JP2011066385A - Power module substrate, power module, and method of manufacturing the power module substrate - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, a power module including the power module substrate, and a method of manufacturing the power module substrate.
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、Al2O3(酸化アルミ)からなるセラミックス基板上にAl(アルミニウム)の金属板がAl−Si系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにAl等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。
A power module for supplying power among semiconductor elements has a relatively high calorific value, and as a substrate on which the power module is mounted, for example, a metal of Al (aluminum) on a ceramic substrate made of Al 2 O 3 (aluminum oxide). A power module substrate is used in which the plates are bonded via an Al—Si brazing material.
The metal plate is formed as a circuit layer, and a power element semiconductor chip is mounted on the metal plate via a solder material.
In addition, a metal plate made of Al or the like is bonded to the lower surface of the ceramic substrate to form a metal layer for heat dissipation, and the entire power module substrate is bonded to the heat sink via this metal layer. Yes.
従来、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献1に、セラミックス基板の表面粗さを0.5μm未満にしている技術が開示されている。 Conventionally, in order to obtain good bonding strength between the circuit layer and the metal plate as the metal layer and the ceramic substrate, for example, the following Patent Document 1 discloses a technique in which the surface roughness of the ceramic substrate is less than 0.5 μm. Has been.
しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でAl2O3粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをRa=0.2μmにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをRa=0.1μm以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。
また、熱サイクルが負荷された場合において、接合界面の剥離のみでなく、セラミックス基板に割れが発生することも知られている
However, when the metal plate is bonded to the ceramic substrate, there is a disadvantage that a sufficiently high bonding strength cannot be obtained even if the surface roughness of the ceramic substrate is simply reduced, and the reliability cannot be improved. For example, even if the surface of the ceramic substrate is subjected to a honing process with Al 2 O 3 particles in a dry manner and the surface roughness is set to Ra = 0.2 μm, interface peeling may occur in the peeling test. I understood. Further, even when the surface roughness was set to Ra = 0.1 μm or less by the polishing method, there was a case where the interface peeling occurred in the same manner.
It is also known that when a thermal cycle is applied, cracking occurs in the ceramic substrate as well as separation of the bonding interface.
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになるため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。 In particular, recently, power modules have become smaller and thinner, and the usage environment has become harsh, and the amount of heat generated from electronic components tends to increase. It is necessary to dispose a module substrate. In this case, since the power module substrate is constrained by the heat radiating plate, a large shearing force acts on the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate at the time of thermal cycle load. There is a need for improvement in performance.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and is a power module substrate having a high thermal cycle reliability in which a metal plate and a ceramic substrate are securely bonded, and a power module including the power module substrate. And it aims at providing the manufacturing method of this board | substrate for power modules.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、Al2O3からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Cu濃度が前記金属板中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部が形成されていることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above object, the power module substrate of the present invention is for a power module in which a metal plate made of pure aluminum is bonded to the surface of a ceramic substrate made of Al 2 O 3 . It is a board | substrate, Comprising: The Cu high concentration part by which Cu density | concentration was made into 2 times or more of Cu density | concentration in the said metal plate was formed in the joining interface of the said metal plate and the said ceramic substrate. .
この構成のパワーモジュール用基板においては、Al2O3からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との接合界面に、Cu濃度が前記金属板中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在するCu原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。
なお、金属板中のCu濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離(例えば、5nm)離れた部分におけるCu濃度である。
In the power module substrate having this configuration, the Cu concentration at which the Cu concentration is at least twice the Cu concentration in the metal plate at the bonding interface between the ceramic substrate made of Al 2 O 3 and the metal plate made of pure aluminum. Since the concentration portion is formed, it is possible to improve the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate by Cu atoms existing in the vicinity of the interface.
Note that the Cu concentration in the metal plate is the Cu concentration in a portion of the metal plate that is away from the bonding interface by a certain distance (for example, 5 nm).
