to normal 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 serving as the circuit layer 112 and the metal layer 113 and the ceramic substrate 111 are bonded together to produce the power module substrate of the present embodiment.

이상과 같은 구성으로 된 본 실시형태인 파워 모듈용 기판에서는, 금속판 (122, 123) 의 접합면에 Cu 를 고착시키는 Cu 고착 공정 (S10) 및 Si 를 고착시키는 Si 고착 공정 (S11) 을 구비하고 있으므로, 금속판 (122, 123) 과 세라믹스 기판 (111) 의 접합 계면 (130) 에는 Si 와 Cu 가 개재되게 된다. 여기서, Cu 는 Al 에 대하여 반응성이 높은 원소이기 때문에, 접합 계면 (130) 에 Cu 가 존재함으로써 알루미늄으로 이루어지는 금속판 (122, 123) 의 표면이 활성화되게 된다. 따라서, 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 을 강고하게 접합시킬 수 있게 된다.In the power module board | substrate which is this embodiment with the above structures, Cu bonding process (S10) which fixes Cu to the joining surface of the metal plates 122 and 123, and Si fixing process (S11) which fixes Si are provided, Therefore, Si and Cu are interposed in the bonding interface 130 of the metal plates 122 and 123 and the ceramic substrate 111. Since Cu is an element having high reactivity with Al, the presence of Cu at the bonding interface 130 activates the surfaces of the metal plates 122 and 123 made of aluminum. Therefore, the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 can be firmly joined.

또한, 세라믹스 기판 (111) 과 회로층 (112) (금속판 (122)) 및 금속층 (113) (금속판 (123)) 이, 금속판 (122, 123) 의 접합면에 형성된 Cu 층 (124A, 125A) 과 Si 층 (124B, 125B) 의 Cu 및 Si 를 금속판 (122, 123) 측으로 확산시키킴으로써 용융 금속 영역 (126, 127) 을 형성하고, 이 용융 금속 영역 (126, 127) 중의 Si 및 Cu 를 금속판 (122, 123) 으로 확산시킴으로써 응고시켜 접합되어 있으므로, 비교적 저온, 단시간의 접합 조건에서 접합시켜도 세라믹스 기판 (111) 과 금속판 (122, 123) 을 강고하게 접합시킬 수 있게 된다.In addition, the Cu layers 124A and 125A in which the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (metal plate 122) and the metal layer 113 (metal plate 123) are formed on the joining surfaces of the metal plates 122 and 123. And diffusion of Cu and Si of the Si layers 124B and 125B toward the metal plates 122 and 123 to form the molten metal regions 126 and 127, and Si and Cu in the molten metal regions 126 and 127 Since the metal sheets 122 and 123 are solidified by being diffused by the diffusion, the ceramic substrate 111 and the metal plates 122 and 123 can be firmly bonded even when they are joined under relatively low temperature and short time bonding conditions.

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 있으므로, 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 있으므로, 열 사이클을 부하시켰을 때의 응력에 의해 산소 고농도부 (132) 에 크랙이 발생하는 것이 억제된다.In the present embodiment, the ceramic substrate 111, the Si 3 N, and is composed of 4, the bonding interface (130 of the circuit layer 112 and metal layer 113 is a metal plate (122, 123) that the ceramic substrate (111) ), A high oxygen concentration portion 132 is formed in which the oxygen concentration is higher than the oxygen concentration in the metal plates 122 and 123 constituting the circuit layer 112 and the metal layer 113. The joining strength of the metal plates 122 and 123 can be improved. Moreover, since the thickness of this oxygen high concentration part 132 is 4 nm or less, generation | occurrence | production of a crack in the oxygen high concentration part 132 is suppressed by the stress at the time of loading a thermal cycle.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 경우는 없고, 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 ％ 인 순알루미늄의 압연판으로 한 것으로 해서 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 순도 99 ％ 인 알루미늄 (2N 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, Si 및 Cu 고착 공정에서, 금속판의 접합면에 Si 및 Cu 를 고착시키는 구성으로 한 것으로 해서 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 세라믹스 기판의 접합면에 Si 및 Cu 를 고착시켜도 된다. 또는, 세라믹스 기판의 접합면 및 금속판의 접합면에 각각 Si 및 Cu 를 고착시켜도 된다.In addition, although it demonstrated as what was set as the structure which fixes Si and Cu to the joining surface of a metal plate in Si and Cu fixing process, it is not limited to this, You may fix Si and Cu to the joining surface of a ceramic substrate. Alternatively, Si and Cu may be fixed to the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate, respectively.

