JP2012164708A - Manufacturing method for substrate for power module, and substrate for power module - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a substrate for a power module, that can efficiently produce a substrate for a power module with high strength of an interface between a ceramic substrate and an aluminum layer composed of aluminum or an aluminum alloy and with excellent reliability, and provide the substrate for the power module.SOLUTION: The manufacturing method for a substrate for a power module includes: a fixture step of fixing Cu to a region where at least an aluminum layer 12 is formed on one surface of a ceramic substrate 11 and forming a fixture layer 24 including Cu; a molten aluminum filling step of disposing the ceramic substrate 11 on which the fixture layer 24 is formed in a mold 50, filling the mold 50 with molten aluminum M, and bringing the ceramic substrate 11 and the molten aluminum M into contact with each other; and a solidification step of solidifying the molten aluminum M in a state of being in contact with the ceramic substrate 11.

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の製造方法及びパワーモジュール用基板に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, and a power module substrate.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、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、特許文献１−４に示すように、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）等からなるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。ここで、特許文献１−４においては、セラミックス基板の一方の面に、溶融アルミニウムを接触させることによって、上述の回路層を形成している。   Among semiconductor elements, a power element for supplying power has a relatively high calorific value, and as a substrate on which the power element is mounted, for example, as shown in Patent Documents 1-4, highly insulating AlN (aluminum nitride). A power module substrate in which a circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate made of, etc. is widely used. Here, in patent documents 1-4, the above-mentioned circuit layer is formed by making molten aluminum contact one side of a ceramic substrate.

このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
また、例えば特許文献１に示すように、パワーモジュールから発生する熱を効率的に放散するために、セラミックス基板の他方の面側にヒートシンクを配設したものが提案されている。 In such a power module substrate, a semiconductor element as a power element is mounted on a circuit layer via a solder layer and used as a power module.
For example, as shown in Patent Document 1, in order to efficiently dissipate heat generated from a power module, a heat sink is provided on the other surface side of the ceramic substrate.

特開２００２−０７６５５１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-075651 特開２００２−３２９８１４号公報JP 2002-329814 A 特開２００５−２５２１３６号公報JP 2005-252136 A 特開２００７−０９２１５０号公報JP 2007-092150 A

ところで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板と回路層との界面には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差によって熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層との界面において剥離等が発生するおそれがあった。
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、前述のようにヒートシンク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ヒートシンクによって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、回路層とセラミックス基板との界面に大きなせん断力が作用することになる。よって、従来にもまして、セラミックス基板と回路層との界面強度を向上させる必要があった。 By the way, in the above-mentioned power module, a heat cycle is loaded at the time of use. Then, thermal stress acts on the interface between the ceramic substrate and the circuit layer due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and aluminum, and there is a possibility that peeling or the like occurs at the interface between the ceramic substrate and the circuit layer.
In particular, the power module has recently been reduced in size and thickness, and the usage environment has become severe, and the amount of heat generated from electronic components tends to increase. As described above, the power module is placed on the heat sink. It is necessary to dispose a substrate. In this case, since the power module substrate is constrained by the heat sink, a large shearing force acts on the interface between the circuit layer and the ceramic substrate during a heat cycle load. Therefore, it has been necessary to improve the interfacial strength between the ceramic substrate and the circuit layer as compared with the prior art.

ところで、特許文献１−４に記載されたように、セラミックス基板の表面に溶融アルミニウムを直接接触させることで回路層を形成する場合には、回路層とセラミックス基板との界面での剥離を防止するために、溶融アルミニウムとセラミックス基板との接触時間を十分に確保する必要があった。また、セラミックス基板が配設された鋳型内に溶融アルミニウムを充填する際の圧力を高く設定して、セラミックス基板と溶融アルミニウムとを高圧で接触させる必要があった。
このため、溶融アルミニウムの接触時間や圧力が変動した際には、セラミックス基板と回路層との界面強度が低下してしまうことになる。また、パワーモジュール用基板を効率良く生産することができないといった問題があった。 By the way, as described in Patent Documents 1-4, when the circuit layer is formed by bringing molten aluminum into direct contact with the surface of the ceramic substrate, peeling at the interface between the circuit layer and the ceramic substrate is prevented. Therefore, it is necessary to ensure a sufficient contact time between the molten aluminum and the ceramic substrate. In addition, it is necessary to set the pressure at the time of filling molten aluminum into the mold on which the ceramic substrate is disposed, and to bring the ceramic substrate and molten aluminum into contact with each other at a high pressure.
For this reason, when the contact time and pressure of molten aluminum fluctuate, the interface strength between the ceramic substrate and the circuit layer is lowered. Further, there is a problem that the power module substrate cannot be produced efficiently.

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、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can efficiently produce a power module substrate having high interfacial strength between a ceramic substrate and an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and excellent reliability. An object of the present invention is to provide a power module substrate manufacturing method and a power module substrate.

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の製造方法は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成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の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Ｃｕを固着し、Ｃｕを含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、 前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備えていることを特徴としている。   In order to solve the above problems and achieve the above object, a method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes a power module in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on one surface of a ceramic substrate. A method of manufacturing a substrate for use, comprising: a fixing step of fixing Cu to at least a region where the aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate; and forming a fixing layer containing Cu; Placing the ceramic substrate with the layer formed in a mold, filling the mold with molten aluminum, and contacting the ceramic substrate with the molten aluminum; and in contact with the ceramic substrate A solidifying step for solidifying the molten aluminum. There.

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、セラミックス基板の一方の面のうち少なくともアルミニウム層が形成される領域にＣｕを含有する固着層が形成され、このセラミックス基板に対して溶融アルミニウムを接触させる構成としているので、セラミックス基板のうち固着層が形成された領域においては、溶融アルミニウムとの反応性が高くなり、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応が促進されることになる。このため、溶融アルミニウムとセラミックス基板との接触時間を短くしたり、溶融アルミニウムの充填圧力を低くしたりしても、セラミックス基板とアルミニウム層との界面強度を向上させることができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製出することが可能となる。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this structure, a fixing layer containing Cu is formed at least in a region where an aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate, and molten aluminum is applied to the ceramic substrate. Since it is made to contact, in the area | region in which the adhering layer was formed among ceramic substrates, the reactivity with molten aluminum becomes high and reaction of a ceramic substrate and molten aluminum will be promoted. For this reason, even if the contact time between the molten aluminum and the ceramic substrate is shortened or the filling pressure of the molten aluminum is lowered, the interface strength between the ceramic substrate and the aluminum layer can be improved, and the bonding reliability is improved. An excellent power module substrate can be produced.

ここで、前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるＣｕの固着量が２０ｍｇ／ｃｍ２を超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、ＣｕとＡｌの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるＣｕの固着量を０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。 Here, it is preferable that the fixed amount of Cu in the fixing step is in the range of 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less.
When the Cu fixing amount in the fixing step is less than 0.1 mg / cm 2 , the effect of promoting the reaction between the ceramic substrate and the molten aluminum may not be sufficiently achieved. Moreover, when the amount of Cu fixation in the fixing step exceeds 20 mg / cm 2 , an excessive reaction product of Cu and Al is generated at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer, and the interface strength is reduced. There is a fear. Therefore, it is preferable that the amount of Cu fixed in the fixing step be in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 .

また、前記固着工程では、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させる構成とされていてもよい。
Ｃｕ、及び、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｎｉといった元素は、アルミニウムとの反応性が高い元素であることから、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に介在することによって界面強度を向上させることが可能となる。なお、Ｍｇ，Ｃａといった活性な元素を固着する場合には、Ａｌとともに固着させることにより、酸化ロスを抑えることができる。 Further, in the fixing step, in addition to Cu, one or more additive elements selected from Ag, Mg, Ca and Ni may be fixed.
Since elements such as Cu, Ag, Mg, Ca, and Ni are elements having high reactivity with aluminum, the interfacial strength can be improved by interposing at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer. Become. When an active element such as Mg or Ca is fixed, the oxidation loss can be suppressed by fixing together with Al.