ここで、前記Cu高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型X線分析法で分析したAl、Cu、Oの質量比が、Al:Cu:O=50〜90wt%:1〜10wt%:0〜45wt%とされていることが好ましい。
接合界面に存在するCu原子の質量比が10wt%を超えると、AlとCuとの反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。一方、Cu原子の質量比が1wt%未満であると、Cu原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面におけるCu原子の質量比は、1〜10wt%の範囲内とすることが好ましい。
Here, the mass ratio of Al, Cu, and O obtained by analyzing the bonding interface including the Cu high concentration portion by energy dispersive X-ray analysis is Al: Cu: O = 50 to 90 wt%: 1 to 10 wt%: It is preferably 0 to 45 wt%.
If the mass ratio of Cu atoms existing at the bonding interface exceeds 10 wt%, a reaction product of Al and Cu is generated excessively, and this reaction product may hinder the bonding. On the other hand, when the mass ratio of Cu atoms is less than 1 wt%, there is a possibility that the bonding strength by Cu atoms cannot be sufficiently improved. Therefore, the mass ratio of Cu atoms at the bonding interface is preferably in the range of 1 to 10 wt%.
ここで、エネルギー分散型X線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点(例えば、10〜100点)で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型X線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡JEM−2010Fに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光X線元素分析装置NORAN System7を用いて加速電圧200kVで行った。
Here, since the spot diameter at the time of performing the analysis by the energy dispersive X-ray analysis method is extremely small, measurement is performed at a plurality of points (for example, 10 to 100 points) on the bonding interface, and the average value is calculated. . Further, when measuring, the bonding interface between the crystal grain boundary of the metal plate and the ceramic substrate is not measured, but only the bonding interface between the crystal grain and the ceramic substrate is measured.
The analytical value by the energy dispersive X-ray analysis method in this specification is the energy dispersive X-ray fluorescence element analyzer NORAN manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. mounted on the electron microscope JEM-2010F manufactured by JEOL. The acceleration was performed at 200 kV using System7.
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
A power module according to the present invention includes the above-described power module substrate and an electronic component mounted on the power module substrate.
According to the power module having this configuration, the bonding strength between the ceramic substrate and the metal plate is high, and the reliability can be drastically improved even when the usage environment is severe.
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、Al2O3からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ0.15μm以上3μm以下のCu層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Cu濃度が前記金属板中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部を形成することを特徴としている。 The power module substrate manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of pure aluminum is bonded to the surface of a ceramic substrate made of Al 2 O 3 , wherein the ceramic substrate And the metal plate through a Cu layer having a thickness of 0.15 μm or more and 3 μm or less, and the ceramic substrate and the metal plate that are stacked are pressed and heated in the stacking direction, and the ceramic substrate is heated. And a melting step for forming a molten aluminum layer at the interface of the metal plate, and a solidification step for solidifying the molten aluminum layer by cooling. In the melting step and the solidification step, the ceramic substrate and the metal plate A Cu high concentration portion in which the Cu concentration is at least twice the Cu concentration in the metal plate is formed at the bonding interface with It is characterized by that.
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板及び金属板を、Cu層を介して積層し、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱するので、Cu層のCuと金属板のAlとが共晶反応することによって接合界面近傍の融点が降下し、比較的低温でもセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを接合することができる。すなわち、Al−Si合金等からなるろう材を使用することなく、セラミックス基板と金属板とを接合することができるのである。 According to the method for manufacturing a power module substrate of this configuration, the ceramic substrate and the metal plate are stacked via the Cu layer, and the stacked ceramic substrate and the metal plate are pressed and heated in the stacking direction. The eutectic reaction between Cu in the Cu layer and Al in the metal plate lowers the melting point in the vicinity of the bonding interface, and it is possible to form a molten aluminum layer at the interface between the ceramic substrate and the metal plate even at a relatively low temperature. A board | substrate and a metal plate can be joined. That is, the ceramic substrate and the metal plate can be joined without using a brazing material made of an Al—Si alloy or the like.
