JP2014177031A - Conjugate, substrate for power module, and substrate for power module with heat sink - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合されてなる接合体、絶縁層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、及び、パワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付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 joined body formed by joining an aluminum member and a metal member made of copper, nickel, or silver, a power module substrate having a circuit layer formed on one surface of an insulating layer, and a power module. The present invention relates to a power module substrate with a heat sink in which a heat sink is bonded to the substrate.
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
A semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
In a power semiconductor element for high power control used for controlling an electric vehicle such as wind power generation or an electric vehicle, a large amount of heat is generated. Therefore, as a substrate on which the power semiconductor element is mounted, for example, AlN (aluminum nitride) 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate in which a metal plate having excellent conductivity is bonded as a circuit layer to one surface of a ceramic substrate (insulating layer) made of has been widely used. Moreover, a metal plate may be joined as a metal layer to the other surface of the ceramic substrate.
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面にＡｌからなる回路層（アルミニウム部材）が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。そして、パワーモジュール用基板の下側にヒートシンクが接合されており、半導体素子で発生した熱を、パワーモジュール用基板側に伝達し、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。 For example, in the power module shown in Patent Document 1, a power module substrate in which a circuit layer (aluminum member) made of Al is formed on one surface of a ceramic substrate is bonded to the circuit layer via a solder material. And a semiconductor element. A heat sink is bonded to the lower side of the power module substrate, and heat generated in the semiconductor element is transmitted to the power module substrate side and dissipated to the outside through the heat sink.
ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子を接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、回路層やヒートシンクの表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成した上で、はんだ材で接合している。
また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
By the way, when the circuit layer is made of Al as in the power module described in Patent Document 1, since an oxide film of Al is formed on the surface, the semiconductor element cannot be joined by a solder material.
Therefore, conventionally, as disclosed in, for example, Patent Document 2, a Ni plating film is formed on the surface of a circuit layer or a heat sink by electroless plating or the like, and then joined with a solder material.
Patent Document 3 proposes a technique for joining semiconductor elements using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance as an alternative to a solder material.
さらに、特許文献４には、回路層をＡｌ層とＣｕ層で構成したパワーモジュールが提案されている。この場合、回路層の表面にはＣｕ層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子を良好に接合することができる。また、ＣｕはＡｌに比べて変形抵抗が大きいことから、このパワーモジュールにヒートサイクルが負荷された際に、回路層表面が大きく変形することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止して、半導体素子と回路層との接合信頼性を向上させることが可能となる。
なお、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層として、Ａｌ層とＣｕ層とがＴｉ層を介して接合された接合体が用いられている。ここで、Ａｌ層とＴｉ層との間には、拡散層が形成されており、この拡散層は、Ａｌ層側から順に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層と、を有している。
Further, Patent Document 4 proposes a power module in which a circuit layer is composed of an Al layer and a Cu layer. In this case, since the Cu layer is disposed on the surface of the circuit layer, the semiconductor elements can be favorably bonded using a solder material. In addition, since Cu has a larger deformation resistance than Al, when the power cycle is applied to this power module, it is possible to prevent the surface of the circuit layer from being greatly deformed and to prevent the occurrence of cracks in the solder layer. It is possible to improve the bonding reliability between the semiconductor element and the circuit layer.
In the power module described in Patent Document 4, a joined body in which an Al layer and a Cu layer are joined via a Ti layer is used as a circuit layer. Here, a diffusion layer is formed between the Al layer and the Ti layer, and the diffusion layer is formed in order from the Al layer side by an Al-Ti layer, an Al-Ti-Si layer, and an Al-Ti-Cu layer. And a layer.
ところで、特許文献２に記載されたように、回路層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子を接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子との接合信頼性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層部分にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題がある。 By the way, as described in Patent Document 2, in the power module substrate in which the Ni plating film is formed on the surface of the circuit layer, the surface of the Ni plating film deteriorates due to oxidation or the like in the process until the semiconductor element is joined, There is a possibility that the reliability of bonding with a semiconductor element bonded via a solder material may be reduced. Further, in the Ni plating process, masking may be performed so that Ni plating is formed in an unnecessary region and troubles such as electrolytic corrosion do not occur. As described above, when plating is performed after masking is performed, a great amount of labor is required for the process of forming the Ni plating film on the circuit layer portion, which greatly increases the manufacturing cost of the power module. is there.
さらに、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子を接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層の表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。 Further, as described in Patent Document 3, when the circuit layer and the semiconductor element are bonded using the silver oxide paste, the bonding between the Al and the sintered body of the silver oxide paste is poor, and therefore the circuit layer is previously formed. It was necessary to form an Ag underlayer on the surface of the film.
また、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層のうちＡｌ層とＴｉ層との接合界面に、硬いＡｌ−Ｔｉ層やＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際にクラックの起点となるといった問題があった。
さらには、Ａｌ層上にＴｉ箔を介してＣｕ板等を積層し、Ａｌ層とＴｉ箔との界面が溶融する温度にまで加熱する場合、接合界面に液相が生じてコブが生じたり、厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下する問題があった。
Further, in the power module described in Patent Document 4, since a hard Al—Ti layer or Al—Ti—Cu layer is formed at the bonding interface between the Al layer and the Ti layer in the circuit layer, a heat cycle is performed. There has been a problem that when a load is applied, it becomes a starting point of a crack.
Furthermore, when a Cu plate or the like is laminated on the Al layer via a Ti foil and heated to a temperature at which the interface between the Al layer and the Ti foil is melted, a liquid phase is produced at the bonding interface, resulting in bumps, As the thickness fluctuates, there is a problem that the bonding reliability is lowered.
ここで、特許文献２のＮｉめっきの代替として、特許文献４に記載されたように、Ａｌからなる回路層の上にＴｉ箔を介してＮｉ板を接合してＮｉ層を形成することも考えられる。さらには、特許文献３の酸化銀ペーストを用いる際に、Ａｌからなる回路層の上にＴｉ箔を介してＡｇ板を接合してＡｇ下地層を形成することも考えられる。
しかしながら、特許文献４に記載された方法で、Ｎｉ層やＡｇ層を形成すると、Ｃｕ層を形成した場合と同様に、Ａｌ層とＴｉ層との接合界面に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｎｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ａｇ層等の硬い層が形成されたり、接合界面にコブが生じたりすること等によって、接合信頼性が低下するおそれがあった。
以上のように、従来は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とを良好に接合することができず、接合信頼性に優れた接合体を得ることはできなかった。
Here, as an alternative to the Ni plating of Patent Document 2, as described in Patent Document 4, a Ni layer may be formed by bonding a Ni plate on a circuit layer made of Al via a Ti foil. It is done. Furthermore, when using the silver oxide paste of patent document 3, it is also considered that an Ag base layer is formed by bonding an Ag plate over a circuit layer made of Al via a Ti foil.
However, when the Ni layer or the Ag layer is formed by the method described in Patent Document 4, an Al—Ti layer, an Al—Ti layer is formed at the bonding interface between the Al layer and the Ti layer, as in the case where the Cu layer is formed. The bonding reliability may be lowered due to the formation of hard layers such as the -Ni layer and the Al-Ti-Ag layer, and the formation of bumps at the bonding interface.
As described above, conventionally, an aluminum member and a metal member made of any one of copper, nickel, and silver cannot be satisfactorily bonded, and a bonded body having excellent bonding reliability cannot be obtained. .
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、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体、パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and when an aluminum member and a metal member made of copper, nickel, or silver are satisfactorily bonded and a heat cycle is loaded, the bonded portion It is an object of the present invention to provide a bonded body, a power module substrate, and a power module substrate with a heat sink that can suppress the occurrence of cracks in the substrate and have good bonding reliability.
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、前記金属部材側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記アルミニウム部材側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a joined body of the present invention is a joined body in which an aluminum member made of aluminum and a metal member made of copper, nickel, or silver are joined, and the aluminum member and the metal In the joint portion with the member, a Ti layer located on the metal member side, an Al-Ti-Si layer in which Si is dissolved in Al 3 Ti, located between the Ti layer and the aluminum member, The Al-Ti-Si layer is formed of a first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side and a first Al-Ti-Si layer formed on the aluminum member side. And a second Al—Ti—Si layer having a low Si concentration.