ここで、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が０．１ｍｇ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が２０ｍｇ／ｃｍ２を超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Ｃｕ及び添加元素とＡｌとの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計を０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。 Here, it is preferable that the total amount of Cu and the additional elements fixed in the fixing step be in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 .
When the total amount of Cu and the additive element fixed in the fixing step is less than 0.1 mg / cm 2 , the effect of promoting the reaction between the ceramic substrate and the molten aluminum may not be sufficiently achieved. is there. In addition, when the total amount of Cu and the additional element fixed in the fixing step exceeds 20 mg / cm 2 , the reaction product of Cu, the additive element, and Al is excessive at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer. It may generate | occur | produce and interface strength may fall. Therefore, it is preferable that the total amount of Cu and the additional element in the fixing step be in the range of 0.1 mg / cm 2 to 20 mg / cm 2 .

前記固着工程においては、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕを固着させることが好ましい。
この場合、セラミックス基板の一方の面に、確実にＣｕを固着することが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができる。 In the fixing step, Cu is preferably fixed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste or ink in which powder is dispersed.
In this case, Cu can be securely fixed to one surface of the ceramic substrate. In addition, the amount of Cu adhering can be adjusted with high accuracy.

前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を形成する構成としてもよい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第２アルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板が製出されることになる。なお、第２アルミニウム層については、アルミニウム層と同様に、溶融アルミニウムをセラミックス基板の他方の面に接触させることで形成してもよいし、アルミニウム板をろう付け等で接合してもよい。 A second aluminum layer made of aluminum or aluminum alloy may be formed on the other surface of the ceramic substrate.
In this case, a power module substrate is produced in which an aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate and a second aluminum layer is formed on the other surface of the ceramic substrate. The second aluminum layer may be formed by bringing molten aluminum into contact with the other surface of the ceramic substrate in the same manner as the aluminum layer, or an aluminum plate may be joined by brazing or the like.

本発明のパワーモジュール用基板は、前述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から５０μｍの位置におけるＣｕ濃度と、前記セラミックス基板との界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度との濃度差が０．１質量％以下とされており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Ｃｕ濃度が前記アルミニウム層中の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。   The power module substrate of the present invention is a power module substrate manufactured by the above-described method for manufacturing a power module substrate, and in the aluminum layer, a Cu concentration at a position of 50 μm from the interface with the ceramic substrate, The concentration difference with the Cu concentration at a position of 100 μm from the interface with the ceramic substrate is 0.1% by mass or less, and the Cu concentration is in the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer. It is characterized in that a Cu high concentration part having a Cu concentration twice or more is formed.

この構成のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Ｃｕ濃度がアルミニウム層中の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アルミニウム層との界面強度の向上を図ることが可能となる。
なお、アルミニウム層中のＣｕ濃度とは、アルミニウム層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, a Cu high concentration portion in which the Cu concentration is twice or more the Cu concentration in the aluminum layer is formed at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer. Due to the existing Cu atoms, the interface strength between the ceramic substrate and the aluminum layer can be improved.
The Cu concentration in the aluminum layer is the Cu concentration in a portion of the aluminum layer that is away from the bonding interface by a certain distance (for example, 5 nm).

ここで、前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることが好ましい。
また、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることが好ましい。
さらに、前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との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＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされていることが好ましい。 Here, when the ceramic substrate is composed of AlN, the mass ratio of Al, Cu, O, and N analyzed by energy dispersive X-ray analysis at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer is as follows: It is preferable that Al: Cu: O: N = 50 to 90% by mass: 1 to 10% by mass: 2 to 20% by mass: 25% by mass or less.
Further, when the ceramic substrate is made of Si 3 N 4 , Al, Si, Cu, O, and N of the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer analyzed by energy dispersive X-ray analysis are used. The mass ratio is preferably Al: Si: Cu: O: N = 15 to 45 mass%: 15 to 45 mass%: 1 to 10 mass%: 2 to 20 mass%: 25 mass% or less.
Further, in the case where the ceramic substrate is composed of Al 2 O 3 , the mass ratio of Al, Cu, and O obtained by analyzing the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer by energy dispersive X-ray analysis, Al: Cu: O = 50 to 90% by mass: 1 to 10% by mass: 0 to 45% by mass is preferable.

セラミックス基板のアルミニウム層との界面に存在するＣｕ原子の質量比が１０質量％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１質量％未満であると、Ｃｕ原子による界面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、セラミックス基板とアルミニウム層との界面におけるＣｕ原子の質量比は、１〜１０質量％の範囲内とすることが好ましい。   If the mass ratio of Cu atoms present at the interface with the aluminum layer of the ceramic substrate exceeds 10% by mass, a reaction product of Al and Cu will be generated excessively, and this reaction product may inhibit bonding. There is. On the other hand, if the mass ratio of Cu atoms is less than 1% by mass, the interfacial strength due to Cu atoms may not be sufficiently improved. Therefore, the mass ratio of Cu atoms at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer is preferably in the range of 1 to 10% by mass.

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、アルミニウム層の結晶粒界とセラミックス基板との界面は測定対象とせず、アルミニウム層の結晶粒とセラミックス基板との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 interface, and the average value is calculated. In the measurement, the interface between the crystal grain boundary of the aluminum layer and the ceramic substrate is not measured, and only the interface between the crystal grain of the aluminum layer 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.

また、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有する構成としてもよい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第２アルミニウム層が形成されており、セラミックス基板の反りの発生が抑制される。また、例えば、アルミニウム層を回路層として半導体素子を配設し、第２アルミニウム層側にヒートシンクを配設することで、ヒートシンクを備えたパワーモジュールを構成することが可能となる。 Moreover, in the board | substrate for power modules of this invention, it is good also as a structure which has the 2nd aluminum layer which consists of aluminum or an aluminum alloy in the other surface of the said ceramic substrate.
In this case, the aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate, and the second aluminum layer is formed on the other surface of the ceramic substrate, and thus the warpage of the ceramic substrate is suppressed. In addition, for example, by arranging a semiconductor element using an aluminum layer as a circuit layer and arranging a heat sink on the second aluminum layer side, a power module including the heat sink can be configured.

本発明によれば、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。   According to the present invention, a method for producing a power module substrate capable of efficiently producing a power module substrate having high interfacial strength between the ceramic substrate and an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy and excellent in reliability, and A power module substrate can be provided.

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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 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の回路層及び金属層とセラミック基板との界面の模式図である。It is a schematic diagram of the interface of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention, a metal layer, and a ceramic substrate. 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の回路層及び金属層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Cu density | concentration distribution of the circuit layer and metal layer of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 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の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 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の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 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の回路層とセラミック基板との界面の模式図である。It is a schematic diagram of the interface of the circuit layer and ceramic substrate of the board | substrate for power modules which are the 2nd Embodiment of this invention. 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の回路層のＣｕ濃度分布及びＭｇ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Cu density | concentration distribution and Mg density | concentration distribution of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 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の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 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の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層とセラミックス基板との界面の模式図である。It is a schematic diagram of the interface of the circuit layer and ceramic substrate of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Cu density | concentration distribution of the circuit layer of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の金属層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows Cu density | concentration distribution of the metal layer of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 3rd Embodiment of this invention. 図１６におけるセラミックス基板と金属層との接合界面を示す拡大説明図である。FIG. 17 is an enlarged explanatory view showing a bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer in FIG. 16.

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素子３と、ヒートシンク４０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 power module substrate 10 and a power module 1 according to a first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor element 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and a heat sink 40. Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

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ＡｌＮ（窒化アルミ）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 power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層１２及び金属層１３は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）で構成されている。 The circuit layer 12 is formed by bringing one surface of the ceramic substrate 11 into contact with solid aluminum made of aluminum or an aluminum alloy and solidifying it.
The metal layer 13 is formed by contacting and solidifying molten aluminum made of aluminum or an aluminum alloy on the other surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the circuit layer 12 and the metal layer 13 are made of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.

ヒートシンク４０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４１と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２とを備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）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。   The heat sink 40 is for cooling the power module substrate 10 described above, and includes a top plate portion 41 joined to the power module substrate 10 and a flow path 42 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). It has. The heat sink 40 (top plate portion 41) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.

そして、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面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、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及び金属層１３中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、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 interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is observed with a transmission electron microscope, a Cu high-concentration portion 32 enriched with Cu is formed at the interface 30 as shown in FIG. Has been. In the Cu high concentration portion 32, the Cu concentration is higher than the Cu concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13. Specifically, the Cu concentration at the interface 30 is the circuit layer 12 and the metal layer 13. It is set to be twice or more of the Cu concentration inside. Here, in this embodiment, the thickness H of the Cu high concentration portion 32 is 4 nm or less.