また、Cu層の厚さが0.15μm未満であると、セラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を十分に形成することができないおそれがある。また、Cu層の厚さが3μmを超えると、CuとAlとの反応物が接合界面に過剰に発生し、金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にAl2O3からなるセラミックス基板に割れが発生するおそれがある。このため、Al2O3からなるセラミックス基板の場合、Cu層の厚さは、0.15μm以上3μm以下とすることが好ましい。 Further, if the thickness of the Cu layer is less than 0.15 μm, there is a possibility that the molten aluminum layer cannot be sufficiently formed at the interface between the ceramic substrate and the metal plate. Further, when the thickness of the Cu layer exceeds 3 μm, a reaction product of Cu and Al is excessively generated at the bonding interface, and the vicinity of the bonding interface of the metal plate is strengthened more than necessary. There is a possibility that cracks may occur in the ceramic substrate made of Al 2 O 3 . For this reason, in the case of a ceramic substrate made of Al 2 O 3 , the thickness of the Cu layer is preferably 0.15 μm or more and 3 μm or less.
前記Cu層が、積層工程において前記セラミックス基板及び前記金属板の間に銅箔を介装することによって形成されている構成とすることが好ましい。
あるいは、前記Cu層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にCuを固着させるCu固着工程によって形成されていることが好ましい。
これらの手段によれば、セラミックス基板と金属板との間に、所望の厚さのCu層を形成することが可能となり、確実にセラミックス基板と金属板とを接合することができる。
The Cu layer is preferably formed by interposing a copper foil between the ceramic substrate and the metal plate in the laminating step.
Alternatively, the Cu layer is preferably formed by a Cu fixing step of fixing Cu to at least one of the bonding surfaces of the ceramic substrate and the metal plate before the laminating step.
According to these means, a Cu layer having a desired thickness can be formed between the ceramic substrate and the metal plate, and the ceramic substrate and the metal plate can be reliably bonded.
ここで、前記Cu固着工程では、CuとともにAlを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、CuとともにAlを固着させているので、形成されるCu層がAlを含有することになり、加熱工程において、このCu層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。なお、CuとともにAlを固着させるには、CuとAlとを同時に蒸着してもよいし、CuとAlの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。
Here, in the Cu fixing step, it is preferable that Al is fixed together with Cu.
In this case, since Al is fixed together with Cu, the formed Cu layer contains Al, and in the heating process, this Cu layer is preferentially melted to reliably form a molten metal region. Thus, the ceramic substrate and the metal plate can be firmly bonded. In order to fix Al together with Cu, Cu and Al may be vapor-deposited at the same time, or sputtering using an alloy of Cu and Al as a target.
さらに、前記Cu固着工程は、蒸着、CVD、スパッタリング、めっき又はCuペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にCuを固着させることが好ましい。 Furthermore, the Cu fixing step fixes Cu to at least one of the bonding surfaces of the ceramic substrate and the metal plate by means selected from vapor deposition, CVD, sputtering, plating, or application of Cu paste. Is preferred.
本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the metal plate and the ceramic substrate are reliably joined, and the power module board | substrate with high thermal cycle reliability, the power module provided with this power module board | substrate, and the manufacturing method of this power module board | substrate are provided. It becomes possible to do.
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図1に本発明の第1の実施形態であるパワーモジュール用基板10及びパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、回路層12が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の表面にはんだ層2を介して接合された半導体チップ3と、ヒートシンク4とを備えている。ここで、はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層12とはんだ層2との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a
The power module 1 includes a
パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13とを備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAl2O3(アルミナ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
The
The
