JP2015070098A - Substrate for power module with copper plate, and method of manufacturing substrate for power module with copper plate - Google Patents

Substrate for power module with copper plate, and method of manufacturing substrate for power module with copper plate Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for power module with copper plate capable of suppressing occurence of warpage when bonding a copper plate to one side of a ceramic substrate, and to provide a method of manufacturing a substrate for power module with copper plate.SOLUTION: A substrate for power module with copper plate includes a ceramics substrate 11, and a circuit layer 12 formed on one side of the ceramics substrate 11. The circuit layer 12 has an aluminum layer 12A disposed on one side of the ceramics substrate 11, and a copper plate 12B disposed on one side of the aluminum layer 12A. The copper plate 12B has a die pad 32 to which a semiconductor element is bonded, a lead 33 extending from the lead 33, and a guide frame for coupling the lead 33. The aluminum layer 12A and the die pad 32 of the copper plate 12B are subjected to solid phase diffusion welding.

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銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a power module substrate with a copper plate used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, and a method for manufacturing a power module substrate with a copper plate.

半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板の一方の面側に第一の金属板が接合されてなる回路層と、セラミックス基板の他方の面側に第二の金属板が接合されてなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子の半導体素子が搭載される。
そして、金属層の他方の面側に、パワーモジュール用基板を冷却するためのヒートシンクが接合される。なお、上述のようなパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の他方の面側に金属層を形成せず、直接セラミックス基板の他方の面にヒートシンクが接合されることもある。 Among semiconductor elements, a power module for supplying power has a relatively high calorific value, and for example, AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), Si 3 N 4 ( A circuit layer formed by bonding a first metal plate to one surface side of a ceramic substrate made of silicon nitride), and a metal layer formed by bonding a second metal plate to the other surface side of the ceramic substrate; The board for power modules provided with is used.
In such a power module substrate, a semiconductor element of a power element is mounted on a circuit layer via a solder material.
And the heat sink for cooling the board | substrate for power modules is joined to the other surface side of a metal layer. In the power module substrate as described above, a heat sink may be directly joined to the other surface of the ceramic substrate without forming a metal layer on the other surface of the ceramic substrate.

回路層を構成する第一の金属板としては、例えば銅板が用いられており、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に銅板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。この構成のパワーモジュール用基板においては、回路層が銅板で構成されているので、回路層の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を十分に拡げて放散させることが可能となる。   As the first metal plate constituting the circuit layer, for example, a copper plate is used, and Patent Document 1 proposes a power module substrate in which a circuit layer made of a copper plate is bonded to one surface of a ceramic substrate. ing. In the power module substrate having this configuration, since the circuit layer is made of a copper plate, it is possible to sufficiently spread and dissipate heat from a heating element such as an electrical component mounted on the circuit layer. .

また、特許文献２には、回路層を構成する第一の金属板を銅板とし、金属層を構成する第二の金属板をアルミニウム板としたパワーモジュール用基板が提案されている。
この構成のパワーモジュール用基板においては、特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板と同様に、回路層が銅板で構成されているので、電気部品等の発熱体からの熱を十分に拡げて放散させることが可能となる。また、金属層がアルミニウム板で構成されているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、金属層において十分に緩和することができ、セラミックス基板の割れを抑制することが可能となる。 Patent Document 2 proposes a power module substrate in which a first metal plate constituting a circuit layer is a copper plate and a second metal plate constituting the metal layer is an aluminum plate.
In the power module substrate having this configuration, the circuit layer is formed of a copper plate as in the power module substrate described in Patent Document 1, so that heat from a heating element such as an electrical component is sufficiently spread. It becomes possible to dissipate. Moreover, since the metal layer is made of an aluminum plate, the thermal strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate can be sufficiently relaxed in the metal layer, and cracking of the ceramic substrate is suppressed. It becomes possible.

特許第３２１１８５６号公報Japanese Patent No. 3211856 特開２００３−１９７８２６号公報JP 2003-197826 A

ところで、特許文献１及び特許文献２に記載されたパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層として銅板が接合されており、銅は比較的変形抵抗が高いことから、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板と銅板との間に生じる熱応力によってセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。   By the way, in the power module substrate described in Patent Document 1 and Patent Document 2, a copper plate is bonded as a circuit layer to one surface of the ceramic substrate, and copper has a relatively high deformation resistance. When loaded, the ceramic substrate may be cracked due to thermal stress generated between the ceramic substrate and the copper plate.

また、特許文献２に記載されたパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合し、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板を接合することになる。ここで、銅板とセラミックス基板を接合する際の接合温度は、アルミニウム板とセラミックス基板を接合する際の接合温度よりも高温であることから、まず、銅板とセラミックス基板を接合した後、アルミニウム板とセラミックス基板を接合することになる。   In the power module substrate described in Patent Document 2, a copper plate is bonded to one surface of the ceramic substrate, and an aluminum plate is bonded to the other surface of the ceramic substrate. Here, since the joining temperature when joining the copper plate and the ceramic substrate is higher than the joining temperature when joining the aluminum plate and the ceramic substrate, first, after joining the copper plate and the ceramic substrate, The ceramic substrate will be joined.

ここで、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合した場合、銅板とセラミックス基板との熱膨張係数が大きく異なることから、接合後に大きく反りが生じることになる。この状態で、セラミックス基板の他方の面側にアルミニウム板を接合しようとしても、アルミニウム板とセラミックス基板とが密着せず、接合を良好に行うことができないおそれがあった。   Here, when a copper plate is joined to one surface of the ceramic substrate, the thermal expansion coefficients of the copper plate and the ceramic substrate are greatly different, so that a large warp occurs after joining. In this state, even if an aluminum plate is to be bonded to the other surface side of the ceramic substrate, the aluminum plate and the ceramic substrate are not in close contact with each other, and there is a possibility that the bonding cannot be performed satisfactorily.

このようにパワーモジュール用基板に反りが生じた場合には、回路層上に半導体素子を接合する際、あるいは、金属層側にヒートシンクを接合する際に、接合界面に隙間が生じて、接合を良好に行うことができないおそれがあった。
また、セラミックス基板の他方の面側に直接ヒートシンクを接合する場合においても、同様に、ヒートシンクとセラミックス基板の接合を良好に行うことができないおそれがあった。 When the power module substrate is warped in this way, a gap is generated at the bonding interface when the semiconductor element is bonded on the circuit layer or when the heat sink is bonded to the metal layer side. There was a possibility that it could not be performed well.
Similarly, when the heat sink is directly bonded to the other surface side of the ceramic substrate, there is a possibility that the heat sink and the ceramic substrate cannot be bonded satisfactorily.