なお、ここで観察する界面３０は、図２に示すように、回路層１２及び金属層１３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及び金属層１３中のＣｕ濃度とは、回路層１２及び金属層１３のうち界面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。 As shown in FIG. 2, the interface 30 observed here is the center between the interface side end of the lattice image of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the interface side end of the lattice image of the ceramic substrate 11. A reference plane S is assumed.
Further, the Cu concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 is a Cu concentration in a portion of the circuit layer 12 and the metal layer 13 that is away from the interface 30 by a certain distance (5 nm in this embodiment).

また、この界面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、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下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、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の結晶粒界とセラミックス基板１１との界面３０は測定対象とせず、回路層１２及び金属層１３の結晶粒とセラミックス基板１１との界面３０のみを測定対象としている。   The mass ratio of Al, Cu, O, and N when the interface 30 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: Cu: O: N = 50 to 90% by mass: 1 to 10%. It is set in the range of mass%: 2-20 mass%: 25 mass% or less. In addition, the spot diameter at the time of performing the analysis by EDS is 1 to 4 nm, the interface 30 is measured at a plurality of points (for example, 100 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the interface 30 between the crystal grain boundaries of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 is not measured, and only the interface 30 between the crystal grains of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 is measured. Yes.

また、回路層１２及び金属層１３におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図３に示すように、Ｃｕの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕが一様に分布しており、界面３０からの濃度勾配が確認されないのである。なお、回路層１２及び金属層１３におけるＣｕ濃度は、セラミックス基板１１の界面からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板１１の界面３０部分にのみＣｕが濃縮しているのである。 Moreover, as a result of measuring the Cu concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm), the Cu concentration did not change in the thickness direction as shown in FIG. That is, Cu is uniformly distributed, and the concentration gradient from the interface 30 is not confirmed. The Cu concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 was an average value measured at five points at each position from the interface of the ceramic substrate 11.
Thus, in this embodiment, Cu is concentrated only in the interface 30 portion of the ceramic substrate 11.

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules which is this embodiment is demonstrated with reference to FIG.4 and FIG.5.

まず、セラミックス基板１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２４を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ０１）。ここで、第１Ｃｕ層２４及び第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量は、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 First, Cu is fixed to one surface of the ceramic substrate 11 by sputtering to form a first Cu layer 24, and Cu is fixed to the other surface of the ceramic substrate 11 by sputtering to form a second Cu layer 25 (Cu Fixing step S01). Here, the amount of Cu in the first Cu layer 24 and the second Cu layer 25 is set to 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less.

次に、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成されたセラミックス基板１１を、鋳型５０のキャビティ５１内に設置する。この鋳型５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口５２から供給路５３を介してキャビティ５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。なお、鋳型５０は、黒鉛で構成されており、そのキャビティ５１の内面には、ＢＮ等の離型剤が塗布されている。 Next, the ceramic substrate 11 on which the first Cu layer 24 and the second Cu layer 25 are formed is placed in the cavity 51 of the mold 50. While the mold 50 is heated to 700 to 850 ° C., the molten aluminum M is filled into the cavity 51 from the molten metal supply port 52 through the supply path 53 (molten aluminum filling step S02). At this time, the filling pressure of the molten aluminum M is set to 1 × 10 5 to 3.5 × 10 6 Pa. The molten aluminum M is 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more. The mold 50 is made of graphite, and a release agent such as BN is applied to the inner surface of the cavity 51.

次に、所定時間保持後、鋳型５０を冷却し、キャビティ５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ０３）。このとき、６００℃まで１５分掛けて冷却する。
そして、鋳型５０から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層１２及び金属層１３を形成する（仕上工程Ｓ０４）。
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が製出されることになる。 Next, after holding for a predetermined time, the mold 50 is cooled, and the molten aluminum M filled in the cavity 51 is solidified (solidification step S03). At this time, it cools over 600 minutes to 600 degreeC.
And it removes from the casting_mold | template 50 and removes excess aluminum by cutting or an etching etc., and forms the circuit layer 12 and the metal layer 13 (finishing process S04).
In this way, the power module substrate 10 according to the present embodiment is produced.

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の製造方法及びパワーモジュール用基板１０においては、Ｃｕ固着工程Ｓ０１において、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕを含有する第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成され、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２において、鋳型５０のキャビティ５１内に設置されたセラミックス基板１１と溶融アルミニウムＭとが接触される構成とされているので、セラミックス基板１０のうち第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成された領域においては、アルミニウムとの反応性が高くなり、セラミックス基板１１と溶融アルミニウムＭとの反応が促進されることになる。よって、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板１１との接触時間を短くしたり、溶融アルミニウムＭの充填圧力を低くしたりしても、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度を向上させることができ、信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を製出することが可能となる。   In the method for manufacturing the power module substrate 10 and the power module substrate 10 according to the present embodiment having the above-described configuration, the Cu fixing step S01 includes Cu Cu on one surface and the other surface of the ceramic substrate 11. The first Cu layer 24 and the second Cu layer 25 containing bismuth are formed, and in the molten aluminum filling step S02, the ceramic substrate 11 placed in the cavity 51 of the mold 50 and the molten aluminum M are brought into contact with each other. Therefore, in the region of the ceramic substrate 10 where the first Cu layer 24 and the second Cu layer 25 are formed, the reactivity with aluminum is increased, and the reaction between the ceramic substrate 11 and the molten aluminum M is promoted. . Therefore, even if the contact time between the molten aluminum M and the ceramic substrate 11 is shortened or the filling pressure of the molten aluminum M is lowered, the interface strength between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is improved. Therefore, the power module substrate 10 having excellent reliability can be produced.

また、Ｃｕ固着工程Ｓ０１におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、Ｃｕによる反応の促進の効果を確実に奏功せしめることができるとともに、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度を向上させることが可能となる。 In addition, since the Cu fixing amount in the Cu fixing step S01 is in the range of 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less, the effect of promoting the reaction by Cu can be surely achieved, Excessive generation of a reaction product of Cu and Al can be suppressed. Therefore, the interface strength between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 can be improved.

さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にＣｕを固着させる構成とされているので、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量を精度良く調整することができる。
また、本実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を、他方の面に金属層１３を同時に形成する構成とされていることから、セラミックス基板１１における反りの発生を防止することができる。 Furthermore, since the Cu fixing step S01 is configured to fix Cu to one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 by sputtering, the amount of Cu in the first Cu layer 24 and the second Cu layer 25 is accurately adjusted. can do.
Further, in the present embodiment, the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 is formed on the other surface at the same time, thereby preventing warpage in the ceramic substrate 11. Can do.

また、本実施形態においては、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２において、溶融アルミニウムＭの充填温度を７００〜８５０℃としているので、湯流れ性が確保され、キャビティ５１内に溶融アルミニウムＭを十分に充填させることができ、かつ、鋳型５０に密着することがなく、鋳型５０から容易に取り出すことができる。   Further, in the present embodiment, since the filling temperature of the molten aluminum M is set to 700 to 850 ° C. in the molten aluminum filling step S02, the molten metal M is sufficiently filled in the cavity 51 because the molten metal flow is ensured. And can be easily taken out from the mold 50 without being in close contact with the mold 50.

本実施形態であるパワーモジュール用基板１０は、上述のように、Ｃｕ固着工程Ｓ０１、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２、凝固工程Ｓ０３、仕上工程Ｓ０４により、製出されたものである。ここで、セラミックス基板１１に固着された第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕは、溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散することから、製出後のパワーモジュール用基板１０では、回路層１２及び金属層１３において、図３に示すように、厚さ方向におけるＣｕ濃度分布が確認されない。   As described above, the power module substrate 10 according to the present embodiment is produced by the Cu fixing step S01, the molten aluminum filling step S02, the solidification step S03, and the finishing step S04. Here, since Cu in the first Cu layer 24 and the second Cu layer 25 fixed to the ceramic substrate 11 easily diffuses into the molten aluminum M, the circuit layer 12 In the metal layer 13, as shown in FIG. 3, the Cu concentration distribution in the thickness direction is not confirmed.