本発明の接合体によれば、アルミニウムからなるアルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制し、アルミニウム部材と金属部材との接合信頼性を向上できる。
さらに、Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が、アルミニウム部材側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層によってＴｉ原子がアルミニウム部材側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができ、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制可能となる。
なお、本発明において、アルミニウムは純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとし、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されたものとしている。
According to the joined body of the present invention, the Ti layer and the Al-Ti-Si layer are formed at the joint between the aluminum member made of aluminum and the metal member made of copper, nickel, or silver, Since no hard Al-Ti-Cu layer, Al-Ti layer, or the like is formed, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the joint when a heat cycle is applied, and the reliability of joining the aluminum member and the metal member. Can be improved.
Furthermore, since the first Al—Ti—Si layer formed on the Ti layer side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer formed on the aluminum member side, the first Al— Ti atoms are prevented from diffusing to the aluminum member side by the Ti-Si layer, the thickness of the first Al-Ti-Si layer and the second Al-Ti-Si layer can be reduced, and the heat cycle is loaded. When this is done, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the joint.
In the present invention, aluminum is made of pure aluminum or aluminum alloy, and the metal member is made of copper or copper alloy, nickel or nickel alloy, or silver or silver alloy.
また、上記接合体において、前記第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層に含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上であることが好ましい。
この場合、アルミニウム部材側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が十分なＳｉ濃度を有しているので、アルミニウム部材を構成するＡｌ原子がＴｉ層側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。
In the joined body, it is preferable that the Si concentration contained in the second Al—Ti—Si layer is 1 at% or more.
In this case, since the second Al—Ti—Si layer formed on the aluminum member side has a sufficient Si concentration, it is possible to suppress excessive diffusion of Al atoms constituting the aluminum member to the Ti layer side. The thickness of the first Al—Ti—Si layer and the second Al—Ti—Si layer can be reduced.
本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備え、前記回路層が前述の接合体からなり、前記回路層は、前記絶縁層の一方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層の一方の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴としている。 The power module substrate of the present invention includes an insulating layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, the circuit layer including the above-described joined body, and the circuit layer including the insulating layer. An Al layer formed on one surface of the aluminum member and a metal member layer formed on one surface of the Al layer and formed of the metal member, and the Al layer and the metal member layer A Ti layer located on the metal member layer side and an Al—Ti—Si layer in which Si is solid-solved in Al 3 Ti are formed at the joint portion, and the Ti layer is located between the Ti layer and the Al layer. The Al-Ti-Si layer includes a first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side and a Si layer formed on the Al layer side than the first Al-Ti-Si layer. And a second Al-Ti-Si layer having a low concentration. .
本発明のパワーモジュール用基板によれば、回路層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュールにおいて、半導体素子とパワーモジュール用基板との接合信頼性を向上できる。
さらに、Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度が、Ａｌ層側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｔｉ原子がＡｌ層側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。
According to the power module substrate of the present invention, in the circuit layer, the Ti layer and the Al—Ti—Si layer are formed at the joint between the Al layer and the metal member layer, and the hard Al—Ti— Since a Cu layer, an Al—Ti layer, or the like is not formed, it is possible to suppress occurrence of cracks in the circuit layer when a heat cycle is applied. Therefore, in the power module, the bonding reliability between the semiconductor element and the power module substrate can be improved.
Furthermore, since the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer formed on the Ti layer side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer formed on the Al layer side, Ti atoms are contained in the Al layer. It is possible to reduce the thickness of the first Al—Ti—Si layer and the second Al—Ti—Si layer.
また、この場合、絶縁層の一方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層が吸収し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
さらに、Ａｌ層の一方の面に銅又は銅合金からなるＣｕ層が形成されている場合、Ｃｕ層はＡｌ層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に回路層の変形が抑制され、半導体素子と回路層を接合するはんだ層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。また、熱伝導率の良好なＣｕ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
また、Ａｌ層の一方の面にニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層が形成されている場合、はんだ付け性が良好となり、半導体素子との接合信頼性が向上する。
また、Ａｌ層の一方の面に銀又は銀合金からなるＡｇ層が形成されている場合、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。また、熱伝導率の良好なＡｇ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
In this case, since an Al layer having a relatively small deformation resistance is formed on one surface of the insulating layer, the Al layer absorbs the thermal stress generated when the heat cycle is loaded, and the ceramic substrate is not cracked. Occurrence can be suppressed.
Furthermore, when a Cu layer made of copper or a copper alloy is formed on one surface of the Al layer, the deformation resistance of the Cu layer is larger than that of the Al layer. The deformation is suppressed, the deformation of the solder layer that joins the semiconductor element and the circuit layer can be suppressed, and the bonding reliability can be improved. In addition, since the Cu layer having a good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer, the heat from the semiconductor element can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate side.
Moreover, when the Ni layer made of nickel or nickel alloy is formed on one surface of the Al layer, the solderability is good and the bonding reliability with the semiconductor element is improved.
Further, when an Ag layer made of silver or a silver alloy is formed on one surface of the Al layer, for example, when joining semiconductor elements using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance. In addition, since the silver with reduced silver oxide and the Ag layer are bonded between the same kind of metals, the bonding reliability can be improved. In addition, since the Ag layer having good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer, the heat from the semiconductor element can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate side.
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層を備え、前記金属層が前述の接合体からなり、前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えた構成とされても良い。 Further, the power module substrate of the present invention includes a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, the metal layer is made of the above-described joined body, and the metal layer is the other surface of the insulating layer. An Al layer made of the aluminum member, and a metal member layer made of the metal member formed on the surface of the Al layer opposite to the surface on which the insulating layer is formed. And a Ti layer located on the metal member layer side, and an Al—Ti layer between the Ti layer and the Al layer, in which Si is dissolved in Al 3 Ti. -Si layer, and the Al-Ti-Si layer includes a first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side and a first Al- layer formed on the Al layer side. A second Al-Ti-Si layer having a lower Si concentration than the Ti-Si layer, Configuration and it may be.
この場合、金属層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、金属層とヒートシンクとを接合した場合に、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる。 In this case, in the metal layer, the Ti layer and the first Al—Ti—Si layer are formed at the joint between the Al layer and the metal member layer, and a hard Al—Ti—Cu layer or Al—Ti layer is formed. Since no layer or the like is formed, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the metal layer when a heat cycle is loaded. Therefore, when the metal layer and the heat sink are bonded, the bonding reliability between the metal layer and the heat sink can be improved.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層に接合されたヒートシンクと、を備え、前記金属層と前記ヒートシンクとが前述の接合体からなり、前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の一方がアルミニウムで構成され、前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の他方が銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部には、前記接合面が銅、ニッケル、又は銀からなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に位置するＴｉ層と、前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンクと、前記Ｔｉ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴としている。 A power module substrate with a heat sink according to the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, and a bond to the metal layer. A heat sink, wherein the metal layer and the heat sink are made of the above-described joined body, and one of the joint surfaces of the metal layer and the heat sink is made of aluminum, and the joint surface of the metal layer and the heat sink The other is made of copper, nickel, or silver, and at the joint between the metal layer and the heat sink, the joint layer is made of copper, nickel, or silver, or the Ti layer located on the heat sink side. , and the metal layer or the heat sink wherein the bonding surface is made of aluminum, positioned between the Ti layer, the Al-Ti-Si layer Si is solid-solved in Al 3 Ti The Al-Ti-Si layer is formed on the first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side and on the metal layer or the heat sink side where the bonding surface is made of aluminum. And a second Al—Ti—Si layer having a lower Si concentration than the first Al—Ti—Si layer.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、金属層とヒートシンクとの接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層とヒートシンクとの接合部にクラックが発生することを抑制でき、接合信頼性の向上を図ることができる。 According to the power module substrate with a heat sink of the present invention, a Ti layer and an Al—Ti—Si layer are formed at the joint between the metal layer and the heat sink, and a hard Al—Ti—Cu layer or Al Since the -Ti layer or the like is not formed, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the joint between the metal layer and the heat sink when a heat cycle is applied, thereby improving the joint reliability.