또한, Si 및 Cu 고착 공정에서, 스퍼터에 의해 Si 및 Cu 를 고착시키는 것으로 해서 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, 증착이나 CVD 등에 의해 Si 및 Cu 를 고착시켜도 된다. 또한, Si 및 Cu 고착 공정에서, Si 및 Cu 와 함께 Al 을 고착시켜도 된다.In addition, although it demonstrated as making Si and Cu adhere by a sputter | spatter in a Si and Cu fixing process, it is not limited to this, You may fix Si and Cu by vapor deposition, CVD, etc. In the Si and Cu fixing step, Al may be fixed together with Si and Cu.

또한, 제 2 실시형태에 있어서, Si 및 Cu 고착 공정을 Cu 고착 공정 (S10) 후에 Si 고착 공정 (S11) 을 실시하는 것으로 해서 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, Si 고착 공정 후에 Cu 고착 공정을 실시하는 구성으로 해도 된다.In addition, in 2nd Embodiment, although the Si and Cu sticking process was demonstrated as performing a Si sticking process (S11) after Cu sticking process (S10), it is not limited to this, Cu sticking after a Si sticking process It is good also as a structure which implements a process.

또한, 세라믹스 기판과 금속판의 접합을 진공 가열로를 사용하여 실시하는 것으로 해서 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, N2 분위기, Ar 분위기나 He 분위기 등에서 세라믹스 기판과 금속판의 접합을 실시해도 된다.Further, although described with by carrying out the bonding of the ceramic substrate and the metal plate using a vacuum heating furnace, there is no case limited to this, N 2 atmosphere, and also, etc. Ar atmosphere or a He atmosphere perform the ceramics substrate and the metal plate joining of .

또한, 히트싱크의 천판부와 금속층 사이에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 알루미늄을 함유하는 복합재 (예를 들어 AlSiC 등) 로 이루어지는 완충층을 형성한 것으로 해서 설명하였지만, 이 완충층이 없어도 된다.In addition, although it demonstrated as having formed the buffer layer which consists of a composite material (for example, AlSiC etc.) containing aluminum or an aluminum alloy or aluminum between the top plate part of a heat sink and a metal layer, this buffer layer may not be required.

또한, 히트싱크를 알루미늄으로 구성한 것으로 해서 설명하였지만, 알루미늄 합금, 또는 알루미늄을 함유하는 복합재 등으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 히트싱크로서 냉각 매체의 유로를 갖는 것으로 설명하였지만, 히트싱크의 구조에 특별히 한정되지는 않고, 다양한 구성의 히트싱크를 사용할 수 있다.Although the heat sink has been described as being made of aluminum, it may be made of an aluminum alloy or a composite material containing aluminum. In addition, although it demonstrated that it has the flow path of a cooling medium as a heat sink, it is not specifically limited to the structure of a heat sink, The heat sink of various structures can be used.

또한, 세라믹스 기판을 AlN, Si3N4 로 구성된 것으로 해서 설명하였지만, 이것에 한정되는 경우는 없고, Al2O3 등의 다른 세라믹스로 구성되어 있어도 된다.In addition, although the description has been made to be composed of a ceramic substrate with AlN, Si 3 N 4, if it is not limited thereto, or may be composed of other ceramics such as Al 2 O 3.

실시예Example

본 발명의 유효성을 확인하기 위해 실시한 확인 실험에 대해 설명한다.The confirmation experiment conducted to confirm the validity of the present invention will be described.

두께 0.6 ㎜ 의 4N 알루미늄으로 이루어지는 금속판을 2 장 준비하고, 이들 금속판의 편면에 진공 증착에 의해 Si 및 Cu 를 고착시키며, 이들 2 장의 금속판을 가로 세로 40 ㎜ 이고 두께 0.635 ㎜ 인 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판 양면에 각각 증착면이 세라믹스 기판을 향하도록 하여 적층하고, 적층 방향으로 압력 1 ? 5 kgf/㎠ 로 가압한 상태에서 진공 가열로 (진공도 10-3 ? 10-5 ㎩) 에서 630 ? 650 ℃ 로 가열하여, 세라믹스 기판과 회로층 및 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판을 제작해냈다.Two metal plates made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm are prepared, and Si and Cu are fixed to one side of these metal plates by vacuum deposition, and the two metal plates are made of AlN having a thickness of 40 mm and a thickness of 0.635 mm. Laminate on both sides with the deposition surface facing the ceramic substrate, and pressure 1? 630? In a vacuum furnace (vacuum degree 10 -3 ? 10 -5 ㎩) under pressure of 5 kgf / ㎠ It heated at 650 degreeC, and produced the board | substrate for power modules provided with a ceramic substrate, a circuit layer, and a metal layer.