回路層12は、セラミックス基板11の一方の面に導電性を有する金属板22が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層12は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板22がセラミックス基板11に接合されることにより形成されている。
The
金属層13は、セラミックス基板11の他方の面に金属板23が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、回路層12と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
The
ヒートシンク4は、前述のパワーモジュール用基板10を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板10と接合される天板部5と冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路6とを備えている。ヒートシンク4(天板部5)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク4の天板部5と金属層13との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層15が設けられている。
The
In the present embodiment, a
そして、セラミックス基板11と回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)との接合界面30を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図2に示すように、接合界面30に、Cuが濃縮したCu高濃度部32が形成されている。このCu高濃度部32においては、Cu濃度が、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中のCu濃度よりも高くなっており、具体的には、接合界面30におけるCu濃度が、回路層12及び金属層13中のCu濃度の2倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Cu高濃度部32の厚さHは4nm以下とされている。
When the
なお、ここで観察する接合界面30は、図2に示すように、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)の格子像の界面側端部とセラミックス基板11の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。
また、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)中のCu濃度とは、回路層12(金属板22)及び金属層13(金属板23)のうち接合界面30から一定距離(本実施形態では、5nm)離れた部分におけるCu濃度である。
Note that, as shown in FIG. 2, the
The Cu concentration in the circuit layer 12 (metal plate 22) and the metal layer 13 (metal plate 23) is constant from the
また、この接合界面30をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、Cu、Oの質量比が、Al:Cu:O=50〜90wt%:1〜10wt%:0〜45wt%の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面30を複数点(例えば、本実施形態では100点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23の結晶粒界とセラミックス基板11との接合界面30は測定対象とせず、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23の結晶粒とセラミックス基板11との接合界面30のみを測定対象としている。
The mass ratio of Al, Cu, and O when the
このようなパワーモジュール用基板10は、以下のようにして製造される。図3に示すように、Al2O3からなるセラミックス基板11の一方の面に回路層12となる金属板22(4Nアルミニウムの圧延板)が、厚さ0.15μm以上3μm以下(本実施形態では3μm)の銅箔24を介して積層され、セラミックス基板11の他方の面に金属層13となる金属板23(4Nアルミニウムの圧延板)が厚さ0.15μm以上3μm以下(本実施形態では3μm)の銅箔25を介して積層される。
Such a
このようにして形成された積層体20をその積層方向に加圧(圧力1〜5kg/cm2)した状態で真空炉内に装入して加熱する(加圧・加熱工程)。ここで真空炉内の真空度は、10−3Pa〜10−5Paとされ、加熱温度は610℃〜650℃とされている。この加圧・加熱工程によって、図4に示すように、回路層12及び金属層13となる金属板22、23の表層と銅箔24、25とが溶融し、セラミックス基板11の表面に溶融アルミニウム層26、27が形成される。
The
次に、積層体20を冷却することによって溶融アルミニウム層26、27を凝固させる(凝固工程)。この加圧・加熱工程と凝固工程によって、接合界面30に、Cu濃度が、回路層12及び金属層13を構成する金属板22、23中のCu濃度よりも高くされたCu高濃度部32が生成される。
このようにして本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
Next, the
In this way, the
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板10及び付パワーモジュール1においては、回路層12及び金属層13とセラミックス基板11との接合界面30に、Cu濃度が、回路層12及び金属層13中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部32が形成されているので、接合界面30にCu原子が介在することにより、Al2O3からなるセラミックス基板11と回路層12、金属層13との接合強度の向上を図ることが可能となる。
In the
さらに、本実施形態では、接合界面30をエネルギー分散型X線分析法で分析した際のAl、Cu、Oの質量比が、Al:Cu:O=50〜90wt%:1〜10wt%:0〜45wt%とされているので、接合界面30に、AlとCuとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Cu原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。
Furthermore, in this embodiment, the mass ratio of Al, Cu, and O when the
また、Al2O3からなるセラミックス基板11の一方の面に回路層12となる金属板22、厚さ0.15μm以上3μm以下(本実施形態では3μm)の銅箔24を介して積層するとともに、セラミックス基板11の他方の面に金属層13となる金属板23(4Nアルミニウムの圧延板)が厚さ0.15μm以上3μm以下(本実施形態では3μm)の銅箔25を介して積層し、この積層体を加圧・加熱しているので、銅箔24、25のCuと金属板22、23のAlとが共晶反応することにより、銅箔24、25部分と金属板22、23の表層部分の融点が低下することになり、比較的低温(610℃〜650℃)でもセラミックス基板11及び金属板22、23の界面に溶融アルミニウム層26、27を形成することが可能となり、セラミックス基板11と金属板22、23とを接合することができる。
In addition, it is laminated on one surface of the
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図5に本発明の第2の実施形態であるパワーモジュール用基板110及びパワーモジュール101を示す。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 shows a
パワーモジュール用基板110は、セラミックス基板111と、このセラミックス基板111の一方の面(図5において上面)に配設された回路層112と、セラミックス基板111の他方の面(図5において下面)に配設された金属層113とを備えている。