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、セラミックス基板の一方の面側に銅板を接合する際に、反りの発生を抑制するとともに、ヒートサイクルが負荷された際にセラミックス基板における割れの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and suppresses the occurrence of warping when a copper plate is bonded to one surface side of a ceramic substrate, and when the heat cycle is loaded, the ceramic substrate. It aims at providing the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a copper plate which can suppress generation | occurrence | production of the crack in copper, and the board | substrate for power modules with a copper plate.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の銅板付きパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備え、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方側に配設された銅板と、を有し、前記銅板は、半導体素子が接合されるダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有しており、前記アルミニウム層と、前記銅板の前記ダイパッドとが、固相拡散接合されていることを特徴としている。   In order to solve such problems and achieve the above object, a power module substrate with a copper plate of the present invention comprises a ceramic substrate and a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, The circuit layer includes an aluminum layer disposed on one surface of the ceramic substrate, and a copper plate disposed on one side of the aluminum layer, and the copper plate is a die pad to which a semiconductor element is bonded. A lead portion extending from the die pad and a guide frame connecting the lead portion, and the aluminum layer and the die pad of the copper plate are solid phase diffusion bonded. It is a feature.

本発明の銅板付きパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が配設され、このアルミニウム層の一方側に銅板のダイパッドが固相拡散接合された構成とされており、銅板のダイパッドがリード部を介してガイド枠と連結していることから、銅板の剛性を確保することにより、反りの発生を抑制することができる。また、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が配設されていることにより、セラミックス基板と銅板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム層が変形することによって緩和し、反りの発生をさらに低減することができる。このように反りの発生が抑制されることにより、ダイパッドに半導体素子を良好に接合したり、セラミックス基板の他方の面に、金属層やヒートシンクを良好に接合したりすることができる。
また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が配設されているので、熱サイクルが負荷された場合に、銅板付きパワーモジュール用基板に発生する熱歪みをアルミニウム層によって緩和してセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。 In the power module substrate with a copper plate of the present invention, an aluminum layer is disposed on one surface of the ceramic substrate, and a die pad of the copper plate is solid phase diffusion bonded to one side of the aluminum layer. Since the die pad is connected to the guide frame through the lead portion, warping can be suppressed by ensuring the rigidity of the copper plate. In addition, since the aluminum layer is disposed on one surface of the ceramic substrate, the aluminum layer having a relatively small deformation resistance is deformed due to the thermal strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the copper plate. To reduce the occurrence of warpage. By suppressing the occurrence of warpage in this way, the semiconductor element can be favorably joined to the die pad, or the metal layer or the heat sink can be favorably joined to the other surface of the ceramic substrate.
Moreover, in the above power module substrate with a copper plate, an aluminum layer is disposed on one surface of the ceramic substrate. Therefore, thermal strain generated in the power module substrate with a copper plate when a thermal cycle is applied. Can be suppressed by the aluminum layer, and cracking of the ceramic substrate can be suppressed.

また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板においては、アルミニウム層の一方の面に、電子部品が搭載されるダイパッドを有する銅板を備えているので、電子部品から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。
さらに、アルミニウム層の一方の面に、比較的変形抵抗の大きい銅板が接合されていることにより、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層の変形を抑制することができる。そのため、パワーサイクルに対する高い信頼性も得られる。
また、アルミニウム層とダイパッドとが、固相拡散接合によって接合されているので、ヒートサイクルが負荷された場合に、アルミニウム層と銅板との間に剥離が生じることが抑制され、回路層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
なお、本発明において、アルミニウム層は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。また、本発明において、銅板は、銅又は銅合金からなる。 Moreover, in the above-mentioned power module substrate with a copper plate, since the copper plate having the die pad on which the electronic component is mounted is provided on one surface of the aluminum layer, the heat generated from the electronic component can be sufficiently expanded. It becomes possible to promote heat dissipation. Therefore, durability when a power cycle is loaded can be improved.
Furthermore, since a copper plate having a relatively large deformation resistance is joined to one surface of the aluminum layer, deformation of the circuit layer can be suppressed when a power cycle is applied. Therefore, high reliability with respect to the power cycle can also be obtained.
In addition, since the aluminum layer and the die pad are bonded by solid phase diffusion bonding, the occurrence of delamination between the aluminum layer and the copper plate is suppressed when a heat cycle is applied, and the heat conduction of the circuit layer is suppressed. And conductivity can be maintained.
In the present invention, the aluminum layer is made of aluminum or an aluminum alloy. In the present invention, the copper plate is made of copper or a copper alloy.

前記銅板は、帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有しており、前記ダイパッドに前記アルミニウム層が固相拡散接合されていることが好ましい。
この場合、銅板が帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有していることから、ダイパッド上に半導体素子を搭載し、リード部をガイド枠から切断することによって、連続的に半導体装置を製造することが可能となる。 It is preferable that the copper plate is formed in a band shape, has a plurality of die pads in the longitudinal direction, and the aluminum layer is bonded to the die pad by solid phase diffusion bonding.
In this case, since the copper plate is formed in a strip shape and has a plurality of die pads in the longitudinal direction, a semiconductor element is mounted on the die pad, and the lead portion is continuously cut from the guide frame. A semiconductor device can be manufactured.

また、本発明の銅板付きパワーモジュール用基板は、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金属層が配設されていることが好ましい。
この場合、銅板付きパワーモジュール用基板の金属層側にヒートシンクを接合する際に、セラミックス基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力を、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層によって緩和し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。 In the power module substrate with a copper plate of the present invention, a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is preferably disposed on the other surface of the ceramic substrate.
In this case, when the heat sink is bonded to the metal layer side of the power module substrate with a copper plate, the thermal stress generated between the ceramic substrate and the heat sink is alleviated by a metal layer made of aluminum or aluminum alloy having a relatively small deformation resistance. And it can suppress that a crack generate | occur | produces in a ceramic substrate.