그리고, 고착시킨 Si 양 및 Cu 양을 변량한 다양한 시험편을 제작해냈다.And various test pieces which varied the amount of fixed Si and the amount of Cu were produced.

이와 같이 하여 성형된 파워 모듈용 기판의 금속층측에 4N 알루미늄으로 이루어지는 두께 0.9 ㎜ 의 완충층을 개재하여, 히트싱크의 천판에 상당하는 50 ㎜ × 60 ㎜, 두께 5 ㎜ 의 알루미늄판 (A6063) 을 접합시켰다.The aluminum plate A6063 having a thickness of 50 mm x 60 mm and a thickness of 5 mm corresponding to the top plate of the heat sink is bonded to the metal layer side of the power module substrate thus formed through a buffer layer of 0.9 mm in thickness made of 4N aluminum. I was.

이들 시험편을 -45 ℃ ? 105 ℃ 의 냉열 사이클에 부하하여 냉열 사이클을 2000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 평가 결과를 도 11 에 나타낸다.These test pieces were -45 degreeC? The bonding rate after loading in the cold heat cycle of 105 degreeC and repeating a cold heat cycle 2000 times was compared. The evaluation result is shown in FIG.

또한, 접합률은 이하의 식으로 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란 접합 전에 있어서의 접합시켜야 할 면적인 것으로 하였다.In addition, the joining rate was computed with 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 면적Bonding rate = (initial joining area-peeling area) / initial joining area

여기서, 냉열 사이클을 2000 회 반복한 후의 접합률이 70 ％ 미만인 것을 ×, 접합률이 70 ％ 이상 85 ％ 미만인 것을 △, 접합률이 85 ％ 이상인 것을 ○ 로 하였다.Herein, the bonding rate after repeating the cooling cycle 2000 times was less than 70% ×, the bonding rate was 70% or more and less than 85%, △, and the bonding rate was 85% or more.

Si 양을 0.001 ㎎/㎠, Cu 양을 0.05 ㎎/㎠ 로 한 것에서는 냉열 사이클 부하 후의 접합률이 70 ％ 미만이었다. 계면에 개재하는 Si 양, Cu 양이 적고, 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 충분히 형성할 수 없기 때문이라고 판단된다.When the amount of Si was 0.001 mg / cm 2 and the amount of Cu was 0.05 mg / cm 2, the bonding ratio after the cold cycle load was less than 70%. It is judged that there is little Si amount and Cu amount which intervene in an interface, and a molten metal area cannot fully be formed in the interface of a metal plate and a ceramic substrate.

또한, Si 양을 1.4 ㎎/㎠, 또는 Cu 양을 3.2 ㎎/㎠ 로 한 것에서도 냉열 사이클 부하 후의 접합률이 70 ％ 미만이었다. 이것은, Si 및 Cu 의 양이 많아 금속판이 지나치게 경화되어, 냉열 사이클에 의한 열응력이 접합 계면에 부하되었기 때문이라고 추측된다.Moreover, even when Si amount was 1.4 mg / cm <2> or Cu amount was 3.2 mg / cm <2>, the joining ratio after cold-heat cycle load was less than 70%. This is presumably because the amount of Si and Cu is large and the metal plate is excessively hardened, and the thermal stress due to the cold heat cycle is loaded on the bonding interface.

한편, Si 양을 0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu 양을 0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하로 한 것에서는 냉열 사이클 부하 후의 접합률이 70 ％ 이상이었다. Si, Cu 의 확산에 의해 금속판과 세라믹스 기판의 계면에 용융 금속 영역을 확실하게 형성할 수 있게 되어, 금속판과 세라믹스 기판을 강고하게 접합시킬 수 있었다고 판단된다.On the other hand, when the Si amount was 0.002 mg / cm 2 or more and 1.2 mg / cm 2 or less, and the Cu amount was 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less, the bonding ratio after the cold cycle load was 70% or more. By diffusion of Si and Cu, it is possible to reliably form a molten metal region at the interface between the metal plate and the ceramic substrate, and it is judged that the metal plate and the ceramic substrate can be firmly bonded.