セラミックス基板111は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いAl2O3(アルミナ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
The
The
回路層112は、セラミックス基板111の一方の面に導電性を有する金属板122が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層112は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板22がセラミックス基板111に接合されることにより形成されている。
The
金属層113は、セラミックス基板111の他方の面に金属板123が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層113は、回路層112と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなる金属板123がセラミックス基板111に接合されることで形成されている。
The
そして、セラミックス基板111と回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)との接合界面130を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図6に示すように、接合界面130に、Cuが濃縮したCu高濃度部132が形成されている。このCu高濃度部132においては、Cu濃度が、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)中のCu濃度よりも高くなっており、具体的には、接合界面130におけるCu濃度が、回路層112及び金属層113中のCu濃度の2倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Cu高濃度部132の厚さHは4nm以下とされている。
When the
なお、ここで観察する接合界面130は、図6に示すように、回路層112(金属板122)及び金属層113(金属板123)の格子像の界面側端部とセラミックス基板111の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Sとする。
また、回路層112及び金属層113中のCu濃度及び酸素濃度とは、回路層112及び金属層13のうち接合界面130から一定距離(本実施形態では、5nm)離れた部分におけるCu濃度及び酸素濃度である。
Note that the
In addition, the Cu concentration and the oxygen concentration in the
また、この接合界面130をエネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した際のAl、Cu、Oの質量比が、Al:Cu:O=50〜90wt%:1〜10wt%:0〜45wt%の範囲内に設定されている。なお、EDSによる分析を行う際のスポット径は1〜4nmとされており、接合界面130を複数点(例えば、本実施形態では100点)で測定し、その平均値を算出している。また、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123の結晶粒界とセラミックス基板111との接合界面130は測定対象とせず、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123の結晶粒とセラミックス基板111との接合界面130のみを測定対象としている。
The mass ratio of Al, Cu, and O when the bonded
このようなパワーモジュール用基板110は、以下のようにして製造される。図7に示すように、Al2O3からなるセラミックス基板111の両面に、真空蒸着によってCu固着し、厚さ0.15μm〜3μmのCu固着層124、125を形成する。(Cu固着工程)。Cu固着層124、125が形成されたセラミックス基板111の一方の面に回路層112となる金属板122(4Nアルミニウムの圧延板)が積層され、セラミックス基板111の他方の面に金属層113となる金属板123(4Nアルミニウムの圧延板)が積層される(積層工程)。
Such a
このようにして形成された積層体120をその積層方向に加圧(圧力1〜5kg/cm2)した状態で真空炉内に装入して加熱する(加圧・加熱工程)。ここで真空炉内の真空度は、10−3Pa〜10−5Paとされ、加熱温度は610℃〜650℃とされている。この加圧・加熱工程によって、図8に示すように、回路層112及び金属層113となる金属板122、123の表層及びCu固着層124、125が溶融し、セラミックス基板111の表面に溶融アルミニウム層126、127が形成される。
The
次に、積層体120を冷却することによって溶融アルミニウム層126、127を凝固させる(凝固工程)。この加圧・加熱工程と凝固工程によって、接合界面130に、Cu濃度が、回路層112及び金属層113を構成する金属板122、123中のCu濃度よりも高くされたCu高濃度部132が生成される。
このようにして本実施形態であるパワーモジュール用基板110が製造される。
Next, the
In this way, the
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板110及び付パワーモジュール101においては、回路層112及び金属層113とセラミックス基板111との接合界面130に、Cu濃度が、回路層112及び金属層113中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部132が形成されているので、接合界面130にCu原子が介在することにより、Al2O3からなるセラミックス基板111と回路層112、金属層113との接合強度の向上を図ることが可能となる。
In the
さらに、本実施形態では、接合界面130をエネルギー分散型X線分析法で分析した際のAl、Cu、Oの質量比が、Al:Cu:O=50〜90wt%:1〜10wt%:0〜45wt%とされているので、接合界面130に、AlとCuとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Cu原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。
Furthermore, in this embodiment, the mass ratio of Al, Cu, and O when the
また、Al2O3からなるセラミックス基板111の両面に、真空蒸着によってCuを固着し、Cu固着層124、125が形成されたセラミックス基板111の一方の面に回路層112となる金属板122(4Nアルミニウムの圧延板)を積層し、セラミックス基板111の他方の面に金属層113となる金属板123(4Nアルミニウムの圧延板)を積層し、この積層体を加圧・加熱しているので、Cu固着層124、125のCuと金属板122、123のAlとが共晶反応することによって金属板122、123の表層部分の融点が低下し、比較的低温(610℃〜650℃)でもセラミックス基板111及び金属板122、123の界面に溶融アルミニウム層126、127を形成することが可能となり、セラミックス基板111と金属板122、123とを接合することができる。
Further, Cu is fixed to both surfaces of the
さらに、セラミックス基板111に直接Cuを固着しているので、酸化被膜は、金属板122,123の表面にのみ形成されることになり、金属板122,123とセラミックス基板111との界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。また、不活性ガス雰囲気であっても、セラミックス基板111と金属板122、123とを接合することが可能となる。
Further, since Cu is directly fixed to the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成する金属板を純度99.99%の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよい。
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.