本発明によれば、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体、パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。 According to the present invention, when an aluminum member and a metal member made of any one of copper, nickel, and silver are bonded satisfactorily, the occurrence of cracks in the bonded portion can be suppressed when a heat cycle is applied, and the bonding reliability can be reduced. Can provide a bonded body, a power module substrate, and a power module substrate with a heat sink.
（第一実施形態）
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。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
図１に、本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール１を示す。このパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
(First embodiment)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a power module 1 according to the first embodiment of the present invention. The power module 1 includes a power module substrate 10 and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the power module substrate 10 via a solder layer 2.
パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成するセラミックス基板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（接合体）と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。 The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 constituting an insulating layer, a circuit layer 12 (joined body) disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 disposed on the surface.
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）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 ceramic substrate 11 is made of highly insulating AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (alumina), or the like. In this embodiment, it is comprised with AlN (aluminum nitride) excellent in heat dissipation. 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、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたＡｌ層１２Ａと、このＡｌ層１２Ａの一方の面にＴｉ層１５を介して積層されたＣｕ層１２Ｂ（金属部材層）と、を有している。
Ａｌ層１２Ａ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アルミニウム板（アルミニウム部材）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、Ａｌ層１２Ａは、純度９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。前記純度９９質量％以上のアルミニウムの圧延板には、０．０８質量％以上０．９５質量％以下のＳｉが含有されているとよい。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．４ｍｍに設定されている。
As shown in FIG. 1, the circuit layer 12 includes an Al layer 12A disposed on one surface of the ceramic substrate 11, and a Cu layer 12B laminated on one surface of the Al layer 12A via a Ti layer 15. (Metal member layer).
The Al layer 12A is formed by joining an aluminum plate (aluminum member) made of aluminum or an aluminum alloy to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the Al layer 12A is formed by joining rolled sheets of aluminum (so-called 2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more. The aluminum rolled plate having a purity of 99% by mass or more preferably contains 0.08% by mass or more and 0.95% by mass or less of Si. In addition, the thickness of the aluminum plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.4 mm in this embodiment.
Ｃｕ層１２Ｂは、Ａｌ層１２Ａの一方の面（図１において上面）に、Ｔｉ層１５を介して銅又は銅合金からなる銅板（金属部材）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、Ｃｕ層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板がＡｌ層１２Ａに、Ｔｉ箔を介して固相拡散接合されることにより形成されている。なお、接合される銅板の厚さは０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．０ｍｍに設定されている。 The Cu layer 12B is formed by bonding a copper plate (metal member) made of copper or a copper alloy to one surface (upper surface in FIG. 1) of the Al layer 12A via the Ti layer 15. In the present embodiment, the Cu layer 12B is formed by solid-phase diffusion bonding a rolled plate of oxygen-free copper to the Al layer 12A via a Ti foil. In addition, the thickness of the copper plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 6.0 mm or less, and is set to 1.0 mm in this embodiment.
Ｔｉ層１５は、Ａｌ層１２Ａと銅板とがチタン箔を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。ここで、チタン箔の純度は９９％以上とされている。また、チタン箔の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
そして、Ａｌ層１２ＡとＴｉ層１５との接合界面には、図２に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６が形成されている。
The Ti layer 15 is formed by laminating an Al layer 12A and a copper plate via a titanium foil and performing solid phase diffusion bonding. Here, the purity of the titanium foil is 99% or more. Moreover, the thickness of the titanium foil is set to 3 μm or more and 40 μm or less, and in this embodiment, it is set to 10 μm.
As shown in FIG. 2, an Al—Ti—Si layer 16 in which Si is dissolved in Al 3 Ti is formed at the bonding interface between the Al layer 12 </ b> A and the Ti layer 15.
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６は、Ａｌ層１２ＡのＡｌ原子と、Ｔｉ層１５のＴｉ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては３μｍとされている。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６は、図２に示すように、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂとを備えている。すなわち、Ａｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂとが形成されているのである。 The Al—Ti—Si layer 16 is formed by interdiffusion of Al atoms in the Al layer 12A and Ti atoms in the Ti layer 15. The thickness of the Al—Ti—Si layer 16 is set to 0.5 μm or more and 10 μm or less, and is 3 μm in the present embodiment. As shown in FIG. 2, the Al—Ti—Si layer 16 includes a first Al—Ti—Si layer 16A formed on the Ti layer 15 side and a second Al—Ti— layer formed on the Al layer 12A side. Si layer 16B. That is, the Ti layer 15, the first Al—Ti—Si layer 16A, and the second Al—Ti—Si layer 16B are formed at the joint between the Al layer 12A and the Cu layer 12B.
これら、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。なお、本実施形態において、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａ及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉは、２Ｎアルミニウムの圧延板中に不純物として含まれるＳｉがＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６中に拡散し、濃化したものである。
第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％とされている。
The first Al—Ti—Si layer 16A and the second Al—Ti—Si layer 16B are made of an Al—Ti—Si phase in which Si is dissolved in Al 3 Ti, and the second Al—Ti—Si layer 16B. The Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 16A is lower than the Si concentration. In the present embodiment, Si contained in the first Al—Ti—Si layer 16A and the second Al—Ti—Si layer 16B is composed of Si contained as an impurity in the 2N aluminum rolled plate. It has diffused and concentrated in the layer 16.
The Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 16A is 10 at% or more and 30 at% or less, and is 20 at% in this embodiment. The Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 16B is 1 at% or more and 10 at% or less, and is 3 at% in this embodiment.
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）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板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、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板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。なお、金属層１３となるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．６ｍｍに設定されている。 The metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining a rolled plate of aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more to the ceramic substrate 11. In addition, the thickness of the aluminum plate used as the metal layer 13 is set in the range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 1.6 mm in this embodiment.
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、はんだ層２を介して接合されている。
はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされており、パワーモジュール用基板１０と半導体素子３とを接合するものである。
The semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si. The semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are joined via the solder layer 2.
The solder layer 2 is, for example, a Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-In, or Sn-Ag-Cu solder material (so-called lead-free solder material). The element 3 is joined.
次に、本実施形態であるパワーモジュール１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを積層し、さらにその上にチタン箔２５を介してＣｕ層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。一方、セラミックス基板１１の他方の面には、金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板及び銅板積層工程Ｓ０１）。ここで、本実施形態においては、アルミニウム板２２Ａ、２３とセラミックス基板１１との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層した。
Next, the manufacturing method of the power module 1 which is this embodiment is demonstrated with reference to FIG.3 and FIG.4.
First, as shown in FIG. 4, an aluminum plate 22A to be an Al layer 12A is laminated on one surface of the ceramic substrate 11, and a copper plate 22B to be a Cu layer 12B is further laminated thereon via a titanium foil 25. . On the other hand, an aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 (aluminum plate and copper plate lamination step S01). Here, in this embodiment, the aluminum plates 22 </ b> A and 23 and the ceramic substrate 11 are laminated via an Al—Si brazing material foil 26.
次いで、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１２Ａ及び金属層１３を形成するとともに、Ａｌ層１２Ａとチタン箔２５、及び銅板２２Ｂとチタン箔２５を固相拡散接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）。 Next, in a state of being pressurized in the laminating direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ), it is placed in a vacuum heating furnace and heated to form the Al layer 12A and the metal layer 13, and the Al layer 12A and the titanium foil 25, Then, the copper plate 22B and the titanium foil 25 are solid phase diffusion bonded to form the circuit layer 12 and the metal layer 13 (circuit layer and metal layer forming step S02).
ここで、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６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
なお、アルミニウム板２２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
上記のようにして、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。
Here, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, the heating temperature is set to 600 ° C. to 643 ° C., and the holding time is set in the range of 30 minutes to 180 minutes. It is preferable. A more preferable heating temperature is in the range of 630 ° C. or more and 643 ° C. or less. In this embodiment, a pressure of 12 kgf / cm 2 was applied in the stacking direction, and the heating temperature was 640 ° C. and the holding time was 60 minutes.
Each surface to which the aluminum plate 22A, the titanium foil 25, and the copper plate 22B are bonded is solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance.
As described above, the power module substrate 10 according to the present embodiment is manufactured.