특히, Si 양을〔Si〕, Cu 양을〔Cu〕로 한 경우에 있어서,In particular, in the case where Si amount is [Si] and Cu amount is [Cu],

〔Cu〕＋ 2 ×〔Si〕

Figure pat00001
3[Cu] + 2 × [Si]
Figure pat00001
3

단, 0.002 ㎎/㎠

Figure pat00002
〔Si〕
Figure pat00003
1.2 ㎎/㎠0.002 mg / cm 2
Figure pat00002
[Si]
Figure pat00003
1.2 mg / cm 2

0.08 ㎎/㎠

Figure pat00004
〔Cu〕
Figure pat00005
2.7 ㎎/㎠0.08 mg / ㎠
Figure pat00004
(Cu)
Figure pat00005
2.7 mg / ㎠

의 관계를 만족시키는 조건에서는, 냉열 사이클 부하 후의 접합률이 85 ％ 이상으로 되고, 또한 강고하게 금속판과 세라믹스 기판을 접합시킬 수 있다는 것이 확인되었다. 이것은, 상기의 관계를 초과하는 Si, Cu 가 고착된 경우, 금속판이 Si, Cu 에 의한 고용 경화에 의해 지나치게 경화되어 접합률에 편차가 생기기 때문이라고 추측된다.Under the condition of satisfying the relationship, it was confirmed that the bonding ratio after the cold cycle load became 85% or more, and the metal plate and the ceramic substrate could be firmly bonded. This is presumably because when the Si and Cu exceeding the above relationship are fixed, the metal plate is excessively hardened by the solid solution hardening by Si and Cu, causing variation in the bonding ratio.

다음으로, 두께 0.6 ㎜ 의 4N 알루미늄으로 이루어지는 금속판을 2 장 준비하고, 이들 금속판의 편면에 진공 증착에 의해 Si 및 Cu 를 고착시키며, 이들 2 장의 금속판을 가로 세로 40 ㎜ 이고 두께 0.635 ㎜ 인 AlN 으로 이루어지는 세라믹스 기판의 양면에 각각 증착면이 세라믹스 기판을 향하도록 하여 적층하고, 적층 방향으로 압력 5 ? 35 kgf/㎠ 로 가압한 상태에서 진공 가열로 (진공도 10-3 ? 10-5 ㎩) 에서 630 ? 650 ℃ 로 가열하여, 세라믹스 기판과 회로층 및 금속층을 구비한 파워 모듈용 기판을 제작해냈다.Next, two metal plates made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm were prepared, and Si and Cu were fixed to one side of these metal plates by vacuum vapor deposition. The two metal plates were made of AlN having a thickness of 40 mm and a thickness of 0.635 mm. On both surfaces of the ceramic substrate, the deposition surface is laminated so as to face the ceramic substrate, and a pressure of 5? 630? In a vacuum furnace (vacuum degree 10 -3 ? 10 -5 ㎩) while pressurized to 35 kgf / ㎠ It heated at 650 degreeC, and produced the board | substrate for power modules provided with a ceramic substrate, a circuit layer, and a metal layer.

그리고, 고착시킨 Si 양 및 Cu 양을 변량한 다양한 시험편을 제작해냈다.And various test pieces which varied the amount of fixed Si and the amount of Cu were produced.

이와 같이 하여 성형된 파워 모듈용 기판의 금속층측에 4N 알루미늄으로 이루어지는 두께 0.9 ㎜ 의 완충층을 개재하여, 히트싱크의 천판에 상당하는 50 ㎜ × 60 ㎜, 두께 5 ㎜ 의 알루미늄판 (A6063) 을 접합시켰다.The aluminum plate A6063 having a thickness of 50 mm × 60 mm and a thickness of 5 mm corresponding to the top plate of the heat sink is bonded to the metal layer side of the power module substrate thus formed through a buffer layer of 0.9 mm in thickness made of 4N aluminum. I was.

이들 시험편을 -45 ℃ ? 105 ℃ 의 냉열 사이클에 부하하여 냉열 사이클을 2000 회 반복한 후의 접합률을 비교하였다. 평가 결과를 표 1 내지 표 3 에 나타낸다.These test pieces were -45 degreeC? The bonding rate after loading in the cold heat cycle of 105 degreeC and repeating a cold heat cycle 2000 times was compared. The evaluation results are shown in Tables 1-3.