本発明の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えた銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有する銅板、及びアルミニウム板を準備する準備工程と、前記セラミックス基板の一方の面に、前記アルミニウム板を接合してアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、前記アルミニウム層を形成した後に、前記アルミニウム層の一方側に、前記銅板の前記ダイパッドを固相拡散接合により接合する銅板接合工程と、を備えることを特徴としている。   A method for producing a power module substrate with a copper plate according to the present invention is a method for producing a power module substrate with a copper plate comprising a ceramic substrate and a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate, the die pad A copper plate having a lead portion extending from the die pad, and a guide frame connecting the lead portion, and a preparation step of preparing an aluminum plate, and joining the aluminum plate to one surface of the ceramic substrate An aluminum layer forming step for forming an aluminum layer, and a copper plate bonding step for bonding the die pad of the copper plate to the one side of the aluminum layer by solid phase diffusion bonding after forming the aluminum layer. It is characterized by.

本発明の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層を形成した後に、さらにこのアルミニウム層の一方側にダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠とを有する銅板を接合することから、銅板の剛性を利用して、銅板付きパワーモジュール用基板における反りの発生を抑制することができる。
また、銅板接合工程において、アルミニウム層と銅板のダイパッドとを固相拡散接合により接合する構成とされているので、アルミニウム層と銅板のダイパッドとが固相拡散によって接合された回路層を備えた銅板付きパワーモジュール用基板を得ることができる。 In the method for manufacturing a power module substrate with a copper plate of the present invention, after forming an aluminum layer on one surface of the ceramic substrate, a die pad on one side of the aluminum layer, and a lead portion extending from the die pad, Since the copper plate having the guide frame for connecting the lead portions is joined, the warpage of the power module substrate with a copper plate can be suppressed by utilizing the rigidity of the copper plate.
Further, in the copper plate joining step, the aluminum layer and the copper plate die pad are joined by solid phase diffusion bonding, so the copper plate having a circuit layer in which the aluminum layer and the copper plate die pad are joined by solid phase diffusion. An attached power module substrate can be obtained.

また、前記銅板接合工程において、前記アルミニウム層の一方側に前記銅板の前記ダイパッドを積層し、前記アルミニウム層と前記ダイパッドに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記アルミニウム層と前記ダイパッドとを固相拡散接合することが好ましい。
このような条件で固相拡散接合を行うことにより、アルミニウム層と銅板のダイパッドとを確実に固相拡散によって接合できる。また、アルミニウム層とダイパッドとの界面に、隙間が生じることを抑制することが可能である。 Further, in the copper plate bonding step, laminating the die pad of the copper plate on one side of the aluminum layer, with respect to the die pad and the aluminum layer, it was loaded with 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less load state Therefore, it is preferable that the aluminum layer and the die pad are solid-phase diffusion bonded by holding at 400 ° C. or higher and lower than 548 ° C.
By performing solid phase diffusion bonding under such conditions, the aluminum layer and the copper pad die pad can be reliably bonded by solid phase diffusion. Moreover, it is possible to suppress the formation of a gap at the interface between the aluminum layer and the die pad.

本発明によれば、セラミックス基板の一方の面側に銅板を接合する際に、反りの発生を抑制するとともに、ヒートサイクルが負荷された際にセラミックス基板における割れの発生を抑制することが可能な銅板付きパワーモジュール用基板及び銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when joining a copper plate to the one surface side of a ceramic substrate, while suppressing generation | occurrence | production of a curvature, when a heat cycle is loaded, generation | occurrence | production of the crack in a ceramic substrate can be suppressed. The board | substrate for power modules with a copper plate and the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a copper plate can be provided.

本発明の実施形態である銅板付き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 with a copper plate which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the board | substrate for power modules with a copper plate which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板に用いられる銅板の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the copper plate used for the board | substrate for power modules with a copper plate which is embodiment of this invention. 図２におけるアルミニウム層とダイパッドとの接合界面の拡大説明図である。FIG. 3 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between an aluminum layer and a die pad in FIG. 2. 図４におけるη相とζ２相との接合界面の拡大説明図である。FIG. 5 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between the η phase and the ζ 2 phase in FIG. 4. 本発明の実施形態である銅板付き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 with a copper plate which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a copper plate which is embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the board | substrate for power modules with a copper plate which is other embodiment of this invention.

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、本発明の実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板１０、及びこの銅板付きパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a power module substrate 10 with a copper plate and a power module 1 using this power module substrate 10 with a copper plate according to an embodiment of the present invention.

このパワーモジュール１は、回路層１２が配設された銅板付きパワーモジュール用基板１０と、この銅板付きパワーモジュール用基板１０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子（電子部品）３と、銅板付きパワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク４１と、を備えている。また、銅板付きパワーモジュール用基板１０及び半導体素子３は、外装樹脂６によって封止されており、後述する銅板１２Ｂのリード部３３が外装樹脂６から外部に向けて突出するように構成されている。
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めっき層（図示なし）が設けられている。 The power module 1 is bonded to a power module substrate 10 with a copper plate on which a circuit layer 12 is disposed, and a surface on one side (upper side in FIG. 1) of the power module substrate 10 with a copper plate via a solder layer 2. And a heat sink 41 disposed on the other side (lower side in FIG. 1) of the power module substrate 10 with a copper plate. Further, the power module substrate 10 with copper plate and the semiconductor element 3 are sealed with an exterior resin 6, and a lead portion 33 of a copper plate 12 </ b> B described later is configured to protrude outward from the exterior resin 6. .
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.

銅板付きパワーモジュール用基板１０は、図１及び図２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１及び図２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及び図２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る。本実施形態では、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。 As shown in FIGS. 1 and 2, the power module substrate 10 with a copper plate includes a ceramic substrate 11 and a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIGS. 1 and 2) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 disposed on the other surface (the lower surface in FIGS. 1 and 2) of the ceramic substrate 11.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13. In this embodiment, it is comprised with AlN (aluminum nitride) with high insulation. 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及び図２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配設されたアルミニウム層１２Ａと、このアルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に配設された銅板１２Ｂと、を有している。   As shown in FIGS. 1 and 2, the circuit layer 12 includes an aluminum layer 12A disposed on one surface of the ceramic substrate 11, and one side (upper side in FIG. 1) of the aluminum layer 12A. And a disposed copper plate 12B.

アルミニウム層１２Ａは、図７に示すように、アルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１の一方の面に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、アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２２Ａがセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。アルミニウム層１２Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされており、本実施形態においては０．６ｍｍとされている。   As shown in FIG. 7, the aluminum layer 12 </ b> A is formed by bonding an aluminum plate 22 </ b> A to one surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the aluminum layer 12A is formed by joining an aluminum plate 22A made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more to the ceramic substrate 11. The thickness of the aluminum layer 12A is 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is 0.6 mm in the present embodiment.