次に、回路層１２の一方の面（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ０３）。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１が製造される。
Next, the semiconductor element 3 is laminated on one surface (front surface) of the circuit layer 12 via a solder material, and solder-bonded in a reduction furnace (semiconductor element bonding step S03).
As described above, the power module 1 according to the present embodiment is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール１及びパワーモジュール用基板１０によれば、回路層１２においてＡｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層１２にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュール１において、半導体素子３とパワーモジュール用基板１０との接合信頼性を向上可能である。 According to the power module 1 and the power module substrate 10 according to the present embodiment configured as described above, the Ti layer 15 and the Al layer are formed at the junction between the Al layer 12A and the Cu layer 12B in the circuit layer 12. -Ti-Si layer 16 is formed, and since a hard Al-Ti-Cu layer or Al-Ti layer is not formed, the circuit layer 12 is cracked when a heat cycle is applied. Can be prevented from occurring. Therefore, in the power module 1, the bonding reliability between the semiconductor element 3 and the power module substrate 10 can be improved.
さらに、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度が、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡによってＴｉ原子がＡｌ層１２Ａ側に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さを薄くすることができる。そして、このようにＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さを薄くすることで、ヒートサイクルが負荷された際にＡｌ層１２ＡとＣｕ層１２Ｂとの接合部に割れが発生することを抑制可能となる。 Furthermore, the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 16A formed on the Ti layer 15 side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 16B formed on the Al layer 12A side. The first Al—Ti—Si layer 16A having a high concentration prevents Ti atoms from diffusing to the Al layer 12A side, and the thickness of the Al—Ti—Si layer 16 can be reduced. And by reducing the thickness of the Al—Ti—Si layer 16 in this way, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the joint between the Al layer 12A and the Cu layer 12B when a heat cycle is loaded. Become.
また、Ａｌ層１２Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされているので、Ａｌ原子がＴｉ層１５側に過剰に拡散することが抑制され、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂの厚さを薄くすることができる。
さらには、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａに含まれるＳｉ濃度が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされているので、Ｔｉ原子がＡｌ層１２Ａ側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａの厚さを薄くすることができる。
Further, since the Si concentration contained in the second Al—Ti—Si layer 16B formed on the Al layer 12A side is 1 at% or more and 10 at% or less, Al atoms diffuse excessively on the Ti layer 15 side. Is suppressed, and the thickness of the second Al—Ti—Si layer 16B can be reduced.
Furthermore, since the Si concentration contained in the first Al—Ti—Si layer 16A formed on the Ti layer 15 side is 10 at% or more and 30 at% or less, Ti atoms are excessively diffused on the Al layer 12A side. Therefore, the thickness of the first Al—Ti—Si layer 16A can be reduced.
また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板２２Ａ、チタン箔２５、銅板２２Ｂ、及びアルミニウム板２３を一度に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。 Moreover, in this embodiment, since it is set as the structure which joins the aluminum plate 22A, the titanium foil 25, the copper plate 22B, and the aluminum plate 23 to the one surface and the other surface of the ceramic substrate 11 at a time, a manufacturing process The manufacturing cost can be reduced.
また、セラミックス基板１１の一方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層１２Ａが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層１２Ａが吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
さらに、Ａｌ層１２Ａの一方の面には、比較的変形抵抗の大きいＣｕ層１２Ｂが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に回路層１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２を接合するはんだ層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
また、熱伝導率の良好なＣｕ層１２Ｂが回路層１２の一方側に形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板１０側に伝達することができる。
Further, since the Al layer 12A having a relatively small deformation resistance is formed on one surface of the ceramic substrate 11, the Al layer 12A absorbs the thermal stress generated when the heat cycle is loaded, and the ceramic substrate 11 is cracked. Can be prevented from occurring.
Furthermore, since the Cu layer 12B having a relatively large deformation resistance is formed on one surface of the Al layer 12A, the deformation of the circuit layer 12 is suppressed when a heat cycle is applied, and the semiconductor element 3 and the circuit The deformation of the solder layer 2 that joins the layer 12 can be suppressed, and the joining reliability can be improved.
In addition, since the Cu layer 12B having good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer 12, heat from the semiconductor element 3 can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate 10 side.
また、本実施形態においては、Ａｌ層１２Ａ（アルミニウム板２２Ａ）とチタン箔２５、及び銅板２２Ｂとチタン箔２５との固相拡散接合は、積層方向へ１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけられた状態で６００℃以上６４３℃以下に保持することで行われる構成とされているので、Ａｌ層とＴｉ層の界面で液相を生成させることなく、Ａｌ層１２Ａ及び銅板２２Ｂ中にＴｉ原子を拡散させ、チタン箔２５中にＡｌ原子及びＣｕ原子を固相拡散させて固相拡散接合し、Ａｌ層１２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂを確実に接合することができる。 In the present embodiment, the solid phase diffusion bonding of the Al layer 12A (aluminum plate 22A) and the titanium foil 25, and the copper plate 22B and the titanium foil 25 is applied with a pressure of 1 to 35 kgf / cm 2 in the stacking direction. In this state, the temperature is maintained at 600 ° C. or higher and 643 ° C. or lower, so that Ti atoms can be introduced into the Al layer 12A and the copper plate 22B without generating a liquid phase at the interface between the Al layer and the Ti layer. The Al layer 12A, the titanium foil 25, and the copper plate 22B can be reliably bonded by diffusing and solid-phase diffusion bonding of Al atoms and Cu atoms in the titanium foil 25.
固相拡散接合する際に積層方向にかかる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、Ａｌ層１２Ａ、チタン箔２５、及び銅板２２Ｂを十分に接合させることが困難となり、接合界面に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎるために、セラミックス基板１１に割れが発生することがある。このような理由により、固相拡散接合の際にかかる圧力は、上記の範囲に設定されている。 When the pressure applied in the stacking direction during solid phase diffusion bonding is less than 1 kgf / cm 2, it becomes difficult to sufficiently bond the Al layer 12A, the titanium foil 25, and the copper plate 22B, and a gap is generated at the bonding interface. There is. Moreover, when it exceeds 35 kgf / cm < 2 >, since the load applied is too high, the ceramic substrate 11 may be cracked. For these reasons, the pressure applied during solid phase diffusion bonding is set in the above range.
固相拡散接合する際の温度が６００℃以上の場合には、Ａｌ原子、Ｔｉ原子、及びＣｕ原子の拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、６４３℃以下の場合には、アルミニウムの溶融による液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚さが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度範囲は、上記の範囲に設定されている。 When the temperature at the time of solid phase diffusion bonding is 600 ° C. or higher, the diffusion of Al atoms, Ti atoms, and Cu atoms is promoted, and solid phase diffusion can be sufficiently achieved in a short time. Moreover, in the case of 643 degrees C or less, it can suppress that the liquid phase by melting | fusing of aluminum arises, a bump is produced in a joining interface, or thickness changes. Therefore, the preferable temperature range of solid phase diffusion bonding is set to the above range.
また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、本実施形態では、アルミニウム板２２Ａ、銅板２２Ｂ、及びチタン箔２５の接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。 Further, when there are scratches on the surfaces to be joined when solid phase diffusion bonding is performed, gaps may be generated during solid phase diffusion bonding. In this embodiment, the aluminum plate 22A, the copper plate 22B, and the titanium foil 25 Since the surfaces to be joined are solid phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces have been removed and smoothed in advance, it is possible to perform bonding while suppressing the formation of gaps at the respective bonding interfaces. .
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing of the same structure as 1st embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and described, and detailed description is abbreviate | omitted.
図５に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１０１を示す。このヒートシンク付パワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の一方の面（図５において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０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の下側にＴｉ層１１５を介して積層されたヒートシンク１３１（金属部材）と、を備えている。
FIG. 5 shows a power module 101 with a heat sink according to a second embodiment of the present invention. The power module 101 with a heat sink includes a power module substrate 130 with a heat sink, a semiconductor element 3 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 5) of the power module substrate 130 with a heat sink via a solder layer 2; It has.
The power module substrate 130 with a heat sink includes a power module substrate 110 and a heat sink 131 (metal member) laminated on the lower side of the power module substrate 110 with a Ti layer 115 interposed therebetween.