또한, 접합률은 이하의 식으로 산출하였다. 여기서, 초기 접합 면적이란 접합 전에 있어서의 접합시켜야 할 면적인 것으로 하였다.In addition, the joining rate was computed with 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 면적Bonding rate = (initial joining area-peeling area) / initial joining area

또한, 이들 시험편에 대해, 금속판 중 세라믹스 기판의 접합 계면 근방 (접합 계면으로부터 50 ㎛) 의 Si 농도를 EPMA 분석 (스폿 직경 30 ㎛) 에 의해 측정하였다. 측정 결과를 표 1 내지 표 3 에 함께 나타낸다.In addition, about these test pieces, the Si density | concentration of the bonding interface vicinity (50 micrometers from the bonding interface) of the ceramic substrate in a metal plate was measured by EPMA analysis (spot diameter of 30 micrometers). The measurement results are shown together in Tables 1-3.

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

Si 고착량 및 Cu 고착량이 본 발명의 범위 외로 된 비교예 1 ~ 16 에서는, 냉열 사이클을 2000 회 반복한 후의 접합률이 70 ％ 미만이었다.In Comparative Examples 1-16 in which the Si fixation amount and Cu fixation amount were out of the range of the present invention, the bonding rate after repeating the cold heat cycle 2000 times was less than 70%.

이에 대하여, Si 고착량 및 Cu 고착량이 본 발명의 범위 내로 된 실시예 1 ~ 48 에서는, 냉열 사이클을 2000 회 반복한 후의 접합률이 70 ％ 를 초과하였다.On the other hand, in Examples 1-48 in which Si adhesion amount and Cu adhesion amount were in the range of this invention, the joining rate after repeating a cold-heat cycle 2000 times exceeded 70%.

또한, Si 층의 고착량을 0.001 ㎎/㎠ 로 한 비교예 1 에서는, 계면의 Si 농도가 0.039 질량％ 로 되었다. Si 층의 고착량을 1.398 ㎎/㎠ 로 한 비교예 11 ~ 16 에서는, 계면의 Si 농도가 0.5 질량％ 를 초과하였다. 이에 대하여, Si 층의 고착량을 0.1165 ? 1.165 ㎎/㎠ 로 한 실시예 1 ~ 48 에서는, 계면의 Si 농도가 0.2 ? 0.5 질량％ 의 범위 내로 되는 것이 확인되었다.Moreover, in the comparative example 1 which set the fixed amount of the Si layer to 0.001 mg / cm <2>, the Si density | concentration of an interface became 0.039 mass%. In Comparative Examples 11-16 in which the fixation amount of the Si layer was 1.398 mg / cm 2, the Si concentration at the interface exceeded 0.5 mass%. In contrast, the fixed amount of the Si layer was 0.1165? In Examples 1 to 48 with 1.165 mg / cm 2, the Si concentration at the interface was 0.2? It was confirmed that it became in the range of 0.5 mass%.

마찬가지로, Cu 층의 고착량을 0.005 ㎎/㎠ 로 한 비교예 1 에서는, 계면의 Cu 농도가 0.027 질량％ 로 되었다. Cu 층의 고착량을 3.136 ㎎/㎠ 로 한 비교예 2 ~ 10 에서는, 계면의 Cu 농도가 6 질량％ 를 초과하였다. 이에 대하여, Cu 층의 고착량을 0.448 ? 2.688 ㎎/㎠ 로 한 실시예 1 ~ 48 에서는, 계면의 Cu 농도가 0.45 ? 5 질량％ 의 범위 내로 되는 것이 확인되었다.Similarly, in the comparative example 1 which made the fixation amount of Cu layer 0.005 mg / cm <2>, Cu concentration of an interface became 0.027 mass%. In Comparative Examples 2 to 10 in which the fixation amount of the Cu layer was 3.136 mg / cm 2, the Cu concentration at the interface exceeded 6 mass%. In contrast, the fixation amount of the Cu layer was 0.448? In Examples 1 to 48 with 2.688 mg / cm 2, the Cu concentration at the interface was 0.45? It was confirmed that it became in the range of 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 : 혼재층
26, 27, 126, 127 : 용융 금속 영역
30, 130 : 접합 계면
124A, 125A : Cu 층
124B, 125B : Si 층1: power module
3: semiconductor chip (electronic component)
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: mixed layer
26, 27, 126, 127: molten metal area
30, 130: junction interface
124A, 125A: Cu layer
124B, 125B: Si layer