銅板１２Ｂは、半導体素子３が接合されるダイパッド３２と、このダイパッド３２から延出するリード部３３と、リード部３３を連結するガイド枠３１と、を備えている（図３参照）。そして、ダイパッド３２が、アルミニウム層１２Ａの一方側（図２において上側）に接合されて、回路層１２を構成することになる。また、この銅板１２Ｂのリード部３３が、外装樹脂６から外部に向けて突出するように配置されることになる。   The copper plate 12B includes a die pad 32 to which the semiconductor element 3 is bonded, a lead portion 33 extending from the die pad 32, and a guide frame 31 connecting the lead portion 33 (see FIG. 3). Then, the die pad 32 is bonded to one side (the upper side in FIG. 2) of the aluminum layer 12A to constitute the circuit layer 12. Further, the lead portion 33 of the copper plate 12B is disposed so as to protrude outward from the exterior resin 6.

銅板１２Ｂは、図７に示すように、アルミニウム層１２Ａの一方側（図１、２において上側）にダイパッド３２が固相拡散接合されることにより接合されている。銅板１２Ｂの厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされており、本実施形態においては、２．０ｍｍとされている。本実施形態においては、銅板として無酸素銅を用いた。
なお、本実施形態においては、銅板１２Ｂとして、図３に示すように、複数のダイパッド３２がガイド枠３１の延在方向に連結された帯材を用いている。 As shown in FIG. 7, the copper plate 12B is bonded to one side of the aluminum layer 12A (the upper side in FIGS. 1 and 2) by solid-phase diffusion bonding. The thickness of the copper plate 12B is 0.1 mm or more and 6.0 mm or less, and is 2.0 mm in this embodiment. In the present embodiment, oxygen-free copper is used as the copper plate.
In the present embodiment, as the copper plate 12B, a strip material in which a plurality of die pads 32 are connected in the extending direction of the guide frame 31 is used as shown in FIG.

そして、これらのアルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとの界面には、図４に示すように、拡散層１２Ｃが形成されている。
拡散層１２Ｃは、アルミニウム層１２Ａのアルミニウム原子と、銅板１２Ｂの銅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。この拡散層１２Ｃにおいては、アルミニウム層１２Ａから銅板１２Ｂに向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。 A diffusion layer 12C is formed at the interface between the aluminum layer 12A and the copper plate 12B as shown in FIG.
The diffusion layer 12C is formed by the mutual diffusion of aluminum atoms in the aluminum layer 12A and copper atoms in the copper plate 12B. The diffusion layer 12C has a concentration gradient in which the concentration of aluminum atoms gradually decreases and the concentration of copper atoms increases as it goes from the aluminum layer 12A to the copper plate 12B.

拡散層１２Ｃは、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この拡散層１２Ｃの厚さｔは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態において拡散層１２Ｃは、図４に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム層１２Ａ側から銅板１２Ｂ側に向けて順に、θ相１６、η２相１７が積層され、さらにζ２相１８ａ、δ相１８ｂ、及びγ２相１８ｃのうち少なくとも一つの相が積層された構造とされている。 The diffusion layer 12C is made of an intermetallic compound composed of Cu and Al. In the present embodiment, the diffusion layer 12C has a structure in which a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface. Here, the thickness t of the diffusion layer 12C is set in the range of 1 μm to 80 μm, preferably in the range of 5 μm to 80 μm.
In the present embodiment, the diffusion layer 12C has a structure in which three kinds of intermetallic compounds are laminated as shown in FIG. 4, and in order from the aluminum layer 12A side to the copper plate 12B side, the θ phase 16, η2 The phase 17 is laminated, and at least one of the ζ2 phase 18a, the δ phase 18b, and the γ2 phase 18c is laminated.

また、上述のζ２相１８ａ、δ相１８ｂ、又はγ２相１８ｃの内部には、図５に示すように、酸化物１９が、拡散層１２Ｃと銅板１２Ｂとの接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物１９は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。
さらに、本実施形態では、銅板１２Ｂのうち固相拡散接合したダイパッド３２の部分の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、アルミニウム層１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。 In addition, in the ζ2 phase 18a, δ phase 18b, or γ2 phase 18c, the oxide 19 is dispersed in layers along the bonding interface between the diffusion layer 12C and the copper plate 12B, as shown in FIG. ing. In the present embodiment, the oxide 19 is an aluminum oxide such as alumina (Al 2 O 3 ).
Furthermore, in this embodiment, the average crystal grain size of the portion of the die pad 32 that is solid phase diffusion bonded in the copper plate 12B is in the range of 50 μm or more and 200 μm or less, and the average crystal grain size of the aluminum layer 12A is 500 μm or more. Yes.

金属層１３は、図７に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム板２３が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層１３となるアルミニウム板２３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）の圧延板とされている。なお、このアルミニウム板２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下とされている。 As shown in FIG. 7, the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11.
In this embodiment, the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% by mass or more. The aluminum plate 23 has a 0.2% proof stress of 30 N / mm 2 or less.

ヒートシンク４１は、前述の銅板付きパワーモジュール用基板１０からの熱を放散するためのものである。
本実施形態においては、ヒートシンク４１は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、具体的にはＡ６０６３合金の圧延板とされている。また、ヒートシンク４１の厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、５ｍｍに設定されている。なお、ヒートシンク４１と金属層１３とは、例えばはんだ材やＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合されている。 The heat sink 41 is for dissipating heat from the power module substrate 10 with a copper plate described above.
In the present embodiment, the heat sink 41 is made of aluminum or an aluminum alloy, and specifically, is a rolled plate of A6063 alloy. Further, the thickness of the heat sink 41 is set within a range of 1 mm or more and 10 mm or less, and is set to 5 mm in the present embodiment. The heat sink 41 and the metal layer 13 are joined using, for example, a solder material or an Al—Si brazing material.

以下に、前述の構成の銅板付きパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図６、図７を参照して説明する。
まず、回路層１２を構成するアルミニウム板２２Ａ、銅板１２Ｂ、及び金属層１３を構成するアルミニウム板２３を準備する（アルミニウム板及び銅板準備工程Ｓ０１）。 Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules with a copper plate of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIG. 6, FIG.
First, an aluminum plate 22A, a copper plate 12B, and an aluminum plate 23 that constitute the circuit layer 12 are prepared (aluminum plate and copper plate preparation step S01).