そして、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面を電子顕微鏡で詳細に観察すると、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。なお、Ｃｕ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。このように、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面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、界面３０にＣｕ原子が介在することにより、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度の向上を図ることが可能となる。   Then, when the interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is observed in detail with an electron microscope, the Cu high-concentration portion in which the Cu concentration is at least twice the Cu concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 32 is formed. The thickness H of the Cu high concentration portion 32 is 4 nm or less. As described above, the Cu high concentration portion 32 in which the Cu concentration is twice or more the Cu concentration in the circuit layer 12 and the metal layer 13 is formed at the interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13. Therefore, by interposing Cu atoms at the interface 30, it is possible to improve the interface strength between the ceramic substrate 11 made of AlN, the circuit layer 12, and the metal layer 13.

また、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。   Further, the mass ratio of Al, Cu, O, and N obtained by analyzing the interface 30 between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 by energy dispersive X-ray analysis is Al: Cu: O: N = 50 to 90% by mass: 1 to 10% by mass: 2 to 20% by mass: 25% by mass or less, so that an excessive reaction product of Cu and Al can be prevented, and the ceramic substrate 11 and the circuit layer can be prevented. 12 and the interface strength with the metal layer 13 are improved. Therefore, the reliability at the time of heat cycle load can be improved.

また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成されており、金属層１３の他方の面側にヒートシンク４０が配設されているので、ヒートシンク４０とセラミックス基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱応力を金属層１３で緩和することができ、セラミックス基板１１における亀裂の発生を防止することができる。よって、回路層１２上に配設された半導体素子３とヒートシンク４０との間の絶縁性を確保することができる。   In the power module 1 according to the present embodiment, the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11, the metal layer 13 is formed on the other surface, and the other surface side of the metal layer 13 is formed. Since the heat sink 40 is provided, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink 40 and the ceramic substrate 11 can be relieved by the metal layer 13, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be prevented. Can do. Therefore, insulation between the semiconductor element 3 disposed on the circuit layer 12 and the heat sink 40 can be ensured.

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６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。
このパワーモジュール１０１は、パワーモジュール用基板１１０と、このパワーモジュール用基板１１０の一方の面（図６において上面）にはんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方の面（図６において下面）側に配設されたヒートシンク１４０と、を備えている。ここで、はんだ層１０２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１１２とはんだ層１０２との間にＮｉ膜（図示なし）が設けられている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a power module substrate 110 and a power module 101 according to the second embodiment of the present invention.
The power module 101 includes a power module substrate 110, a semiconductor element 103 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 6) of the power module substrate 110 via a solder layer 102, and the power module substrate 110. And a heat sink 140 disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 6) side. Here, the solder layer 102 is made of, for example, Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder. In the present embodiment, a Ni film (not shown) is provided between the circuit layer 112 and the solder layer 102.

本実施形態である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の一方の面に配設された回路層１１２と、を備えている。
セラミックス基板１１１は、その一方の面側と他方の面側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Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）で構成されている。また、セラミックス基板１１１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、０．３２ｍｍに設定されている。 The power module substrate 110 according to the present embodiment includes a ceramic substrate 111 and a circuit layer 112 disposed on one surface of the ceramic substrate 111.
The ceramic substrate 111 prevents electrical connection between the one surface side and the other surface side, and is made of highly insulating Si 3 N 4 (silicon nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 111 is set in a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment, is set to 0.32 mm.

回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層１１２は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）で構成されている。 The circuit layer 112 is formed by contacting and solidifying molten aluminum made of aluminum or an aluminum alloy on one surface of the ceramic substrate 111.
In the present embodiment, the circuit layer 112 is made of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.

ヒートシンク１４０は、半導体素子１０３が搭載されるパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態では、熱伝導性が良好なＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成された放熱板とされている。また、このヒートシンク１４０は、図６に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面に直接接合されている。   The heat sink 140 is for cooling the power module substrate 110 on which the semiconductor element 103 is mounted. In the present embodiment, the heat dissipation plate is made of A6063 (aluminum alloy) having good thermal conductivity. The heat sink 140 is directly bonded to the other surface of the ceramic substrate 111 as shown in FIG.

そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図７に示すように、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中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、界面１３０におけるＣｕ濃度が、回路層１１２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。
さらに、このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｍｇを含有しており、界面１３０におけるＭｇ濃度が、回路層１１２中のＭｇ濃度よりも高くなっている。 When the interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 is observed with a transmission electron microscope, a Cu high-concentration portion 132 in which Cu is concentrated is formed at the interface 130 as shown in FIG. In the Cu high concentration portion 132, the Cu concentration is higher than the Cu concentration in the circuit layer 112. Specifically, the Cu concentration at the interface 130 is more than twice the Cu concentration in the circuit layer 112. It is said that. Here, in this embodiment, the thickness H of the Cu high concentration portion 132 is 4 nm or less.
Further, the Cu high concentration portion 132 contains Mg, and the Mg concentration at the interface 130 is higher than the Mg concentration in the circuit layer 112.

なお、ここで観察する接合界面１３０は、図７に示すように、回路層１１２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中のＣｕ濃度とは、回路層１１２のうち界面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濃度である。 Note that the bonding interface 130 observed here is, as shown in FIG. 7, a reference plane S at the center between the interface side end of the lattice image of the circuit layer 112 and the interface side end of the lattice image of the ceramic substrate 111. And
Further, the Cu concentration in the circuit layer 112 is a Cu concentration in a portion of the circuit layer 112 that is away from the interface 130 by a certain distance (5 nm in this embodiment).

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、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下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, Si, Cu, O, and N when the bonded interface 130 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: Si: Cu: O: N = 15 to 45 mass. %: 15 to 45 mass%: 1 to 10 mass%: 2 to 20 mass%: 25 mass% or less. In addition, the spot diameter at the time of performing the analysis by EDS is 1 to 4 nm, the bonding interface 130 is measured at a plurality of points (for example, 100 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the bonding interface 130 between the crystal grain boundary of the circuit layer 112 and the ceramic substrate 111 is not measured, and only the bonding interface 130 between the crystal grain of the circuit layer 112 and the ceramic substrate 111 is measured.

また、回路層１１２におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図８に示すように、Ｃｕ及びＭｇの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕ及びＭｇが一様に分布しており、界面１３０からの濃度勾配が認められていないのである。なお、回路層１１２におけるＣｕ濃度及びＭｇ濃度は、セラミックス基板１１１の界面１３０からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板１１１の界面１３０部分にのみＣｕ及びＭｇが濃縮しているのである。 Further, as a result of measuring the Cu concentration in the circuit layer 112 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm), as shown in FIG. That is, Cu and Mg are uniformly distributed, and a concentration gradient from the interface 130 is not recognized. The Cu concentration and the Mg concentration in the circuit layer 112 were average values measured at five points from each position from the interface 130 of the ceramic substrate 111.
Thus, in the present embodiment, Cu and Mg are concentrated only in the interface 130 portion of the ceramic substrate 111.

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図９、図１０を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 110 for power modules which is this embodiment is demonstrated with reference to FIG. 9, FIG.

まず、セラミックス基板１１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕ及びＭｇを固着して第１Ｃｕ層１２４を形成するとともに、セラミックス基板１１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕ及びＭｇを固着して第２Ｃｕ層１２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ１０１）。ここで、第１Ｃｕ層１２４及び第２Ｃｕ層１２５におけるＣｕ量及びＭｇ量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。 First, Cu and Mg are fixed to one surface of the ceramic substrate 111 by sputtering to form a first Cu layer 124, and Cu and Mg are fixed to the other surface of the ceramic substrate 111 by sputtering to form a second Cu layer 125. Form (Cu fixing step S101). Here, the total amount of Cu and Mg in the first Cu layer 124 and the second Cu layer 125 is set to 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less.