Claims (8)

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 와 Cu 를 고착시키는 Si 및 Cu 고착 공정과,
고착된 Si 및 Cu 를 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 접합시키는 응고 공정을 갖고,
상기 Si 및 Cu 고착 공정에 있어서 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 Si；0.002 ㎎/㎠ 이상 1.2 ㎎/㎠ 이하, Cu；0.08 ㎎/㎠ 이상 2.7 ㎎/㎠ 이하를 개재시키며,
상기 가열 공정에 있어서 고착시킨 Si 및 Cu 를 상기 금속판측으로 확산시킴으로써 상기 세라믹스 기판과 상기 금속판의 계면에 상기 용융 금속 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.A method of manufacturing a power module substrate, in which a metal plate made of aluminum is laminated and bonded to a surface of a ceramic substrate,
A Si and Cu fixing step of fixing Si and Cu to at least one of a bonding surface of the ceramic substrate and a bonding surface of the metal plate;
A lamination step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via fixed Si and Cu;
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;
It has a solidification process which joins the said ceramic substrate and a said metal plate by solidifying this molten metal area | region,
In said Si and Cu adhesion process, Si; 0.002 mg / cm <2> or more and 1.2 mg / cm <2> or less, Cu; 0.08 mg / cm <2> or more and 2.7 mg / cm <2> or less are interposed at the interface of the said ceramic substrate and the said metal plate,
The molten metal area | region is formed in the interface of the said ceramic substrate and the said metal plate by diffusing Si and Cu which stuck in the said heating process to the said metal plate side, The manufacturing method of the board | substrate for power modules characterized by the above-mentioned. 제 1 항에 있어서,
상기 Si 및 Cu 고착 공정에서는 Si 및 Cu 와 함께, Al 을 고착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.The method of claim 1,
In the said Si and Cu fixing process, Al is adhere | attached with Si and Cu, The manufacturing method of the board | substrate for power modules characterized by the above-mentioned. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 Si 및 Cu 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 Cu 를 고착시키는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The Si and Cu adhesion process may include Si and Cu on at least one of the bonding surface of the ceramic substrate and the bonding surface of the metal plate by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste and ink in which powder is dispersed. Fixing Cu, The manufacturing method of the board | substrate for power modules characterized by the above-mentioned. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의해 제조된 파워 모듈용 기판으로서,
상기 금속판에는 Si 및 Cu 가 고용되어 있고, 상기 금속판 중 상기 세라믹스 기판과의 계면 근방에서의 Si 농도가 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, Cu 농도가 0.05 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하의 범위 내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.As a power module board | substrate manufactured by the manufacturing method of the board | substrate for power modules in any one of Claims 1-3,
Si and Cu are solid-dissolved in the metal plate, and the Si concentration in the vicinity of the interface with the ceramic substrate in the metal plate is set in the range of 0.05% by mass to 0.5% by mass, and the Cu concentration in the range of 0.05% by mass to 5.0% by mass. A power module substrate, characterized in that. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판의 제조 방법에 의해 제조된 파워 모듈용 기판으로서, 상기 세라믹스 기판이 AlN, Al2O3 및 Si3N4 중 어느 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 파워 모듈용 기판.A power module substrate manufactured by the method for producing a power module substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the ceramic substrate is composed of any one of AlN, Al 2 O 3, and Si 3 N 4 . There is a substrate for power modules. 제 4 항 또는 제 5 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 according to claim 4 or 5,
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 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 파워 모듈용 기판과, 그 파워 모듈용 기판을 냉각시키는 히트싱크를 구비한 것을 특징으로 하는 히트싱크가 부착된 파워 모듈용 기판.The power module board | substrate with a heat sink which cools the power module board | substrate of any one of Claims 4-6, and this power module board | substrate. 제 4 항 내지 제 6 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 4 to 6 and an electronic component mounted on the power module substrate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3308883B2 (en) * 1997-11-21 2002-07-29 電気化学工業株式会社 Board
JP4747315B2 (en) * 2007-11-19 2011-08-17 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate and power module
JP5532601B2 (en) * 2008-12-22 2014-06-25 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate and manufacturing method thereof
JP5359954B2 (en) * 2009-03-31 2013-12-04 三菱マテリアル株式会社 Power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate with heat sink

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102026705B1 (en) * 2018-03-23 2019-09-30 서울과학기술대학교 산학협력단 Fan-out package with reducing warpage and shielding emi

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