次に、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材２４を介してアルミニウム板２２Ａを積層し、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材２４を介してアルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板積層工程Ｓ０２）。なお、本実施形態においては、Ａｌ−８．５重量％Ｓｉろう材からなるＡｌ−Ｓｉ系ろう材２４を用いた。   Next, an aluminum plate 22A is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 via an Al—Si based brazing material 24, and an aluminum plate is disposed on the other surface of the ceramic substrate 11 via an Al—Si based brazing material 24. 23 are laminated (aluminum plate lamination step S02). In the present embodiment, an Al—Si brazing material 24 made of Al-8.5 wt% Si brazing material is used.

次いで、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板２２Ａを積層するとともに、他方の面にアルミニウム板２３を積層した状態で、加圧・加熱後冷却することによって、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２Ａ、２３を接合し、アルミニウム層１２Ａ及び金属層１３を形成する（アルミニウム層及び金属層形成工程Ｓ０３）。なお、このろう付けの温度は、６４０℃〜６５０℃に設定されている。   Next, while laminating the aluminum plate 22A on one surface of the ceramic substrate and cooling the aluminum substrate 23 on the other surface with pressure, heating and cooling, the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22A, 23 are The aluminum layer 12A and the metal layer 13 are formed by bonding (aluminum layer and metal layer forming step S03). The brazing temperature is set to 640 ° C to 650 ° C.

次いで、アルミニウム層１２Ａの一方側（図７において上側）に、銅板１２Ｂのダイパッド３２が所定の位置になるように、銅板１２Ｂを積層する（銅板積層工程Ｓ０４）。
そして、銅板１２Ｂ側及び金属層１３側から荷重を負荷し、真空加熱炉の中に配置する。本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに負荷される圧力が、２９．４×１０４Ｐａ（３ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下とされている。そして、真空加熱の加熱温度を、４００℃以上５４８℃未満とし、５分以上２４０分以下保持して固相拡散接合を行い、アルミニウム層１２Ａに銅板１２Ｂ（ダイパッド３２）を接合する（銅板接合工程Ｓ０５）。 Next, the copper plate 12B is laminated on one side (the upper side in FIG. 7) of the aluminum layer 12A so that the die pad 32 of the copper plate 12B is in a predetermined position (copper plate lamination step S04).
And a load is applied from the copper plate 12B side and the metal layer 13 side, and it arrange | positions in a vacuum heating furnace. In this embodiment, pressure acting on the aluminum layer 12A and the copper plate 12B, are less 29.4 × 10 4 Pa (3kgf / cm 2) or more 343 × 10 4 Pa (35kgf / cm 2). And the heating temperature of vacuum heating shall be 400 degreeC or more and less than 548 degreeC, it hold | maintains 5 minutes or more and 240 minutes or less, solid phase diffusion bonding is performed, and the copper plate 12B (die pad 32) is joined to the aluminum layer 12A (copper plate joining process) S05).

本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂ（ダイパッド３２）との接合されるそれぞれの面は、予め平滑な面にした状態で、固相拡散接合されている。
なお、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとを接合する際の加熱温度の好ましい温度は、アルミニウムと銅との共晶温度より５℃低い温度から、共晶温度未満の温度範囲内とされている。 In the present embodiment, the respective surfaces to be joined between the aluminum layer 12A and the copper plate 12B (die pad 32) are solid phase diffusion bonded in a state in which they are previously smoothed.
In addition, the preferable temperature of the heating temperature at the time of joining the aluminum layer 12A and the copper plate 12B is in a temperature range lower than the eutectic temperature from a temperature 5 ° C. lower than the eutectic temperature of aluminum and copper.

こうして、アルミニウム層１２Ａと、アルミニウム層１２Ａの一方側に接合された銅板１２Ｂと、を有する回路層１２が形成される。
上述のようにして、本実施形態であるセラミックス基板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が形成された銅板付きパワーモジュール用基板１０が製造される。 Thus, the circuit layer 12 having the aluminum layer 12A and the copper plate 12B bonded to one side of the aluminum layer 12A is formed.
As described above, the power module substrate 10 with a copper plate in which the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11 according to the present embodiment and the metal layer 13 is formed on the other surface is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態である銅板付きパワーモジュール用基板１０においては、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム層１２Ａが配設され、このアルミニウム層１２Ａの一方側に銅板１２Ｂのダイパッド３２が固相拡散接合された構成とされており、ダイパッド３２がリード部３３を介してガイド枠３１と連結していることから、銅板１２Ｂの剛性を確保することにより、反りの発生を抑制することができる。   In the power module substrate 10 with a copper plate according to the present embodiment configured as described above, an aluminum layer 12A is disposed on one surface of the ceramic substrate 11, and the copper plate 12B is disposed on one side of the aluminum layer 12A. Since the die pad 32 is configured by solid phase diffusion bonding and the die pad 32 is connected to the guide frame 31 via the lead portion 33, the occurrence of warpage is suppressed by ensuring the rigidity of the copper plate 12B. can do.

また、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム層１２Ａが配設されていることにより、セラミックス基板１１と銅板１２Ｂとの熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、比較的変形抵抗が小さいアルミニウム層１２Ａが変形することによって緩和し、反りの発生をさらに低減することができる。   In addition, since the aluminum layer 12A is disposed on one surface of the ceramic substrate 11, an aluminum layer having a relatively small deformation resistance can be caused by a thermal strain caused by a difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate 11 and the copper plate 12B. The deformation of 12A can be mitigated, and the occurrence of warpage can be further reduced.

以上のように反りの発生が抑制されることにより、ダイパッド３２に半導体素子３を良好に接合したり、セラミックス基板１１の他方の面側に、ヒートシンク４１を良好に接合したりすることができる。   By suppressing the occurrence of warpage as described above, the semiconductor element 3 can be favorably joined to the die pad 32, or the heat sink 41 can be favorably joined to the other surface side of the ceramic substrate 11.

また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板１０においては、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム層１２Ａが配設されているので、熱サイクルが負荷された場合に、銅板付きパワーモジュール用基板１０に発生する熱歪みをアルミニウム層１２Ａによって緩和し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制でき、接合に対する高い信頼性が得られる。   Moreover, in the above-mentioned power module substrate 10 with a copper plate, the aluminum layer 12A is disposed on one surface of the ceramic substrate 11. Therefore, when a thermal cycle is applied, the power module substrate 10 with a copper plate The generated thermal strain is alleviated by the aluminum layer 12A, so that the ceramic substrate 11 can be prevented from cracking, and high reliability for bonding can be obtained.