パワーモジュール用基板１１０は、図５に示すように、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１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３（Ａｌ層）と、を備えている。 As shown in FIG. 5, the power module substrate 110 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 112 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11, and the other surface of the ceramic substrate 11. And a metal layer 113 (Al layer) disposed on the lower surface in FIG.
回路層１１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、導電性を有するアルミニウム板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、回路層１１２は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。 The circuit layer 112 is formed by bonding a conductive aluminum plate to one surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the circuit layer 112 is formed by joining rolled sheets of aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more. In addition, the thickness of the aluminum plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
金属層１１３は、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、導電性を有する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板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、金属層１１３は、純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。前記純度９９質量％以上のアルミニウムの圧延板には、０．０８質量％以上０．９５質量％以下のＳｉが含有されているとよい。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。 The metal layer 113 is formed by joining an aluminum plate made of conductive aluminum or aluminum alloy to one surface (upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 113 is formed by joining aluminum (2N aluminum) rolled plates having a purity of 99% by mass or more. The aluminum rolled plate having a purity of 99% by mass or more preferably contains 0.08% by mass or more and 0.95% by mass or less of Si. In addition, the thickness of the aluminum plate joined is set in the range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
ヒートシンク１３１は、パワーモジュール用基板１１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク１３１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。このヒートシンク１３１には、冷却用の流体が流れるための流路１３２が設けられている。
そして、これら金属層１１３とヒートシンク１３１とが、Ｔｉ層１１５を介して接合されている。
The heat sink 131 is for dissipating heat on the power module substrate 110 side. The heat sink 131 is made of copper or a copper alloy, and is made of oxygen-free copper in this embodiment. The heat sink 131 is provided with a flow path 132 through which a cooling fluid flows.
The metal layer 113 and the heat sink 131 are joined via the Ti layer 115.
Ｔｉ層１１５は、アルミニウムからなる金属層１１３と、銅からなるヒートシンク１３１とがチタン箔を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。このチタン箔の純度は９９％以上とされている。チタン箔の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
そして、金属層１１３とＴｉ層１１５との接合界面には、図６に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６が形成されている。
The Ti layer 115 is formed by laminating a metal layer 113 made of aluminum and a heat sink 131 made of copper via a titanium foil and solid phase diffusion bonding. The purity of this titanium foil is 99% or more. The thickness of the titanium foil is set to 3 μm or more and 40 μm or less. In the present embodiment, the thickness is set to 10 μm.
As shown in FIG. 6, an Al—Ti—Si layer 116 in which Si is dissolved in Al 3 Ti is formed at the bonding interface between the metal layer 113 and the Ti layer 115.
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６は、金属層１１３のＡｌ原子と、Ｔｉ層１１５のＴｉ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては３μｍとされている。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６は、図６に示すように、Ｔｉ層１１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと、金属層１１３側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂとを備えている。すなわち、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合部には、Ｔｉ層１１５と、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂとが形成されているのである。 The Al—Ti—Si layer 116 is formed by the mutual diffusion of Al atoms in the metal layer 113 and Ti atoms in the Ti layer 115. The thickness of the Al—Ti—Si layer 116 is set to 0.5 μm or more and 10 μm or less, and is 3 μm in this embodiment. As shown in FIG. 6, the Al—Ti—Si layer 116 includes a first Al—Ti—Si layer 116A formed on the Ti layer 115 side and a second Al—Ti— layer formed on the metal layer 113 side. Si layer 116B. That is, the Ti layer 115, the first Al—Ti—Si layer 116A, and the second Al—Ti—Si layer 116B are formed at the joint between the metal layer 113 and the heat sink 131.
これら、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。
第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％とされている。
The first Al—Ti—Si layer 116A and the second Al—Ti—Si layer 116B are composed of an Al—Ti—Si phase in which Si is dissolved in Al 3 Ti, and the second Al—Ti—Si layer 116B. The Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 116A is lower than the Si concentration.
The Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 116A is 10 at% or more and 30 at% or less, and is 20 at% in the present embodiment. The Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 116B is 1 at% or more and 10 at% or less, and is 3 at% in this embodiment.
次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the power module 101 with a heat sink and the power module substrate 130 with a heat sink according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して、回路層１１２となるアルミニウム板１２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面に、ろう材箔２６を介して金属層１１３となるアルミニウム板１２３を積層する。そして、セラミックス基板１１の他方の面側（図９において下側）に、さらにチタン箔１２５を介してヒートシンク１３１を積層する（アルミニウム板及びヒートシンク積層工程Ｓ１１）。 First, as shown in FIG. 8, an aluminum plate 122 to be the circuit layer 112 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 with an Al—Si brazing material foil 26 interposed therebetween. Further, an aluminum plate 123 to be the metal layer 113 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 with the brazing material foil 26 interposed therebetween. And the heat sink 131 is further laminated | stacked on the other surface side (lower side in FIG. 9) of the ceramic substrate 11 via the titanium foil 125 (aluminum plate and heat sink lamination process S11).
次いで、アルミニウム板１２２、１２３、セラミックス基板１１、及びヒートシンク１３１の積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、回路層１１２及び金属層１１３を形成するとともに、金属層１１３とチタン箔１２５、及びヒートシンク１３１とチタン箔１２５を固相拡散接合し、金属層１１３とヒートシンク１３１とを接合する（回路層、金属層、及びヒートシンク接合工程Ｓ１２）。 Next, the aluminum plates 122 and 123, the ceramic substrate 11, and the heat sink 131 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ), placed in a vacuum heating furnace and heated, and one of the ceramic substrates 11 is heated. The circuit layer 112 and the metal layer 113 are formed on the surface and the other surface, the metal layer 113 and the titanium foil 125, and the heat sink 131 and the titanium foil 125 are solid phase diffusion bonded, and the metal layer 113 and the heat sink 131 are bonded. (Circuit layer, metal layer, and heat sink joining step S12).
ここで、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６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に２０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
なお、アルミニウム板１２３、チタン箔１２５、及びヒートシンク１３１の接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
上記のようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０及びパワーモジュール用基板１１０が製造される。
Here, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, the heating temperature is set to 600 ° C. to 643 ° C., and the holding time is set in the range of 30 minutes to 180 minutes. It is preferred that A more preferable heating temperature is in the range of 630 ° C. or more and 643 ° C. or less. In this embodiment, a pressure of 20 kgf / cm 2 was applied in the stacking direction, and the heating temperature was 640 ° C. and the holding time was 60 minutes.
Each surface to which the aluminum plate 123, the titanium foil 125, and the heat sink 131 are bonded is solid-phase diffusion bonded after the scratches on the surfaces are previously removed and smoothed.
As described above, the power module substrate 130 with heat sink and the power module substrate 110 according to this embodiment are manufactured.
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０（回路層１１２）の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１３）。
上記のようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１が製造される。
Next, the semiconductor element 3 is laminated on one surface of the power module substrate with heat sink 130 (circuit layer 112) via a solder material, and solder-bonded in a reduction furnace (semiconductor element bonding step S13).
As described above, the power module 101 with the heat sink according to the present embodiment is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１０１及びヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０によれば、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合部には、Ｔｉ層１１５と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合部にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、ヒートシンク付パワーモジュール１０１において、金属層１１３とヒートシンク１３１との接合信頼性を向上可能となる。 According to the power module 101 with a heat sink and the power module substrate 130 with a heat sink according to the present embodiment configured as described above, the Ti layer 115, the Al-- Since the Ti—Si layer 116 is formed and no hard Al—Ti—Cu layer or Al—Ti layer is formed, the metal layer 113 and the heat sink 131 are applied when a heat cycle is applied. It can suppress that a crack generate | occur | produces in the junction part. Therefore, in the power module 101 with a heat sink, the bonding reliability between the metal layer 113 and the heat sink 131 can be improved.
さらに、Ｔｉ層１１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＡのＳｉ濃度が、金属層１１３側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６ＡによってＴｉ原子が金属層１１３に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６の厚さを薄くすることができる。 Further, since the Si concentration of the first Al—Ti—Si layer 116A formed on the Ti layer 115 side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer 116B formed on the metal layer 113 side, Si The first Al—Ti—Si layer 116A having a high concentration suppresses Ti atoms from diffusing into the metal layer 113, so that the thickness of the Al—Ti—Si layer 116 can be reduced.