次に、セラミックス基板１１１を、その一方の面が溶湯供給口１５２側を向くように、鋳型１５０のキャビティ１５１内に設置する。この鋳型１５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口１５２から供給路１５３を介してキャビティ１５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。
そして、所定時間保持後、鋳型１５０を冷却し、キャビティ１５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ１０３）。 Next, the ceramic substrate 111 is placed in the cavity 151 of the mold 150 so that one surface thereof faces the molten metal supply port 152 side. In a state where the mold 150 is heated to 700 to 850 ° C., the molten aluminum M is filled into the cavity 151 from the molten metal supply port 152 through the supply path 153 (molten aluminum filling step S102). At this time, the filling pressure of the molten aluminum M is set to 1 × 10 5 to 3.5 × 10 6 Pa. The molten aluminum M is 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more.
And after hold | maintaining for predetermined time, the casting_mold | template 150 is cooled and the molten aluminum M with which the cavity 151 was filled is solidified (solidification process S103).

次に、セラミックス基板１１１を、その他方の面が溶湯供給口１５２側を向くように、鋳型１５０のキャビティ１５１内に設置する。この鋳型１５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口１５２から供給路１５３を介してキャビティ１５１内に第２溶融アルミニウムＭ２を充填する（第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４）。このとき、第２溶融アルミニウムＭ２の充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、第２溶融アルミニウムＭ２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）とされている。
そして、所定時間保持後、鋳型１５０を冷却し、キャビティ１５１内に充填された第２溶融アルミニウムＭ２を凝固させる（第２凝固工程Ｓ１０５）。 Next, the ceramic substrate 111 is placed in the cavity 151 of the mold 150 so that the other surface faces the molten metal supply port 152 side. While heating the mold 150 to 700-850 ° C., from the melt feed port 152 through the supply passage 153 to fill the second molten aluminum M 2 in the cavity 151 (second molten aluminum filling step S104). At this time, the filling pressure of the second molten aluminum M 2 is set to 1 × 10 5 to 3.5 × 10 6 Pa. The second molten aluminum M 2 is an A6063 (aluminum alloy).
Then, after a predetermined time holding the mold 150 is cooled, to solidify the second molten aluminum M 2 filled in the cavity 151 (the second coagulation step S105).

そして、セラミックス基板１１１を鋳型１５０から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層１１２及びヒートシンク１４０を形成する（仕上工程Ｓ１０６）。
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及びヒートシンク１４０が製出されることになる。 Then, the ceramic substrate 111 is taken out from the mold 150, and excess aluminum is removed by cutting or etching to form the circuit layer 112 and the heat sink 140 (finishing step S106).
Thus, the power module substrate 110 and the heat sink 140 according to the present embodiment are produced.

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の製造方法においては、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１により、セラミックス基板１１１の一方の面に、Ｃｕ及びＭｇを含有する第１Ｃｕ層１２４を形成し、溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２により、鋳型１５０に設置されたセラミックス基板１１１と溶融アルミニウムＭとを接触させる構成とされているので、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板１１１との反応性が高くなり、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度を向上させることが可能となる。   In the method for manufacturing the power module substrate 110 according to the present embodiment configured as described above, the first Cu layer 124 containing Cu and Mg is formed on one surface of the ceramic substrate 111 by the Cu fixing step S101. In the molten aluminum filling step S102, the ceramic substrate 111 placed on the mold 150 and the molten aluminum M are brought into contact with each other. Therefore, the reactivity between the molten aluminum M and the ceramic substrate 111 increases, and the ceramics The interface strength between the substrate 111 and the circuit layer 112 can be improved.

同様に、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１により、セラミックス基板１１１の他方の面に、Ｃｕ及びＭｇを含有する第２Ｃｕ層１２５を形成し、第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４により、鋳型１５０に設置されたセラミックス基板１１１と第２溶融アルミニウムＭ２とを接触させる構成とされているので、第２溶融アルミニウムＭ２とセラミックス基板１１１との反応性が高くなり、セラミックス基板１１１とヒートンシンク１４０との界面強度を向上させることが可能となる。 Similarly, a second Cu layer 125 containing Cu and Mg is formed on the other surface of the ceramic substrate 111 by the Cu fixing step S101, and the ceramic substrate 111 placed on the mold 150 is installed by the second molten aluminum filling step S104. Since the second molten aluminum M 2 is brought into contact with the second molten aluminum M 2 , the reactivity between the second molten aluminum M 2 and the ceramic substrate 111 is increased, and the interface strength between the ceramic substrate 111 and the heat sink 140 is improved. It becomes possible.

また、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１におけるＣｕ及びＭｇの固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされているので、Ｃｕ及びＭｇによるセラミックス基板１１１とアルミニウムとの反応を促進することができるとともに、Ｃｕ及びＭｇとＡｌの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板１１１と回路層１１２及びヒートシンク１４０との界面強度を向上させることが可能となる。
さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕ及びＭｇを固着させる構成としているので、第１Ｃｕ層１２４及び第２Ｃｕ層１２５における、Ｃｕ量及びＭｇ量を精度良く調整することができる。 In addition, since the total amount of Cu and Mg fixed in the Cu fixing step S101 is 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less, the reaction between the ceramic substrate 111 and aluminum by Cu and Mg is promoted. In addition, it is possible to suppress the formation of excessive reaction products of Cu, Mg, and Al. Therefore, the interface strength between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 and the heat sink 140 can be improved.
Furthermore, since the Cu fixing step S101 is configured to fix Cu and Mg to one surface and the other surface of the ceramic substrate 111 by sputtering, the Cu amount and Mg in the first Cu layer 124 and the second Cu layer 125 are set. The amount can be adjusted with high accuracy.

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１１の一方の面に回路層１１２を形成する工程と、セラミックス基板１１１の他方の面にヒートシンク１４０を形成する工程とを、別工程としていることから、回路層１１２とヒートシンク１４０とでアルミニウムの材質を異なるものとすることができる。   Furthermore, in this embodiment, the step of forming the circuit layer 112 on one surface of the ceramic substrate 111 and the step of forming the heat sink 140 on the other surface of the ceramic substrate 111 are separate steps. The layer 112 and the heat sink 140 can be made of different aluminum materials.

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０は、上述のように、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１、溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２、凝固工程Ｓ１０３、第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４、第２凝固工程Ｓ１０５、仕上工程Ｓ１０６により、製出されたものである。ここで、セラミックス基板１１１に固着された第１Ｃｕ層１２４のＣｕ及びＭｇは、溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散することから、製出後のパワーモジュール用基板１１０において、回路層１１２の厚さ方向におけるＣｕ濃度分布及びＭｇ濃度分布が確認されない。   Further, as described above, the power module substrate 110 according to the present embodiment includes the Cu fixing step S101, the molten aluminum filling step S102, the solidification step S103, the second molten aluminum filling step S104, the second solidification step S105, and the finishing step. It is produced by S106. Here, since Cu and Mg of the first Cu layer 124 fixed to the ceramic substrate 111 are easily diffused into the molten aluminum M, the thickness direction of the circuit layer 112 in the power module substrate 110 after production. Cu concentration distribution and Mg concentration distribution are not confirmed.

ただし、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ｃｕ濃度が回路層１１２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。なお、Ｃｕ高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。なお、このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｍｇも濃縮していることになる。
このように、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０に、Ｃｕ及びＭｇが濃縮されたＣｕ高濃度部１３２が形成されているので、界面１３０にＣｕ原子及びＭｇ原子が介在することにより、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度の向上を図ることが可能となる。
同様に、セラミックス基板１１１とヒートシンク１４０との界面にもＣｕ及びＭｇが濃縮することになり、セラミックス基板１１１とヒートシンク１４０との界面強度の向上を図ることが可能となる。 However, when the interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 is observed in detail with an electron microscope, a Cu high-concentration portion 132 in which the Cu concentration is twice or more the Cu concentration in the circuit layer 112 is formed. Note that the thickness H of the Cu high concentration portion 132 is set to 4 nm or less. In this Cu high concentration portion 132, Mg is also concentrated.
In this manner, since the Cu high concentration portion 132 in which Cu and Mg are concentrated is formed at the interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112, Cu atoms and Mg atoms are present in the interface 130, The interface strength between the ceramic substrate 111 made of Si 3 N 4 and the circuit layer 112 can be improved.
Similarly, Cu and Mg are also concentrated at the interface between the ceramic substrate 111 and the heat sink 140, and the interface strength between the ceramic substrate 111 and the heat sink 140 can be improved.