また、上述の銅板付きパワーモジュール用基板１０においては、アルミニウム層１２Ａの一方の面に、半導体素子３（電子部品）が搭載されるダイパッド３２を有する銅板１２Ｂを備えているので、半導体素子３から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することが可能となる。よって、パワーサイクルを負荷した際の耐久性を向上させることができる。   In the power module substrate with a copper plate 10 described above, the copper plate 12B having the die pad 32 on which the semiconductor element 3 (electronic component) is mounted is provided on one surface of the aluminum layer 12A. The generated heat can be sufficiently expanded, and heat dissipation can be promoted. Therefore, durability when a power cycle is loaded can be improved.

さらに、アルミニウム層１２Ａの一方側に、比較的変形抵抗の大きい銅板１２Ｂが接合されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層１２の変形を抑制することができる。そのため、パワーサイクルに対する高い信頼性も得られる。
また、アルミニウム層１２Ａとダイパッド３２とが、固相拡散接合によって接合されているので、ヒートサイクルが負荷された場合に、アルミニウム層１２Ａとダイパッド（３２）との間に剥離が生じることが抑制され、回路層１２の熱伝導性及び導電性を維持することができる。 Furthermore, since the copper plate 12B having a relatively large deformation resistance is joined to one side of the aluminum layer 12A, the deformation of the circuit layer 12 can be suppressed when a power cycle is applied. Therefore, high reliability with respect to the power cycle can also be obtained.
In addition, since the aluminum layer 12A and the die pad 32 are bonded by solid phase diffusion bonding, it is possible to suppress peeling between the aluminum layer 12A and the die pad (32) when a heat cycle is applied. The thermal conductivity and conductivity of the circuit layer 12 can be maintained.

また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウムからなる金属層１３が形成されているので、金属層１３側にヒートシンク４１を接合する際やヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１とヒートシンク４１との間に生じる熱応力を、比較的変形抵抗が小さいアルミニウムからなる金属層１３によって緩和し、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。   Further, in the present embodiment, since the metal layer 13 made of aluminum is formed on the other surface of the ceramic substrate 11, when the heat sink 41 is bonded to the metal layer 13 side or when a heat cycle is applied, The thermal stress generated between the ceramic substrate 11 and the heat sink 41 can be relaxed by the metal layer 13 made of aluminum having a relatively small deformation resistance, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed.

また、本実施形態においては、銅板１２Ｂのダイパッド３２がセラミックス基板１１に接合されて回路層１２が形成されるとともに、リード部３３が外装樹脂６から外部に向けて突出するように配置して構成されていることから、このリード部３３を外部端子として用いることができ、パワーモジュール１等の半導体装置を簡単に構成することが可能となる。   In the present embodiment, the die pad 32 of the copper plate 12B is bonded to the ceramic substrate 11 to form the circuit layer 12, and the lead portion 33 is disposed so as to protrude outward from the exterior resin 6. Therefore, the lead portion 33 can be used as an external terminal, and a semiconductor device such as the power module 1 can be easily configured.

また、本実施形態においては、銅板１２Ｂが帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッド３２を有していることから、ダイパッド３２上に半導体素子３を搭載し、リード部３３をガイド枠３１から切断することによって、連続的に半導体装置を製造することが可能である。   In the present embodiment, the copper plate 12B is formed in a strip shape and has a plurality of die pads 32 in the longitudinal direction thereof. Therefore, the semiconductor element 3 is mounted on the die pad 32 and the lead portion 33 is guided. By cutting from the frame 31, it is possible to continuously manufacture semiconductor devices.

また、本実施形態では、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとの間に、ＣｕとＡｌの拡散層からなる拡散層１２Ｃが形成されているので、アルミニウム層１２Ａ中のＡｌが銅板１２Ｂ側へ、銅板１２Ｂ中のＣｕがアルミニウム層１２Ａ側へと十分に相互拡散し、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとが確実に固相拡散接合されており、接合強度を確保することができる。   Moreover, in this embodiment, since the diffusion layer 12C which consists of a diffusion layer of Cu and Al is formed between the aluminum layer 12A and the copper plate 12B, Al in the aluminum layer 12A is directed to the copper plate 12B side. The inside Cu sufficiently diffuses to the aluminum layer 12A side, and the aluminum layer 12A and the copper plate 12B are reliably solid-phase diffusion bonded, so that the bonding strength can be ensured.

また、本実施形態では、拡散層１２Ｃは、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、銅板１２Ｂ中のＣｕとアルミニウム層１２Ａ中のＡｌとが相互拡散することにより、銅板１２Ｂ側からアルミニウム層１２Ａ側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されていることから、接合界面の特性を安定させることができる。
具体的には、拡散層１２Ｃは、アルミニウム層１２Ａ側から銅板１２Ｂ側に向けて順に、θ相１６、η２相１７が積層され、さらにζ２相１８ａ、δ相１８ｂ、及びγ２相１８ｃのうち少なくとも一つの相が積層された構造とされているので、拡散層１２Ｃ内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。 In the present embodiment, since the diffusion layer 12C has a structure in which a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface, the brittle intermetallic compound can be prevented from growing greatly. Also, the intermetallic compounds suitable for the respective compositions are formed in layers from the copper plate 12B side to the aluminum layer 12A side by mutual diffusion of Cu in the copper plate 12B and Al in the aluminum layer 12A. Therefore, the characteristics of the bonding interface can be stabilized.
Specifically, in the diffusion layer 12C, the θ phase 16 and the η2 phase 17 are sequentially stacked from the aluminum layer 12A side to the copper plate 12B side, and at least of the ζ2 phase 18a, the δ phase 18b, and the γ2 phase 18c. Since one phase is laminated, the volume fluctuation inside the diffusion layer 12C is reduced, and the internal strain is suppressed.

また、本実施形態では、銅板１２Ｂと拡散層１２Ｃとの接合界面に沿って、酸化物１９がζ２相１８ａ、δ相１８ｂ、又はγ２相１８ｃの内部に分散しているので、アルミニウム層１２Ａに形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、銅板１２Ｂと拡散層１２Ｃとが確実に接合されている。   In this embodiment, the oxide 19 is dispersed inside the ζ2 phase 18a, δphase 18b, or γ2 phase 18c along the bonding interface between the copper plate 12B and the diffusion layer 12C. The formed oxide film is surely destroyed and the mutual diffusion of Cu and Al is sufficiently advanced, so that the copper plate 12B and the diffusion layer 12C are reliably bonded.