また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、回路層１１２及び金属層１１３を形成し、さらに金属層１１３とヒートシンク１３１とを同時に接合することができるので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。 In the present embodiment, the circuit layer 112 and the metal layer 113 can be formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate 11, and the metal layer 113 and the heat sink 131 can be bonded at the same time. The process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
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。 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.
なお、上記実施の形態では、Ａｌ層と、金属部材層として銅からなるＣｕ層とが接合される場合について説明したが、Ｃｕ層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層、もしくは銀又は銀合金からなるＡｇ層が接合されても良い。 In the above embodiment, the case where the Al layer and the Cu layer made of copper as the metal member layer are joined has been described, but instead of the Cu layer, a Ni layer made of nickel or a nickel alloy, or silver or An Ag layer made of a silver alloy may be bonded.
例えば、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、半導体素子との接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。Ｎｉ層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはＮｉ層が熱抵抗体となり効率的にパワーモジュール用基板側に熱を伝達できなくなるおそれがある。
また、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合、固相拡散接合は、前記第一実施形態においてＣｕ層を形成した場合と同様の条件で形成することができる。
For example, when a Ni layer is formed instead of the Cu layer, the solderability becomes good and the bonding reliability with the semiconductor element can be improved. Further, when the Ni layer is formed by solid phase diffusion bonding, the masking process performed when forming the Ni plating film by electroless plating or the like is not necessary, so that the manufacturing cost can be reduced. In this case, the thickness of the Ni layer is preferably 1 μm or more and 30 μm or less. If the thickness of the Ni layer is less than 1 μm, the effect of improving the reliability of bonding with the semiconductor element may be lost, and if it exceeds 30 μm, the Ni layer becomes a thermal resistor and efficiently the power module substrate side Heat may not be transferred to
When the Ni layer is formed by solid phase diffusion bonding, the solid phase diffusion bonding can be formed under the same conditions as when the Cu layer is formed in the first embodiment.
また、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。さらには、熱伝導率の良好なＡｇ層が回路層の一方側に形成されるので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。この場合、Ａｇ層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。Ａｇ層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子との接合信頼性を向上の効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。
また、固相拡散接合によってＡｇ層を形成する場合、固相拡散接合は、前記第一実施形態においてＣｕ層を形成した場合と同様の条件で形成することができる。
Further, when an Ag layer is formed instead of the Cu layer, for example, when the semiconductor element is bonded using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance, the silver oxide is reduced. Since the Ag layer and the Ag layer are bonded to each other, the bonding reliability can be improved. Furthermore, since the Ag layer having good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer, heat from the semiconductor element can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate side. In this case, the thickness of the Ag layer is preferably 1 μm or more and 20 μm or less. If the thickness of the Ag layer is less than 1 μm, there is a possibility that the effect of improving the reliability of bonding with the semiconductor element may be lost. If the thickness of the Ag layer exceeds 20 μm, the effect of improving the reliability of bonding cannot be seen, resulting in an increase in cost. Invite.
Further, when forming the Ag layer by solid phase diffusion bonding, the solid phase diffusion bonding can be formed under the same conditions as in the case of forming the Cu layer in the first embodiment.
また、図９に示すように、金属層２１３が、セラミックス基板１１の他方の面に形成されたＡｌ層２１３Ａと、Ａｌ層２１３Ａのうちセラミックス基板１１が接合された面と反対側の面に、Ｔｉ層２１５を介して固相拡散接合されたＣｕ層２１３Ｂと、を有する構成とされても良い。 Further, as shown in FIG. 9, the metal layer 213 has an Al layer 213A formed on the other surface of the ceramic substrate 11, and a surface of the Al layer 213A opposite to the surface to which the ceramic substrate 11 is bonded. A Cu layer 213 </ b> B bonded by solid phase diffusion bonding via the Ti layer 215 may be used.
この金属層２１３を備えたパワーモジュール２０１においては、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に生じる熱応力をＡｌ層２１３Ａによって吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。また、Ａｌ層２１３Ａの下側には、Ｃｕ層２１３Ｂが形成されているので、半導体素子３側からの熱を効率的に放散できる。 In the power module 201 provided with the metal layer 213, when the heat cycle is loaded, the thermal stress generated in the ceramic substrate 11 is absorbed by the Al layer 213A, and the generation of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed. Further, since the Cu layer 213B is formed below the Al layer 213A, heat from the semiconductor element 3 side can be efficiently dissipated.
なお、第一実施形態では、チタン箔を介して、２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と無酸素銅からなる銅板とを積層し、固相拡散接合する場合について説明したが、Ｓｉの含有量が２Ｎアルミニウムよりも少ない４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と銅板とをチタン箔を介して固相拡散接合した場合には、接合界面にＡｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は形成されず、Ａｌ３Ｔｉ層（Ａｌ−Ｔｉ層）が厚く成長することになる。４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と銅板とを接合する場合、例えば図１０に示すように、４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板３２２Ａの上に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔３２６、チタン箔３２５、銅板３２２Ｂを順に積層し、固相拡散接合することによって、パワーモジュール用基板１０と同様に第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を形成することができ、ヒートサイクルが負荷された際に回路層に割れが生じることを抑制可能となる。 In the first embodiment, a case has been described in which an aluminum plate made of 2N aluminum and a copper plate made of oxygen-free copper are laminated and bonded by solid phase diffusion bonding via a titanium foil, but the content of Si is 2N aluminum. In the case where an aluminum plate made of less 4N aluminum and a copper plate are solid-phase diffusion bonded via a titanium foil, an Al—Ti—Si layer in which Si is dissolved in Al 3 Ti is not formed at the bonding interface, The Al 3 Ti layer (Al—Ti layer) will grow thick. When joining an aluminum plate made of 4N aluminum and a copper plate, for example, as shown in FIG. 10, an Al-Si brazing material foil 326, a titanium foil 325, and a copper plate 322B are placed on an aluminum plate 322A made of 4N aluminum. By sequentially laminating and solid phase diffusion bonding, the first Al—Ti—Si layer and the second Al—Ti—Si layer can be formed in the same manner as the power module substrate 10, and the heat cycle was loaded. It is possible to suppress the occurrence of cracks in the circuit layer.
また、第一実施形態において、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成される場合について説明したが、これに限定されることはなく、銅や銅合金で構成されても良い。
また、第二実施形態において、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、ヒートシンクが銅又は銅合金で構成される場合について説明したが、これに限定されることはなく、金属層が銅又は銅合金で構成され、ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されても良い。
Moreover, in 1st embodiment, although the case where a metal layer was comprised with aluminum or aluminum alloy was demonstrated, it is not limited to this, You may be comprised with copper or a copper alloy.
In the second embodiment, the case where the metal layer is made of aluminum or an aluminum alloy and the heat sink is made of copper or a copper alloy has been described. However, the present invention is not limited to this, and the metal layer is made of copper or copper. The heat sink may be made of aluminum or an aluminum alloy.
また、第一実施形態において、Ａｌ層となるアルミニウム板を積層しその上にチタン箔を介してＣｕ層となる銅板を積層し加圧・加熱を行い回路層を形成したが、銅板に代えて銅からなるリードフレーム（金属部材）を用いることができる。 In the first embodiment, an aluminum plate to be an Al layer is laminated, and a copper plate to be a Cu layer is laminated thereon via a titanium foil, and a circuit layer is formed by pressing and heating. A lead frame (metal member) made of copper can be used.
また、上記実施の形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介してアルミニウム板を接合する場合について説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）を適用しても良い。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where an aluminum plate was joined to one surface and the other surface of a ceramic substrate through Al-Si type brazing material foil, it is not limited to this. Alternatively, a transient liquid phase bonding method may be applied.