また、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。   The mass ratio of Al, Si, Cu, O, and N obtained by analyzing the interface 130 between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 by energy dispersive X-ray analysis is Al: Si: Cu: O: N = 15 to 45% by mass: 15 to 45% by mass: 1 to 10% by mass: 2 to 20% by mass: 25% by mass or less, so that an excessive reaction product of Cu and Al can be prevented, The interface strength between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 is improved. Therefore, the reliability at the time of heat cycle load can be improved.

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１１に本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板２１０及びパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール２０１は、パワーモジュール用基板２１０と、このパワーモジュール用基板２１０の一方の面（図１１において上面）にはんだ層２０２を介して接合された半導体素子２０３と、パワーモジュール用基板２１０の他方の面（図１１において下面）側に配設されたヒートシンク２４０と、を備えている。ここで、はんだ層２０２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２１２とはんだ層２０２との間にＮｉ膜（図示なし）が設けられている。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 shows a power module substrate 210 and a power module 201 according to the third embodiment of the present invention.
The power module 201 includes a power module substrate 210, a semiconductor element 203 bonded to one surface (upper surface in FIG. 11) of the power module substrate 210 via a solder layer 202, and the power module substrate 210. And a heat sink 240 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 11) side. Here, the solder layer 202 is made of, for example, Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder. In this embodiment, a Ni film (not shown) is provided between the circuit layer 212 and the solder layer 202.

本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面に配設された回路層２１２と、他方の面に配設された金属層２１３とを備えている。
セラミックス基板２１１は、その一方の面側と他方の面側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２１１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 power module substrate 210 according to this embodiment includes a ceramic substrate 211, a circuit layer 212 disposed on one surface of the ceramic substrate 211, and a metal layer 213 disposed on the other surface. Yes.
The ceramic substrate 211 prevents electrical connection between the one surface side and the other surface side, and is made of Al 2 O 3 (alumina) having high insulation properties. Further, the thickness of the ceramic substrate 211 is set in a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment, is set to 0.635 mm.

回路層２１２は、セラミックス基板２１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層２１２は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）で構成されている。 The circuit layer 212 is formed by contacting and solidifying molten aluminum made of aluminum or an aluminum alloy on one surface of the ceramic substrate 211.
In the present embodiment, the circuit layer 212 is made of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more.

金属層２１３は、図１６に示すように、セラミックス基板２１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板２２３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２１３は、純度が９９．９９質量％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２２３がセラミックス基板２１１に接合されることで形成されている。   As shown in FIG. 16, the metal layer 213 is formed by joining a metal plate 223 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 211. In this embodiment, the metal layer 213 is formed by joining a metal plate 223 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 211.

ヒートシンク２４０は、半導体素子２０３が搭載されるパワーモジュール用基板２１０を冷却するためのものであり、天板部２４１と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路２４２とを備えている。ヒートシンク２４０（天板部２４１）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２４０の天板部２４１と金属層２１３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２１５が設けられている。 The heat sink 240 is for cooling the power module substrate 210 on which the semiconductor element 203 is mounted, and includes a top plate portion 241 and a flow path 242 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). . The heat sink 240 (top plate portion 241) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and in this embodiment, is made of A6063 (aluminum alloy).
In the present embodiment, a buffer layer 215 made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) is provided between the top plate portion 241 of the heat sink 240 and the metal layer 213. .

そして、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１２に示すように、界面２３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部２３２が形成されている。このＣｕ高濃度部２３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層２１２中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、界面２３０におけるＣｕ濃度が、回路層２１２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２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。   When the interface 230 between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 is observed with a transmission electron microscope, a Cu high concentration portion 232 in which Cu is concentrated is formed at the interface 230 as shown in FIG. In the Cu high concentration portion 232, the Cu concentration is higher than the Cu concentration in the circuit layer 212. Specifically, the Cu concentration at the interface 230 is twice or more the Cu concentration in the circuit layer 212. It is said that. Here, in the present embodiment, the thickness H of the Cu high concentration portion 232 is set to 4 nm or less.

なお、ここで観察する接合界面２３０は、図１２に示すように、回路層２１２の格子像の界面側端部とセラミックス基板２１１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２１２中のＣｕ濃度とは、回路層２１２のうち界面２３０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 the bonding interface 230 observed here is, as shown in FIG. 12, a reference plane S at the center between the interface side end of the lattice image of the circuit layer 212 and the interface side end of the lattice image of the ceramic substrate 211. And
Further, the Cu concentration in the circuit layer 212 is a Cu concentration in a portion of the circuit layer 212 that is away from the interface 230 by a certain distance (5 nm in this embodiment).

また、この接合界面２３０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＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％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２３０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２１２の結晶粒界とセラミックス基板２１１との接合界面２３０は測定対象とせず、回路層２１２の結晶粒とセラミックス基板２１１との接合界面２３０のみを測定対象としている。   The mass ratio of Al, Cu, and O when the bonding interface 230 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: Cu: O = 50 to 90 mass%: 1 to 10 mass%: It is set within the range of 0 to 45% by mass. In addition, the spot diameter at the time of performing analysis by EDS is 1 to 4 nm, the bonding interface 230 is measured at a plurality of points (for example, 100 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the bonding interface 230 between the crystal grain boundary of the circuit layer 212 and the ceramic substrate 211 is not measured, and only the bonding interface 230 between the crystal grain of the circuit layer 212 and the ceramic substrate 211 is measured.

また、回路層２１２におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図１３に示すように、Ｃｕの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕが一様に分布しており、界面２３０からの濃度勾配が認められていないのである。なお、回路層２１２におけるＣｕ濃度は、セラミックス基板２１１の界面２３０からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板２１１の界面２３０部分にのみＣｕが濃縮しているのである。 Further, as a result of measuring the Cu concentration in the circuit layer 212 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm), the Cu concentration did not change in the thickness direction, as shown in FIG. That is, Cu is uniformly distributed, and a concentration gradient from the interface 230 is not recognized. The Cu concentration in the circuit layer 212 was an average value measured at five points at each position from the interface 230 of the ceramic substrate 211.
Thus, in the present embodiment, Cu is concentrated only in the interface 230 portion of the ceramic substrate 211.

さらに、金属層２１３におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図１４に示すように、金属層２１３のセラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍には、接合界面２３６から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層２３７が形成されている。ここで、金属層２１３の接合界面２３６近傍のＣｕ濃度が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層２１３の接合界面２３６近傍のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２３６から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１４のグラフは、金属層２１３（金属板２２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。 Furthermore, as a result of measuring the Cu concentration in the metal layer 213 by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm), as shown in FIG. 14, in the vicinity of the bonding interface 236 between the metal layer 213 and the ceramic substrate 211, the bonding direction from the bonding interface 236 A concentration gradient layer 237 is formed in which the Cu concentration gradually decreases as the distance from each other increases. Here, the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface 236 of the metal layer 213 is set within a range of 0.05 mass% or more and 5 mass% or less.
The Cu concentration in the vicinity of the bonding interface 236 of the metal layer 213 is an average value measured at five points from the bonding interface 236 to 50 μm by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). In addition, the graph of FIG. 14 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the metal layer 213 (metal plate 223) and using the concentration at the above-described 50 μm position as a reference.

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０の製造方法について、図１５及び図１７を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 210 for power modules which is this embodiment is demonstrated with reference to FIG.15 and FIG.17.

まず、セラミックス基板２１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２２４を形成するとともに、セラミックス基板２１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ２０１）。ここで、第１Ｃｕ層２２４及び第２Ｃｕ層２２５におけるＣｕ量が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。 First, Cu is fixed to one surface of the ceramic substrate 211 by sputtering to form a first Cu layer 224, and Cu is fixed to the other surface of the ceramic substrate 211 by sputtering to form a second Cu layer 225 (Cu Fixing step S201). Here, the amount of Cu in the first Cu layer 224 and the second Cu layer 225 is set to 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less.

次に、セラミックス基板２１１を、その一方の面が溶湯供給口２５２側を向くように、鋳型２５０のキャビティ２５１内に設置する。この鋳型２５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口２５２から供給路２５３を介してキャビティ２５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ２０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。
そして、所定時間保持後、鋳型２５０を冷却し、キャビティ２５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ２０３）。 Next, the ceramic substrate 211 is installed in the cavity 251 of the mold 250 so that one surface thereof faces the molten metal supply port 252 side. In a state where the mold 250 is heated to 700 to 850 ° C., the molten aluminum M is filled into the cavity 251 from the molten metal supply port 252 through the supply path 253 (molten aluminum filling step S202). At this time, the filling pressure of the molten aluminum M is set to 1 × 10 5 to 3.5 × 10 6 Pa. The molten aluminum M is 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more.
And after hold | maintaining for predetermined time, the casting_mold | template 250 is cooled and the molten aluminum M with which the cavity 251 was filled is solidified (solidification process S203).