さらに、本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされ、ダイパッド３２の平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされており、アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂの平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに過剰な歪み等が蓄積されておらず、疲労特性が向上することになる。したがって、ヒートサイクル負荷において、銅板付きパワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。   Furthermore, in this embodiment, the average crystal grain size of the aluminum layer 12A is 500 μm or more, the average crystal grain size of the die pad 32 is in the range of 50 μm to 200 μm, and the average of the aluminum layer 12A and the copper plate 12B The crystal grain size is set relatively large. Therefore, excessive strain or the like is not accumulated in the aluminum layer 12A and the copper plate 12B, and the fatigue characteristics are improved. Therefore, in the heat cycle load, the bonding reliability against the thermal stress generated between the power module substrate with a copper plate 10 and the heat sink 41 is improved.

さらに、本実施形態においては、拡散層１２Ｃの平均厚みが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行しており、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂ（ダイパッド３２）とを強固に接合できるとともに、アルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに比べて脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。   Furthermore, in this embodiment, since the average thickness of the diffusion layer 12C is in the range of 1 μm or more and 80 μm or less, preferably 5 μm or more and 80 μm or less, the mutual diffusion of Cu and Al is sufficiently advanced, and aluminum The layer 12A and the copper plate 12B (die pad 32) can be firmly bonded, and brittle intermetallic compounds are suppressed from growing more than necessary compared to the aluminum layer 12A and the copper plate 12B, and the characteristics of the bonding interface are stabilized. It will be.

また、銅板１２Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上とされているので、半導体素子３からの熱を銅板１２Ｂ（ダイパッド３２）で拡げてより効率的に熱を伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができ、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることが可能である。また、銅板１２Ｂの厚さは６．０ｍｍ以下とされているので、回路層１２の剛性を低減させ、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。   Moreover, since the thickness of the copper plate 12B is 0.1 mm or more, the heat from the semiconductor element 3 is spread by the copper plate 12B (die pad 32) to transmit the heat more efficiently, and the initial time when the power cycle is loaded The thermal resistance can be reduced, and the reliability with respect to the power cycle can be further increased. Moreover, since the thickness of the copper plate 12B is set to 6.0 mm or less, the rigidity of the circuit layer 12 can be reduced, and the ceramic substrate 11 can be prevented from being cracked during a heat cycle load.

また、アルミニウム層１２Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上とされているので、アルミニウム層１２Ａの一方の面に銅板１２Ｂを接合する際やヒートサイクルが負荷される際に、セラミックス基板１１と銅板１２Ｂとの間に発生する熱応力を確実に低減することができる。また、アルミニウム層１２Ａの厚さは、１．０ｍｍ以下とされているので、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。   Further, since the thickness of the aluminum layer 12A is 0.1 mm or more, the ceramic substrate 11 and the copper plate 12B are bonded when the copper plate 12B is joined to one surface of the aluminum layer 12A or when a heat cycle is applied. It is possible to reliably reduce the thermal stress generated between the two. Moreover, since the thickness of the aluminum layer 12A is set to 1.0 mm or less, it is possible to prevent the ceramic substrate 11 from being cracked when a heat cycle is applied.

また、金属層１３の厚さは、０．１ｍｍ以上とされているので、ヒートサイクルが負荷される際に、セラミックス基板１１とヒートシンク４１との間に発生する熱応力を確実に低減することができる。また、金属層１３の厚さは、１．０ｍｍ以下とされているので、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。   Moreover, since the thickness of the metal layer 13 is 0.1 mm or more, it is possible to reliably reduce the thermal stress generated between the ceramic substrate 11 and the heat sink 41 when a heat cycle is applied. it can. Moreover, since the thickness of the metal layer 13 is 1.0 mm or less, it can suppress that the ceramic substrate 11 is cracked when a heat cycle is applied.

また、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとを固相拡散接合する際にアルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに対して負荷される荷重が、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上とされているので、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとが十分に密着した状態で、アルミニウム層１２Ａ中に銅板１２Ｂの銅原子を固相拡散させ、銅板１２Ｂ中にアルミニウム層１２Ａのアルミニウム原子を固相拡散させて固相拡散接合し、アルミニウム層１２Ａの一方側に銅板１２Ｂを確実に接合することができる。また、固相拡散接合する際にアルミニウム層１２Ａ及び銅板１２Ｂに対して負荷される荷重が、３５ｋｇｆ／ｃｍ２以上とされているので、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制することができる。 Further, since the load applied to the aluminum layer 12A and the copper plate 12B when solid phase diffusion bonding is performed between the aluminum layer 12A and the copper plate 12B is 3 kgf / cm 2 or more, the aluminum layer 12A and the copper plate 12B Are sufficiently adhered, solid phase diffusion of the copper atoms of the copper plate 12B in the aluminum layer 12A, solid phase diffusion of the aluminum atoms of the aluminum layer 12A in the copper plate 12B, solid phase diffusion bonding, The copper plate 12B can be reliably joined to one side. Moreover, since the load applied to the aluminum layer 12A and the copper plate 12B when solid phase diffusion bonding is performed is 35 kgf / cm 2 or more, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11. .

アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとを固相拡散接合する際の温度が、４００℃以上とされているので、アルミニウム原子と銅原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、アルミニウム層１２Ａと銅板１２Ｂとを固相拡散接合する際の温度が、５４８℃未満とされているので、接合界面においてアルミニウムと銅との液相が生じることを防止し、良好な接合界面を得ることができる。   Since the temperature at the time of solid phase diffusion bonding of the aluminum layer 12A and the copper plate 12B is 400 ° C. or more, the diffusion between the aluminum atoms and the copper atoms is promoted, and the solid phase diffusion can be sufficiently performed in a short time. it can. In addition, since the temperature at the time of solid phase diffusion bonding of the aluminum layer 12A and the copper plate 12B is less than 548 ° C., it is possible to prevent the formation of a liquid phase between aluminum and copper at the bonding interface, and to achieve a good bonding interface Can be obtained.

また、固相拡散接合時における好ましい熱処理温度は、アルミニウムと銅との共晶温度より５℃低い温度から、共晶温度未満の温度範囲内とされている。この温度範囲を選択したときには、液相が形成されずアルミニウムと銅の化合物が多量に生成されないので、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できる。   Moreover, the preferable heat treatment temperature at the time of solid phase diffusion bonding is set to a temperature range from 5 ° C. lower than the eutectic temperature of aluminum and copper to less than the eutectic temperature. When this temperature range is selected, a liquid phase is not formed and a large amount of aluminum and copper compounds are not generated. Therefore, in addition to improving the reliability of solid phase diffusion bonding, solid phase diffusion bonding Diffusion rate is fast and solid phase diffusion bonding can be performed in a relatively short time.