さらに、上記実施の形態では、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して、Ａｌ層となるアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介してＣｕ層となる銅板を積層し、加圧加熱することで接合体を形成したが、チタン箔及び銅板の代わりにＴｉ／Ｃｕからなるクラッド材を用いることができる。また、アルミニウム板、チタン箔及び銅板の代わりに、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕの３層からなるクラッド材を用いることもできる。
また、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成する場合、Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材を用いることができる。
さらに、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成する場合、Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材を用いることができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, an aluminum plate to be an Al layer is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 via an Al—Si brazing material foil, and a Cu layer is further formed thereon via a titanium foil. Although the joined body was formed by laminating and heating by pressing the copper plate, a clad material made of Ti / Cu can be used instead of the titanium foil and the copper plate. Further, a clad material composed of three layers of Al / Ti / Cu can be used instead of the aluminum plate, the titanium foil, and the copper plate.
Moreover, when forming a Ni layer instead of a Cu layer, a clad material made of Ti / Ni or a clad material made of Al / Ti / Ni can be used.
Furthermore, when an Ag layer is formed instead of the Cu layer, a clad material made of Ti / Ag or a clad material made of Al / Ti / Ag can be used.
（実施例１）
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
本発明例１−１〜１−７の接合体として、表１に示すように、Ｓｉを０．２５質量％含有する２Ｎアルミニウム板からなるアルミニウム部材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の一方の面に、チタン箔を介して表１記載の金属部材からなる板（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を積層し、上述の実施形態に記載した方法によって表１に示す条件で固相拡散接合した。
Example 1
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
As shown in Table 1, as joined bodies of Invention Examples 1-1 to 1-7, an aluminum member (10 mm × 10 mm, thickness 0.6 mm) made of a 2N aluminum plate containing 0.25% by mass of Si is used. A plate (2 mm × 2 mm, thickness 0.3 mm) made of a metal member described in Table 1 is laminated on one surface via a titanium foil, and fixed under the conditions shown in Table 1 by the method described in the above embodiment. Phase diffusion bonding was performed.
また、比較例１−１の接合体として、純度９９．９９％以上のアルミニウム板からなるアルミニウム部材（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）の一方の面に、チタン箔を介して無酸素銅の板からなる金属部材（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を積層し、本発明例１−１の接合体と同様にして表１に示す条件で固相拡散接合した。
このようにして得られた接合体に対して、接合体の断面観察、及びシェアテストを実施した。
Moreover, as a joined body of Comparative Example 1-1, an oxygen-free copper is formed on one surface of an aluminum member (10 mm × 10 mm, thickness 0.6 mm) made of an aluminum plate having a purity of 99.99% or more via a titanium foil. A metal member (2 mm × 2 mm, thickness 0.3 mm) made of the above plate was laminated and solid phase diffusion bonded under the conditions shown in Table 1 in the same manner as the bonded body of Example 1-1 of the present invention.
A cross-sectional observation and a shear test of the joined body were performed on the joined body thus obtained.
（断面観察）
接合体の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてＡｌ層（アルミニウム部材）と金属部材層（金属部材）との接合部の観察を行った。また、ＥＰＭＡ分析装置を用いて、接合部の組成分析を行い、Ｔｉ層とＡｌ層との間の接合界面（図１１、１２において、Ｔｉ層とアルミニウム部材との間の界面）に、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されているかどうかを確認した。
(Cross section observation)
A cross-section polisher (SM-09010 manufactured by JEOL Ltd.) was used to cross-section the bonded body, and after ion etching at an ion acceleration voltage of 5 kV, a processing time of 14 hours, and a protrusion amount from the shielding plate of 100 μm, a scanning type The joining part of the Al layer (aluminum member) and the metal member layer (metal member) was observed using an electron microscope (SEM). Further, the composition analysis of the joint portion was performed using an EPMA analyzer, and Al 3 was added to the joint interface between the Ti layer and the Al layer (the interface between the Ti layer and the aluminum member in FIGS. 11 and 12). It was confirmed whether an Al—Ti—Si layer in which Si was dissolved in Ti was formed.
（シェアテスト）
接合体にシェアテストを実施し、シェア強度（せん断強度）を測定した。なお、シェアテストは、国際電気標準会議の規格ＩＥＣ ６０７４９−１９に準拠して実施した。
(Share test)
A shear test was performed on the joined body, and the shear strength (shear strength) was measured. The share test was conducted in accordance with International Electrotechnical Commission Standard IEC 60749-19.
断面観察の結果の一例として、本発明例１−１の断面観察の結果（ＳＥＭ像）を図１１に、比較例１−１の断面観察の結果（ＳＥＭ像）を図１２に示す。また、表１に、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の有無、接合体のシェアテストの測定結果を示す。 As an example of the cross-sectional observation result, FIG. 11 shows the cross-sectional observation result (SEM image) of Invention Example 1-1, and FIG. 12 shows the cross-sectional observation result (SEM image) of Comparative Example 1-1. Table 1 shows the presence / absence of the Al—Ti—Si layer and the measurement results of the shear test of the joined body.
本発明例１−１では、図１１に示すように、Ｔｉ層とＡｌ層（アルミニウム部材）の間に、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認された。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さは薄く形成されていることを確認した。このようなＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が本発明例１−２〜１−７においても形成されていることも確認した。
一方、比較例１−１では、Ｔｉ層とＡｌ層との間に、Ａｌ−Ｔｉ層が形成されており、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は確認されなかった。図１２に示すように、比較例１−１のＡｌ−Ｔｉ層の厚さは、本発明例１−１〜１−７のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と比べて厚く形成されており、その接合界面にクラックが観察された。
また、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認されなかった比較例１−１では、シェア強度は２８ＭＰａであったのに対し、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認された本発明例１−１〜１−７ではシェア強度が７９ＭＰａ以上と大幅に高いことが確認された。
In Inventive Example 1-1, as shown in FIG. 11, an Al—Ti—Si layer was confirmed between the Ti layer and the Al layer (aluminum member). It was confirmed that the Al—Ti—Si layer was formed thin. It was also confirmed that such an Al—Ti—Si layer was formed in the inventive examples 1-2 to 1-7.
On the other hand, in Comparative Example 1-1, an Al—Ti layer was formed between the Ti layer and the Al layer, and no Al—Ti—Si layer was confirmed. As shown in FIG. 12, the thickness of the Al—Ti layer of Comparative Example 1-1 is formed thicker than the Al—Ti—Si layers of Invention Examples 1-1 to 1-7, and the junction Cracks were observed at the interface.
Further, in Comparative Example 1-1 in which no Al—Ti—Si layer was confirmed, the shear strength was 28 MPa, whereas the present invention examples 1-1 to 1—1 in which an Al—Ti—Si layer was confirmed. In No. 7, it was confirmed that the shear strength was significantly higher than 79 MPa.
（実施例２）
本発明例２−１〜２−７のパワーモジュールを次のようにして製造した。セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ層となるＳｉを０．２５質量％含有する２Ｎアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層し、さらにその上にチタン箔を介して表２記載の金属部材からなる板を積層する。また、セラミックス基板の他方の面には、金属層となる純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して積層した。次いで、表２に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌ層及び金属層を形成するとともに、Ａｌ層、チタン箔、金属部材からなる板を固相拡散接合して回路層を形成した。そして、回路層の一方の面にはんだ材を介して半導体素子を接合した。
(Example 2)
The power modules of Invention Examples 2-1 to 2-7 were produced as follows. On one surface of the ceramic substrate, a 2N aluminum plate (thickness 0.6 mm) containing 0.25% by mass of Si serving as an Al layer is laminated, and a metal member described in Table 2 is further formed on the ceramic substrate via a titanium foil. Laminate plates made of On the other surface of the ceramic substrate, a 4N aluminum plate (thickness: 0.6 mm) having a purity of 99.99% or more to be a metal layer is laminated. Here, it laminated | stacked via the Al-Si type brazing material foil between the aluminum plate and the ceramic substrate. Next, heat treatment is performed under the conditions shown in Table 2 to form an Al layer and a metal layer on one surface and the other surface of the ceramic substrate, and a plate made of the Al layer, titanium foil, and metal member is solid phase diffusion bonded Thus, a circuit layer was formed. And the semiconductor element was joined to one side of the circuit layer via the solder material.