次に、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板２２３を接合する（金属板接合工程Ｓ２０４）。
まず、上述のセラミックス基板２１１を鋳型２５０から取り出し、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板２２３を積層する。なお、金属板２２３は、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板とされている。
そして、セラミックス基板２１１と金属板２２３とを積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２３とセラミックス基板２１１との界面に溶融金属領域２２７を形成する。ここで、溶融金属領域２２７は、図１７に示すように、第２Ｃｕ層２２５のＣｕが金属板２２３に向けて拡散することによって、金属板２２３の第２Ｃｕ層２２５近傍のＣｕ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。 Next, the metal plate 223 is joined to the other surface of the ceramic substrate 211 (metal plate joining step S204).
First, the above-described ceramic substrate 211 is taken out from the mold 250 and a metal plate 223 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 211. The metal plate 223 is a rolled plate of 4N aluminum having a purity of 99.99% by mass or more.
Then, the ceramic substrate 211 and the metal plate 223 are charged in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) and charged in a vacuum heating furnace to be heated, and the interface between the metal plate 223 and the ceramic substrate 211. A molten metal region 227 is formed on the substrate. Here, as shown in FIG. 17, in the molten metal region 227, the Cu concentration in the vicinity of the second Cu layer 225 of the metal plate 223 increases as Cu in the second Cu layer 225 diffuses toward the metal plate 223. It is formed by lowering the melting point.

なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板２１１と金属板２２３との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板２２３が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。 When the pressure is less than 1 kgf / cm 2 , there is a possibility that the ceramic substrate 211 and the metal plate 223 cannot be bonded well. Moreover, when the above-mentioned pressure exceeds 35 kgf / cm < 2 >, there exists a possibility that the metal plate 223 may deform | transform. Therefore, the above-mentioned pressurizing pressure is preferably in the range of 1 to 35 kgf / cm 2 .
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 600 ° C. to 650 ° C.

次に、溶融金属領域２２７中のＣｕが、さらに金属板２２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域２２７であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。これにより、セラミックス基板２１１と金属板２２３とが接合される。つまり、金属板２２２３とセラミックス基板２１１とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。   Next, Cu in the molten metal region 227 further diffuses toward the metal plate 223 side. As a result, the Cu concentration in the portion that was the molten metal region 227 gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Thereby, the ceramic substrate 211 and the metal plate 223 are joined. In other words, the metal plate 2223 and the ceramic substrate 211 are joined by so-called liquid phase diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding).

そして、セラミックス基板２１１の一方の面側の余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層２１２を形成する（仕上工程Ｓ２０５）。
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２１０が製出されることになる。 Then, excess aluminum on one surface side of the ceramic substrate 211 is removed by cutting or etching to form the circuit layer 212 (finishing step S205).
In this way, the power module substrate 210 according to the present embodiment is produced.

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２１０の製造方法においては、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１により、セラミックス基板２１１の一方の面に、Ｃｕを含有する第１Ｃｕ層２２４を形成し、溶融アルミニウム充填工程Ｓ２０２により、鋳型２５０に設置されたセラミックス基板２１１と溶融アルミニウムＭとを接触させる構成とされているので、界面２３０に介在するＣｕにより、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板２１１との反応性が高くなり、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度を向上させることが可能となる。   In the method for manufacturing the power module substrate 210 according to the present embodiment configured as described above, the first Cu layer 224 containing Cu is formed on one surface of the ceramic substrate 211 by the Cu fixing step S201. In the molten aluminum filling step S202, the ceramic substrate 211 placed on the mold 250 and the molten aluminum M are brought into contact with each other, so that the reaction between the molten aluminum M and the ceramic substrate 211 is caused by Cu intervening at the interface 230. Thus, the interface strength between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 can be improved.

また、セラミックス基板２１１と金属板２２３とが液相拡散接合によって接合されることで金属層２１３が形成される構成とされているので、金属板２２３とセラミックス基板２１１とを強固に接合することができる。また、金属層２１３にはＣｕが固溶することにより、金属層２１３のうちセラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍部分の強度を向上させることができる。   In addition, since the metal layer 213 is formed by bonding the ceramic substrate 211 and the metal plate 223 by liquid phase diffusion bonding, the metal plate 223 and the ceramic substrate 211 can be firmly bonded. it can. In addition, when Cu is dissolved in the metal layer 213, the strength of the metal layer 213 in the vicinity of the bonding interface 236 with the ceramic substrate 211 can be improved.

また、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１におけるＣｕの固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされているので、Ｃｕによるセラミックス基板２１１とアルミニウムとの反応を促進することができるとともに、ＣｕとＡｌの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度を確実に向上させることが可能となる。
さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板２１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕを固着させる構成としているので、第１Ｃｕ層２２４及び第２Ｃｕ層２２５におけるＣｕの固着量を精度良く調整することができる。 In addition, since the total amount of fixed Cu in the Cu fixing step S201 is 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less, the reaction between the ceramic substrate 211 and aluminum by Cu can be promoted. , It is possible to suppress the excessive production of a reaction product of Cu and Al. Therefore, the interface strength between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 can be reliably improved.
Furthermore, since the Cu fixing step S201 is configured to fix Cu to one surface and the other surface of the ceramic substrate 211 by sputtering, the Cu fixing amount in the first Cu layer 224 and the second Cu layer 225 is accurately determined. Can be adjusted.

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板２１１の一方の面に回路層２１２を形成する工程と、セラミックス基板２１１の他方の面に金属層２１３を形成する工程とを、別工程としていることから、回路層２１２と金属層２１３とでアルミニウムの材質を異なるものとすることができる。   Furthermore, in the present embodiment, the step of forming the circuit layer 212 on one surface of the ceramic substrate 211 and the step of forming the metal layer 213 on the other surface of the ceramic substrate 211 are separate steps. The circuit layer 212 and the metal layer 213 can be made of different aluminum materials.

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０では、回路層２１２において厚さ方向にＣｕ濃度分布が認められず、金属層２１３において厚さ方向にＣｕ濃度分布が認められている。これは、回路層２１２が溶融アルミニウムＭをセラミックス基板２１１に接触させて形成していることから、Ｃｕが溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散するためである。一方、金属層２１３は、セラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍のみに溶融金属領域２２７が形成されることから、Ｃｕが金属板２２３の内部を拡散することになるため、Ｃｕの濃度勾配が形成されるのである。   In the power module substrate 210 according to this embodiment, the Cu concentration distribution is not recognized in the thickness direction in the circuit layer 212, and the Cu concentration distribution is recognized in the thickness direction in the metal layer 213. This is because Cu is easily diffused into the molten aluminum M because the circuit layer 212 is formed by bringing the molten aluminum M into contact with the ceramic substrate 211. On the other hand, in the metal layer 213, since the molten metal region 227 is formed only in the vicinity of the bonding interface 236 with the ceramic substrate 211, since Cu diffuses inside the metal plate 223, a Cu concentration gradient is formed. It is done.

ここで、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ｃｕ濃度が回路層２１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部２３２が形成されている。なお、Ｃｕ高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
このように、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０に、Ｃｕが濃縮されたＣｕ高濃度部２３２が形成されているので、界面２３０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２１１と回路層２１２との界面強度の向上を図ることが可能となる。 Here, when the interface 230 between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 is observed in detail with an electron microscope, a Cu high-concentration portion 232 in which the Cu concentration is twice or more the Cu concentration in the circuit layer 212 is formed. . In addition, the thickness H of the Cu high concentration portion 232 is set to 4 nm or less.
As described above, since the Cu high concentration portion 232 in which Cu is concentrated is formed at the interface 230 between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212, the Cu atoms intervene in the interface 230, thereby causing Al 2 O 3 to The interface strength between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 can be improved.