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.

また、上記の実施形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に形成されるアルミニウム層及び金属層を、純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やアルミニウム合金等であっても良い。   In the above embodiment, the aluminum layer and the metal layer formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate have been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99%, but the present invention is not limited to this. In other words, 99% purity aluminum (2N aluminum), aluminum alloy, or the like may be used.

また、上記の実施形態では、銅板付きパワーモジュール用基板が金属層を備える場合について説明したが、図８に示す銅板付きパワーモジュール用基板１１０のように、金属層を備えていなくても良い。この場合、例えば、セラミックス基板１１とヒートシンク４１との接合は、グリースを介して接合されていても良い。ここで、グリースの厚さは、１ｍｍ以下とされていることが好ましい。   Moreover, although said embodiment demonstrated the case where the board | substrate for power modules with a copper plate was provided with a metal layer, it does not need to be provided with a metal layer like the board | substrate 110 for power modules with a copper plate shown in FIG. In this case, for example, the ceramic substrate 11 and the heat sink 41 may be bonded via grease. Here, the thickness of the grease is preferably 1 mm or less.

また、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、ろう材を用い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）、鋳造法、金属ペースト法等を用いて接合してもよい。   Moreover, although the case where the aluminum plate was joined to one surface and the other surface of the ceramic substrate using the brazing material has been described, the present invention is not limited to this, and a transient liquid phase bonding method (Transient Liquid Phase Bonding). Alternatively, bonding may be performed using a casting method, a metal paste method, or the like.

また、セラミックス基板として、ＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックス基板であっても良い。
さらに、外装樹脂、ヒートシンク等の構造についても、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のものであってもよい。 Also, as the ceramic substrate, has been described in one using a ceramic substrate made of AlN, it is not limited thereto, Al 2 O 3, Si 3 N 4 may be other ceramic substrate, or the like.
Furthermore, the structure of the exterior resin, the heat sink, and the like is not limited to the present embodiment, and may have another structure.

また、上記の実施形態において拡散層は、アルミニウム層側から銅板側に向けて順に、θ相、η２相が積層され、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層された構造とされている場合について説明したが、これに限定されることはない。具体的には、アルミニウム層と銅板との接合界面において、アルミニウム層側から銅板側に向けて順にアルミニウムの比率が段階的に低くなるように、複数のＣｕ及びＡｌからなる金属間化合物が積層されていても良い。   Further, in the above embodiment, the diffusion layer is formed by sequentially laminating the θ phase and the η2 phase from the aluminum layer side to the copper plate side, and further laminating at least one of the ζ2, δ, and γ2 phases. However, the present invention is not limited to this. Specifically, at the bonding interface between the aluminum layer and the copper plate, a plurality of intermetallic compounds composed of Cu and Al are laminated so that the ratio of aluminum decreases in order from the aluminum layer side to the copper plate side. May be.

１０ 銅板付きパワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１２Ａ アルミニウム層
１２Ｂ 銅板
１３ 金属層
２３ アルミニウム板
３１ ガイド枠
３２ ダイパッド
３３ リード部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module board | substrate 11 with a copper plate Ceramic substrate 12 Circuit layer 12A Aluminum layer 12B Copper plate 13 Metal layer 23 Aluminum plate 31 Guide frame 32 Die pad 33 Lead part

Claims (5)

セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備え、
前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方側に配設された銅板と、を有し、
前記銅板は、半導体素子が接合されるダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有しており、
前記アルミニウム層と、前記銅板の前記ダイパッドとが、固相拡散接合されていることを特徴とする銅板付きパワーモジュール用基板。 A ceramic substrate, and a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate,
The circuit layer has an aluminum layer disposed on one surface of the ceramic substrate, and a copper plate disposed on one side of the aluminum layer,
The copper plate has a die pad to which a semiconductor element is bonded, a lead portion extending from the die pad, and a guide frame for connecting the lead portion,
A substrate for a power module with a copper plate, wherein the aluminum layer and the die pad of the copper plate are bonded by solid phase diffusion bonding. 前記銅板は、帯状に形成されており、その長手方向に複数のダイパッドを有しており、前記ダイパッドに前記アルミニウム層が固相拡散接合されていることを特徴とする請求項１に記載の銅板付きパワーモジュール用基板。   The said copper plate is formed in strip | belt shape, has a some die pad in the longitudinal direction, The said aluminum layer is solid-phase diffusion-bonded to the said die pad, The copper plate of Claim 1 characterized by the above-mentioned. With power module board. 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金属層が配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の銅板付きパワーモジュール用基板。   The power module substrate with a copper plate according to claim 1 or 2, wherein a metal layer made of aluminum or an aluminum alloy is disposed on the other surface of the ceramic substrate. セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えた銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法であって、
ダイパッドと、前記ダイパッドから延出するリード部と、前記リード部を連結するガイド枠と、を有する銅板、及びアルミニウム板を準備する準備工程と、
前記セラミックス基板の一方の面に、前記アルミニウム板を接合してアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程と、
前記アルミニウム層を形成した後に、前記アルミニウム層の一方側に、前記銅板の前記ダイパッドを固相拡散接合により接合する銅板接合工程と、を備えることを特徴とする銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法。 A method for producing a power module substrate with a copper plate comprising a ceramic substrate and a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate,
A preparation step of preparing a copper plate and an aluminum plate having a die pad, a lead portion extending from the die pad, and a guide frame connecting the lead portion;
An aluminum layer forming step of joining the aluminum plate to one surface of the ceramic substrate to form an aluminum layer;
And a copper plate joining step of joining the die pad of the copper plate to the one side of the aluminum layer by solid phase diffusion bonding after forming the aluminum layer. . 前記銅板接合工程において、
前記アルミニウム層の一方側に前記銅板の前記ダイパッドを積層し、
前記アルミニウム層と前記ダイパッドに対して、３ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持することにより、前記アルミニウム層と前記ダイパッドとを固相拡散接合することを特徴とする請求項４に記載の銅板付きパワーモジュール用基板の製造方法。 In the copper plate joining step,
Laminating the die pad of the copper plate on one side of the aluminum layer,
With respect to the die pad and the aluminum layer, in a state loaded with 3 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less of a load, by holding less than 400 ° C. or higher 548 ° C., the solid phase and the die pad and the aluminum layer The method for manufacturing a power module substrate with a copper plate according to claim 4, wherein diffusion bonding is performed.
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