For example, the metal plate constituting the circuit layer and the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99% (2N aluminum) It may be.
また、第2の実施形態において、Cuの固着をセラミックス基板の両面に行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属板の接合面にCuを固着してもよいし、金属板及びセラミックス基板と両方にCuを固着させてもよい。
さらに、真空蒸着によってCuを固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、スパッタリング、CVD、めっき、銅ペーストの塗布等の手段によって、Cuを固着させてもよい。
Moreover, in 2nd Embodiment, although Cu fixed to what was performed to both surfaces of a ceramic substrate, it was not limited to this, Cu may be fixed to the joint surface of a metal plate, and metal Cu may be fixed to both the plate and the ceramic substrate.
Furthermore, although it demonstrated as what fixes Cu by vacuum evaporation, it is not limited to this, You may fix Cu by means, such as sputtering, CVD, plating, application | coating of a copper paste.
また、セラミックス基板と金属板との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、N2雰囲気、Ar雰囲気及びHe雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。 Further, the ceramic substrate and the metal plate have been described as being bonded using a vacuum heating furnace, but the present invention is not limited to this, and the ceramic substrate and the metal plate can be used in an N 2 atmosphere, an Ar atmosphere, a He atmosphere, or the like. You may join with.
また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、銅や銅合金で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
Moreover, although demonstrated as what provided the buffer layer which consists of aluminum, the aluminum alloy, or the composite material containing aluminum (for example, AlSiC etc.) between the top-plate part of a heat sink and a metal layer, even if this buffer layer is not provided Good.
Furthermore, although the heat sink has been described as being made of aluminum, it may be made of aluminum alloy, copper or copper alloy. Further, although the description has been given of the heat sink having a cooling medium flow path, the structure of the heat sink is not particularly limited.
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
40mm角で厚さ0.635mmのAl2O3からなるセラミックス基板の両面に、真空蒸着によってCuを固着させ、このセラミックス基板の両面に、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属板をそれぞれ積層し、積層方向に圧力1〜5kg/cm2で加圧した状態で、真空炉(真空度10−3Pa〜10−5Pa)で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
同様に、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる金属板の片面に、真空蒸着によってCuを固着させ、この金属板を40mm角で厚さ0.635mmのAl2O3からなるセラミックス基板の両面に、両方の金属板の蒸着側をAl2O3側になるようにそれぞれ積層し、積層方向に圧力1〜5kg/cm2で加圧した状態で真空炉(真空度10−3Pa〜10−5Pa)で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
ここで、真空蒸着によるCuの固着量(Cu厚さ)を、0.1μm、0.5μm、1.0μm、2.0μm、3.0μmの5水準とし、加熱温度を610℃、630℃、650℃の3水準とし、計30種類のパワーモジュール用基板を成形した。
A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
Cu was fixed to both surfaces of a 40 mm square and 0.635 mm thick ceramic substrate made of Al 2 O 3 by vacuum deposition, and a metal plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm was attached to both surfaces of the ceramic substrate. Laminated and heated in a vacuum furnace (vacuum degree: 10 −3 Pa to 10 −5 Pa) in a state pressurized at a pressure of 1 to 5 kg / cm 2 in the laminating direction, and provided with a ceramic substrate, a circuit layer, and a metal layer Produced a power module substrate.