また、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０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＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。   Moreover, the mass ratio of Al, Cu, and O which analyzed the interface 230 of the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 by the energy dispersive X-ray analysis method is Al: Cu: O = 50-90 mass%: 1-10 mass. %: 0 to 45 mass%, it is possible to prevent an excessive reaction product of Cu and Al from being generated, and the interface strength between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 212 is improved. Therefore, the reliability at the time of heat cycle load can be improved.

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、回路層を、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等であってもよい。 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 circuit layer has been described as being composed of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more, but is not limited thereto, and for example, aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more It may be.

また、スパッタリングによってＣｕやＭｇ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めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布等の手段によって、Ｃｕを固着させてもよい。
さらに、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させる構成としてもよい。 Moreover, although demonstrated as what fixes Cu and Mg by sputtering, it is not limited to this, Plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste and ink in which powder is dispersed, etc. Cu may be fixed by this means.
Furthermore, it is good also as a structure which adheres 1 type, or 2 or more types of additional elements selected from Ag, Mg, Ca, and Ni in addition to Cu.

また、ヒートシンクの構造や材質については、本実施形態に限定されることはない。
さらに、第３の実施形態において、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 structure and material of the heat sink are not limited to this embodiment.
Furthermore, in the third embodiment, the ceramic substrate and the metal plate are joined using a vacuum heating furnace. However, the present invention is not limited to this, and the N 2 atmosphere, Ar atmosphere, and He atmosphere are used. The ceramic substrate and the metal plate may be joined with each other.

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角の厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、スパッタによってＣｕ及び添加元素を固着させた。このセラミックス基板を黒鉛鋳型内に設置し、温度８００℃で４Ｎアルミニウムからなる溶融アルミニウムを充填した。なお、充填圧力を３×１０５Ｐａとした。そして、この鋳型を１５分間で６００℃まで冷却し、溶融アルミニウムを凝固させた。その後、鋳型から取り出し、切削加工によって、３６ｍｍ角、厚さ０．６ｍｍの回路層及び金属層を形成した。
ここで、スパッタによるＣｕ及び添加元素の固着量を、表１に示すように変化させた。 A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
Cu and additive elements were fixed to both surfaces of a 40 mm square 0.635 mm thick ceramic substrate by sputtering. This ceramic substrate was placed in a graphite mold and filled with molten aluminum made of 4N aluminum at a temperature of 800 ° C. The filling pressure was 3 × 10 5 Pa. Then, the mold was cooled to 600 ° C. in 15 minutes to solidify the molten aluminum. Then, it took out from the casting_mold | template and formed the circuit layer and metal layer of 36 mm square and thickness 0.6mm by cutting.
Here, the amount of Cu and additive elements fixed by sputtering was changed as shown in Table 1.

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。これら緩衝層及びアルミニウム板は、Ａｌ−１０．５質量％Ｓｉの厚さ５０μｍのろう材箔を用いて、温度６１０℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で接合した。 The power module substrate thus formed is made of 4N aluminum on the metal layer side, and a 50 mm × 60 mm, 5 mm thick aluminum equivalent to the top plate of the heat sink through a buffer layer having a thickness of 0.9 mm. The plate (A6063) was joined. The buffer layer and the aluminum plate were joined using a brazing material foil of Al-10.5 mass% Si with a thickness of 50 μm under the conditions of a temperature of 610 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2 .

この試験片を、−４０℃←→１１０℃の熱サイクルを２０００回負荷し、その際の接合率を求めた。この結果を表１に示す。
なお、接合率は、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。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積 The test piece was loaded 2000 times with a thermal cycle of −40 ° C. ← → 110 ° C., and the bonding rate was determined. The results are shown in Table 1.
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.
Bonding rate = (initial bonding area-peeling area) / initial bonding area

Figure 2012164708
Figure 2012164708

Ｃｕ及び添加元素を固着させずにセラミックス基板に溶融アルミニウムを接触させた比較例においては、接合率が６３．５％と低い値を示した。
これに対して、本発明例１−２１においては、比較例に比べて接合率が向上していることが確認される。特に、Ｃｕの固着量を２０ｍｇ／ｃｍ２以下、あるいは、Ｃｕ及び添加元素の固着量を２０ｍｇ／ｃｍ２以下とした本発明例１−１９においては、接合率が７０％以上となっており、接合信頼性が向上していることが確認される。 In the comparative example in which molten aluminum was brought into contact with the ceramic substrate without fixing Cu and additive elements, the bonding rate was as low as 63.5%.
On the other hand, in Inventive Example 1-21, it is confirmed that the bonding rate is improved as compared with the comparative example. In particular, in Inventive Example 1-19 in which the fixed amount of Cu is 20 mg / cm 2 or less, or the fixed amount of Cu and additive elements is 20 mg / cm 2 or less, the bonding rate is 70% or more, It is confirmed that the bonding reliability is improved.

１、１０１、２０１ パワーモジュール
１０、１１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１ セラミックス基板
１２、１１２、２１２ 回路層（アルミニウム層）
１３、２１３ 金属層（第２アルミニウム層） 1, 101, 201 Power module 10, 110, 210 Power module substrate 11, 111, 211 Ceramic substrate 12, 112, 212 Circuit layer (aluminum layer)
13, 213 Metal layer (second aluminum layer)

Claims (11)

セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成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の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Ｃｕを固着し、Ｃｕを含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、
前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備えてい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 for producing a power module substrate in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on one surface of a ceramic substrate,
An adhering step of adhering Cu to at least an area where the aluminum layer is formed on one surface of the ceramic substrate, and forming an adhering layer containing Cu;
Placing the ceramic substrate on which the fixed layer is formed in a mold, filling the mold with molten aluminum, and contacting the ceramic substrate with the molten aluminum;
And a solidifying step for solidifying the molten aluminum in contact with the ceramic substrate. 前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。 2. The method for manufacturing a power module substrate according to claim 1, wherein a fixed amount of Cu in the fixing step is in a range of 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less. 前記固着工程において、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   3. The power module according to claim 1, wherein, in the fixing step, one or more additive elements selected from Ag, Mg, Ca, and Ni are fixed in addition to Cu. Manufacturing method for industrial use. 前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。 4. The power module substrate according to claim 3, wherein a total amount of Cu and the additional element fixed in the fixing step is within a range of 0.1 mg / cm 2 or more and 20 mg / cm 2 or less. Manufacturing method. 前記固着工程においては、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕを固着させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   5. In the fixing step, Cu is fixed by plating, vapor deposition, CVD, sputtering, cold spray, or application of paste or ink in which powder is dispersed. The manufacturing method of the board | substrate for power modules as described in any one. 前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を形成することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for producing a power module substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein a second aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on the other surface of the ceramic substrate. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、
前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から５０μｍの位置におけるＣｕ濃度と、前記セラミックス基板との界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度と、の濃度差が０．１質量％以下とされており、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Ｃｕ濃度が前記アルミニウム層中の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 manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 6,
In the aluminum layer, a concentration difference between a Cu concentration at a position of 50 μm from the interface with the ceramic substrate and a Cu concentration at a position of 100 μm from the interface with the ceramic substrate is 0.1% by mass or less,
A power module substrate, wherein a Cu high concentration portion having a Cu concentration of at least twice the Cu concentration in the aluminum layer is formed at an interface between the ceramic substrate and the aluminum layer. 前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。   The ceramic substrate is made of AlN, and the mass ratio of Al, Cu, O, and N analyzed by energy dispersive X-ray analysis at the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer is Al: Cu: O: The power module substrate according to claim 7, wherein N = 50 to 90 mass%: 1 to 10 mass%: 2 to 20 mass%: 25 mass% or less. 前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of Si 3 N 4 , and the mass ratio of Al, Si, Cu, O, N analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer is Al : Si: Cu: O: N = 15-45 mass%: 15-45 mass%: 1-10 mass%: 2-20 mass%: 25 mass% or less The board | substrate for power modules as described. 前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との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＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of Al 2 O 3 , and the mass ratio of Al, Cu, and O obtained by analyzing the interface between the ceramic substrate and the aluminum layer by energy dispersive X-ray analysis is Al: Cu: O. The power module substrate according to claim 7, wherein: 50 to 90 mass%: 1 to 10 mass%: 0 to 45 mass%. 前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有することを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。   11. The power module substrate according to claim 7, further comprising a second aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy on the other surface of the ceramic substrate.
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