比較例２−１のパワーモジュールは、Ａｌ層として純度９９．９９％以上の４Ｎアルミニウムを用いたこと以外は、本発明例２−１のパワーモジュールと同様にして製造した。なお、加熱処理は、表２に示す条件で実施した。
このようにして製造されたパワーモジュールの回路層におけるＡｌ層と金属部材層との接合部において、実施例１と同様にして、Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉ層の有無を確認した。さらに、パワーモジュールに対して、ヒートサイクル試験を行い、試験後のＡｌ層と金属部材層との接合部の接合率を測定した。また、Ａｌ層と金属部材層との接合部の初期の接合率（ヒートサイクル試験前の接合率）も測定した。ヒートサイクル試験と接合率の測定は、以下のようにして行った。
The power module of Comparative Example 2-1 was manufactured in the same manner as the power module of Example 2-1 except that 4N aluminum having a purity of 99.99% or more was used as the Al layer. The heat treatment was performed under the conditions shown in Table 2.
In the same manner as in Example 1, the presence or absence of the Al—Si—Ti layer was confirmed at the joint between the Al layer and the metal member layer in the circuit layer of the power module thus manufactured. Furthermore, the heat cycle test was done with respect to the power module, and the joining rate of the joined part between the Al layer and the metal member layer after the test was measured. Moreover, the initial joining rate (joining rate before a heat cycle test) of the junction part of Al layer and a metal member layer was also measured. The heat cycle test and the measurement of the bonding rate were performed as follows.
（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、パワーモジュールに対して、−４０℃←→１２５℃のヒートサイクルを負荷することにより行う。本実施例では、このヒートサイクルを４０００回実施した。
このヒートサイクル試験前後における、Ａｌ層と金属部材層との界面における接合率を測定した。
(Heat cycle test)
The heat cycle test is performed by applying a heat cycle of −40 ° C. ← → 125 ° C. to the power module. In this example, this heat cycle was performed 4000 times.
The bonding rate at the interface between the Al layer and the metal member layer before and after the heat cycle test was measured.
（Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率評価）
ヒートサイクル試験前後のパワーモジュールに対して、Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。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、すなわちＡｌ層の面積とした。超音波探傷像において剥離は白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率（％））＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
以上の評価の結果を表２に示す。
(Joint rate evaluation of the joint between the Al layer and the metal member layer)
The power module before and after the heat cycle test was evaluated using an ultrasonic flaw detector for the joint ratio of the joint between the Al layer and the metal member layer, and calculated from the following formula. Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the Al layer. Since peeling is indicated by a white part in the ultrasonic flaw detection image, the area of the white part is defined as a peeling area.
(Bonding rate (%)) = {(initial bonding area) − (peeling area)} / (initial bonding area) × 100
The results of the above evaluation are shown in Table 2.
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認されなかった比較例２−１では、初期の接合率は７２．５％と低く、ヒートサイクル試験後には接合率は大幅に低下した。
一方、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認された本発明例２−１〜２−７では初期接合率は９７．８％以上と高く、ヒートサイクル試験後の接合率も高いままであり、接合信頼性の高いパワーモジュールであることが確認された。
In Comparative Example 2-1, in which no Al—Ti—Si layer was confirmed, the initial joining rate was as low as 72.5%, and the joining rate was greatly reduced after the heat cycle test.
On the other hand, in Examples 2-1 to 2-7 of the present invention in which the Al—Ti—Si layer was confirmed, the initial joining rate was as high as 97.8% or more, and the joining rate after the heat cycle test remained high. It was confirmed that this is a highly efficient power module.
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層（接合体）
１２Ａ、２１３Ａ Ａｌ層
１２Ｂ、２１３Ｂ Ｃｕ層（金属部材層）
１３ 金属層
１５、１１５、２１５ Ｔｉ層
１６、１１６ Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１６Ａ、１１６Ａ 第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１６Ｂ、１１６Ｂ 第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１１２ 回路層
１１３ 金属層（Ａｌ層）
１３０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１３１ ヒートシンク（金属部材）
２１３ 金属層（接合体）
10, 110 Power module substrate 11 Ceramic substrate (insulating layer)
12 Circuit layer (joint)
12A, 213A Al layer 12B, 213B Cu layer (metal member layer)
13 Metal layer 15, 115, 215 Ti layer 16, 116 Al-Ti-Si layer 16A, 116A First Al-Ti-Si layer 16B, 116B Second Al-Ti-Si layer 112 Circuit layer 113 Metal layer (Al layer )
130 Power Module Substrate with Heat Sink 131 Heat Sink (Metal Member)
213 Metal layer (joint)
Claims (5)
前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部には、
前記金属部材側に位置するＴｉ層と、
前記Ｔｉ層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
前記アルミニウム部材側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とする接合体。 A joined body in which an aluminum member made of aluminum and a metal member made of copper, nickel, or silver are joined,
In the joint between the aluminum member and the metal member,
A Ti layer located on the metal member side;
An Al—Ti—Si layer, which is located between the Ti layer and the aluminum member and in which Si is dissolved in Al 3 Ti, is formed,
The Al-Ti-Si layer is
A first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side;
And a second Al-Ti-Si layer formed on the aluminum member side and having a lower Si concentration than the first Al-Ti-Si layer.
前記回路層が請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
前記回路層は、前記絶縁層の一方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層の一方の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、
前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、
前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、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。 An insulating layer, and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer,
The circuit layer comprises the joined body according to claim 1 or claim 2,
The circuit layer includes an Al layer formed on one surface of the insulating layer and made of the aluminum member, and a metal member layer formed on one surface of the Al layer and made of the metal member.
In the joint between the Al layer and the metal member layer,
A Ti layer located on the metal member layer side;
An Al-Ti-Si layer, which is located between the Ti layer and the Al layer and in which Si is dissolved in Al 3 Ti, is formed,
The Al-Ti-Si layer is
A first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side;
A power module substrate comprising: a second Al—Ti—Si layer formed on the Al layer side and having a lower Si concentration than the first Al—Ti—Si layer.
前記金属層が請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に形成され前記アルミニウム部材からなるＡｌ層と、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成され前記金属部材からなる金属部材層と、を有し、
前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、
前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備え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。 A metal layer formed on the other surface of the insulating layer;
The metal layer comprises the joined body according to claim 1 or claim 2,
The metal layer is formed on the other surface of the insulating layer and made of the aluminum member, and the Al layer is formed on the surface opposite to the surface on which the insulating layer is formed, and is made of the metal member. A metal member layer,
In the joint between the Al layer and the metal member layer,
A Ti layer located on the metal member layer side;
An Al-Ti-Si layer, which is located between the Ti layer and the Al layer and in which Si is dissolved in Al 3 Ti, is formed,
The Al-Ti-Si layer is
A first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side;
The power module according to claim 3, further comprising: a second Al—Ti—Si layer formed on the Al layer side and having a lower Si concentration than the first Al—Ti—Si layer. substrate.
前記金属層と前記ヒートシンクとが請求項１又は請求項２に記載の接合体からなり、
前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の一方がアルミニウムで構成され、
前記金属層及び前記ヒートシンクの接合面の他方が銅、ニッケル、又は銀で構成され、
前記金属層と前記ヒートシンクとの接合部には、
前記接合面が銅、ニッケル、又は銀からなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に位置するＴｉ層と、
前記接合面がアルミニウムからなる前記金属層又は前記ヒートシンクと、前記Ｔｉ層との間に位置し、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
前記接合面がＡｌからなる前記金属層又は前記ヒートシンク側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。 An insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, and a heat sink bonded to the metal layer,
The metal layer and the heat sink are composed of the joined body according to claim 1 or claim 2,
One of the joining surfaces of the metal layer and the heat sink is made of aluminum,
The other of the joining surfaces of the metal layer and the heat sink is made of copper, nickel, or silver,
In the joint between the metal layer and the heat sink,
Ti layer located on the metal layer or the heat sink side, wherein the bonding surface is made of copper, nickel, or silver;
An Al-Ti-Si layer in which Si is solid-dissolved in Al 3 Ti is formed between the metal layer or the heat sink made of aluminum and the Ti layer, and the bonding surface is formed,
The Al-Ti-Si layer is
A first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side;
The bonding surface includes the metal layer made of Al or a second Al-Ti-Si layer formed on the heat sink side and having a lower Si concentration than the first Al-Ti-Si layer. Power module board with heatsink.
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