Similarly, Cu is fixed to one side of a metal plate made of 4N aluminum having a thickness of 0.6 mm by vacuum deposition, and both sides of the ceramic substrate made of Al 2 O 3 having a thickness of 40 mm square and a thickness of 0.635 mm are attached. In addition, the vapor deposition sides of both metal plates are laminated so as to be on the Al 2 O 3 side, respectively, and a vacuum furnace (vacuum degree: 10 −3 Pa to 10 −3 ) in a state of being pressurized with a pressure of 1 to 5 kg / cm 2 in the lamination direction The substrate for power module provided with the ceramic substrate, the circuit layer, and the metal layer was produced by heating at −5 Pa).
Here, the adhesion amount (Cu thickness) of Cu by vacuum deposition is set to five levels of 0.1 μm, 0.5 μm, 1.0 μm, 2.0 μm, and 3.0 μm, and the heating temperatures are 610 ° C., 630 ° C., A total of 30 types of power module substrates were formed at three levels of 650 ° C.
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、4Nアルミニウムからなり、厚さ0.9mmの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する50mm×60mm、厚さ5mmのアルミニウム板(A6063)を接合した。
この試験片を、−40℃−105℃の熱サイクルを3000回負荷し、セラミックス基板の割れの有無を確認した。なお、同一水準のパワーモジュール用基板をそれぞれ2個ずつ試験に供した。この結果を図9に示す。なお、図9において、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生しなかったものを○、セラミックス基板の割れが一つでも認められたものを△、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生したものを×とした。
On the metal layer side of the power module substrate thus molded, aluminum of 4N aluminum, 50 mm × 60 mm equivalent to the top plate of the heat sink, and 5 mm thick through a buffer layer having a thickness of 0.9 mm The plate (A6063) was joined.
The test piece was loaded 3000 times with a thermal cycle of −40 ° C. to 105 ° C. to confirm the presence or absence of cracks in the ceramic substrate. Two power module substrates of the same level were used for the test. The result is shown in FIG. In FIG. 9, all the test specimens were not cracked by the ceramic substrate, ◯, even if at least one ceramic substrate was cracked, and all the test specimens were cracked by the ceramic substrate. What was done was made into x.
また、前述の熱サイクルを3000回負荷し、その際の接合面積比率を求めた。この結果を図10に示す。なお、図10においては、熱サイクルを3000回負荷後の接合面積比率が85%以上のものを○、熱サイクルを3000回負荷後の接合面積比率が70%以上85%未満のものを△、熱サイクルを3000回負荷後の接合面積比率が70%未満のものを×とした。
なお、接合面積比率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合面積比率 = (初期接合面積−剥離面積)/初期接合面積
Moreover, the above-mentioned thermal cycle was loaded 3000 times and the joining area ratio in that case was calculated | required. The result is shown in FIG. In FIG. 10, the case where the bonding area ratio after loading the heat cycle 3000 times is 85% or more, the case where the bonding area ratio after loading the heat cycle 3000 times is 70% or more and less than 85%, Δ The case where the bonding area ratio after the thermal cycle was loaded 3000 times was less than 70% was evaluated as x.
The bonding area ratio was calculated by the following formula. Here, the initial bonding area is an area to be bonded before bonding.
Bonding area ratio = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area
図9に示すように、Cu固着工程において形成されるCu厚さが厚くなると、Al2O3からなるセラミックス基板の割れが発生しやすい傾向が確認される。また、Cu厚さが2μmの試験片においては、加熱温度が高いほどセラミックスの割れが抑制される傾向が確認される。
一方、図10に示すように、加熱温度が高いほど接合信頼性が向上する傾向が認められる。また、Cu厚さが1μm程度の場合には、加熱温度が低温でも接合信頼性が向上していることが確認される。
これらの試験結果から、Al2O3からなるセラミックス基板においては、接合時に金属板とセラミックス基板との界面に存在するCu厚さを2.5μm以下とすることが好ましいことが確認された。
As shown in FIG. 9, when the Cu thickness formed in the Cu fixing step is increased, it is confirmed that the ceramic substrate made of Al 2 O 3 tends to be cracked. Moreover, in the test piece whose Cu thickness is 2 micrometers, the tendency for the crack of ceramics to be suppressed is confirmed, so that heating temperature is high.
On the other hand, as shown in FIG. 10, it is recognized that the higher the heating temperature, the higher the bonding reliability. Further, when the Cu thickness is about 1 μm, it is confirmed that the bonding reliability is improved even when the heating temperature is low.
From these test results, it was confirmed that in the ceramic substrate made of Al 2 O 3 , it is preferable that the Cu thickness existing at the interface between the metal plate and the ceramic substrate at the time of bonding is 2.5 μm or less.
次に、図10において、熱サイクルを3000回負荷後の接合面積比率が70%未満であった試験片(Cu厚さ0.1μm、接合温度650℃)を比較例1、2とし、熱サイクルを3000回負荷後の接合面積比率が85%以上であった試験片(Cu厚さ1.0μm、接合温度650℃)を本発明例1、2とし、これら比較例1、2及び本発明例1、2について、熱サイクル負荷前の状態で接合界面を透過電子顕微鏡(日本電子製:JEM−2010F)を用いて観察した。この接合界面のCu濃度(Cu質量比)を、エネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した。金属板のうち接合界面から5nm離間した位置のCu濃度(Cu質量比)を、エネルギー分散型X線分析法(EDS)で分析した。なお、エネルギー分散型X線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡JEM−2010Fに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光X線元素分析装置NORAN System7を用いて加速電圧200kVで行った。結果を表1に示す。
Next, in FIG. 10, a test piece (Cu thickness 0.1 μm,
比較例1、2においては、接合界面におけるCu濃度(Cu質量比)が、金属板中のCu濃度(Cu質量比)の2倍未満とされており、Cu原子による接合強度の向上が不十分であることが確認された。
一方、本発明例1、2においては、接合界面におけるCu濃度(Cu質量比)が、金属板中のCu濃度(Cu質量比)の2倍以上とされており、このCu原子によって接合強度の向上が図られていることが確認された。
In Comparative Examples 1 and 2, the Cu concentration (Cu mass ratio) at the bonding interface is less than twice the Cu concentration (Cu mass ratio) in the metal plate, and the improvement in bonding strength by Cu atoms is insufficient. It was confirmed that.
On the other hand, in Inventive Examples 1 and 2, the Cu concentration (Cu mass ratio) at the bonding interface is set to be twice or more the Cu concentration (Cu mass ratio) in the metal plate. It was confirmed that improvement was achieved.
1 パワーモジュール
3 半導体チップ(電子部品)
10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
22、23 金属板
24、25 銅箔(Cu層)
26、27 溶融アルミニウム層
30 接合界面
32 Cu高濃度部
1 Power module 3 Semiconductor chip (electronic component)
DESCRIPTION OF
26, 27
Claims (8)
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Cu濃度が前記金属板中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A power module substrate in which a metal plate made of pure aluminum is bonded to the surface of a ceramic substrate made of Al 2 O 3 ,
A power module substrate, wherein a Cu high concentration portion in which a Cu concentration is twice or more of a Cu concentration in the metal plate is formed at a bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate.
前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ0.15μm以上3μm以下のCu層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Cu濃度が前記金属板中のCu濃度の2倍以上とされたCu高濃度部を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A method of manufacturing a power module substrate in which a metal plate made of pure aluminum is bonded to the surface of a ceramic substrate made of Al 2 O 3 ,
A laminating step of laminating the ceramic substrate and the metal plate via a Cu layer having a thickness of 0.15 μm or more and 3 μm or less, and pressurizing and heating the laminated ceramic substrate and the metal plate in the laminating direction; A melting step of forming a molten aluminum layer at an interface between the ceramic substrate and the metal plate, and a solidification step of solidifying the molten aluminum layer by cooling,
In the melting step and the solidifying step, a Cu high-concentration portion in which the Cu concentration is twice or more the Cu concentration in the metal plate is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate. A method for manufacturing a power module substrate.
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