JP5577980B2 - Power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate with heat sink - Google Patents

Power module substrate with heat sink, power module, and method for manufacturing power module substrate with heat sink Download PDF

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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ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びヒートシンク付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 heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage, a power module, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.

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るとともに、セラミックス基板の他方の面側に第二の金属板を介してヒートシンクが接続されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール基板では、第一の金属板に回路パターンが形成され、この第一の金属板の上に、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。 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 power module with a heat sink in which a first metal plate is joined to one surface side of a ceramic substrate made of silicon nitride) and the like, and a heat sink is connected to the other surface side of the ceramic substrate via a second metal plate A substrate is used.
In such a power module substrate with a heat sink, a circuit pattern is formed on a first metal plate, and a semiconductor chip of a power element is mounted on the first metal plate via a solder material.

例えば、特許文献１には、第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合してなるパワーモジュール用基板が提案されている。また、特許文献１の第１図に示すように、このパワーモジュール用基板に、有機系耐熱性接着剤用いてアルミニウム製のヒートシンクを接合することで、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が構成されている。   For example, Patent Document 1 proposes a power module substrate in which a first metal plate and a second metal plate are copper plates, and the copper plates are directly bonded to a ceramic substrate by a DBC method. Further, as shown in FIG. 1 of Patent Document 1, a power module substrate with a heat sink is configured by bonding an aluminum heat sink to the power module substrate using an organic heat-resistant adhesive. .

また、特許文献２には、第一の金属板及び第二の金属板としてアルミニウム板を用いてなるパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板は、第二の金属板がろう付けによってヒートシンクに接合されることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が構成されている。   Patent Document 2 proposes a power module substrate using aluminum plates as the first metal plate and the second metal plate. In the power module substrate, a power module substrate with a heat sink is configured by joining a second metal plate to the heat sink by brazing.

さらに、特許文献３には、セラミックス基板の一方の面に金属板を接合し、セラミックス基板の他方の面に、鋳造法によってアルミニウム製のヒートシンクを直接形成したものが提案されている。そして、金属板としてアルミニウム板、銅板を使用することが開示されている。   Further, Patent Document 3 proposes a method in which a metal plate is bonded to one surface of a ceramic substrate, and an aluminum heat sink is directly formed on the other surface of the ceramic substrate by a casting method. And it is disclosed that an aluminum plate and a copper plate are used as a metal plate.

特開平０４−１６２７５６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-162756 特許第３１７１２３４号公報Japanese Patent No. 3171234 特開２００２−０７６５５１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-075651

ところで、特許文献１に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、アルミニウム製のヒートシンクとセラミックス基板との間に銅板が配設されていることから、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、この銅板において十分に緩和することができず、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れ等が生じやすいといった問題があった。
なお、特許文献１には、ヒートシンクと第二の金属板との間に介在する有機系耐熱性接着剤によって熱歪みを緩和することが記載されているが、この有機系耐熱性接着剤が介在することで熱抵抗が高くなるため、第一の金属板の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱をヒートシンク側に効率的に放散することができないといった問題があった。 By the way, in the power module substrate with a heat sink described in Patent Document 1, since the copper plate is disposed between the aluminum heat sink and the ceramic substrate, the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate. There is a problem that the thermal strain caused by the above cannot be sufficiently relaxed in this copper plate, and the ceramic substrate is likely to be cracked during a thermal cycle load.
In addition, Patent Document 1 describes that thermal strain is alleviated by an organic heat resistant adhesive interposed between the heat sink and the second metal plate, but the organic heat resistant adhesive is interposed. As a result, the thermal resistance becomes high, and there is a problem that heat from a heating element such as an electrical component mounted on the first metal plate cannot be efficiently dissipated to the heat sink side.

また、特許文献２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、第一の金属板としてアルミニウム板が用いられている。
ここで、銅とアルミニウムとを比較するとアルミニウムの方が熱伝導率が低いため、第一の金属板としてアルミニウム板を用いた場合には、第一の金属板の上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を拡げて放散することが銅よりも劣ることになる。このため、電子部品の小型化や高出力化により、パワー密度が上昇した場合には、熱を十分に放散することができなくなるおそれがあった。 In the power module substrate with a heat sink described in Patent Document 2, an aluminum plate is used as the first metal plate.
Here, when copper and aluminum are compared, since aluminum has lower thermal conductivity, when an aluminum plate is used as the first metal plate, the electrical components mounted on the first metal plate, etc. It is inferior to copper to spread and dissipate the heat from the heating element. For this reason, when the power density increases due to downsizing and high output of the electronic component, there is a possibility that heat cannot be sufficiently dissipated.

さらに、特許文献３に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板に直接アルミニウム製のヒートシンクを接合していることから、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によってセラミックス基板に割れが生じやすくなる。これを防止するために、特許文献３においては、ヒートシンクの耐力を低く設定する必要があった。このため、ヒートシンク自体の強度が不足し、取扱いが非常に困難であった。
また、鋳造法によってヒートシンクを形成していることから、ヒートシンクの構造が比較的簡単になり、冷却能力の高いヒートシンクを形成することができず、熱の放散を促進することができないといった問題があった。 Furthermore, in the power module substrate with a heat sink described in Patent Document 3, since the aluminum heat sink is directly bonded to the ceramic substrate, the thermal distortion caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate. As a result, the ceramic substrate is easily cracked. In order to prevent this, in Patent Document 3, it is necessary to set the proof stress of the heat sink low. For this reason, the strength of the heat sink itself is insufficient, and handling is very difficult.
In addition, since the heat sink is formed by a casting method, the structure of the heat sink becomes relatively simple, a heat sink having a high cooling capacity cannot be formed, and heat dissipation cannot be promoted. It was.

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、第一の金属板の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進することができ、かつ、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、ヒートシンク付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, can promote the dissipation of heat from a heating element such as an electronic component mounted on a first metal plate, and is capable of thermal cycling. An object of the present invention is to provide a highly reliable power module substrate with a heat sink, a power module, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink that suppresses the occurrence of cracks in the ceramic substrate during loading.

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付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、該セラミックス基板の一方の面に接合された第一の金属板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二の金属板と、該第二の金属板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記第一の金属板は、銅又は銅合金で構成され、この第一の金属板の一方の面が電子部品が搭載される搭載面とされており、前記第二の金属板は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、前記ヒートシンクは、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上と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 method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention includes a ceramic substrate and a first metal bonded to one surface of the ceramic substrate. A power module substrate with a heat sink, comprising: a plate; a second metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate; and a heat sink bonded to the other surface of the second metal plate. The first metal plate is made of copper or a copper alloy, and one surface of the first metal plate is a mounting surface on which electronic components are mounted, and the second metal plate is The heat resistance is made of aluminum having a strength of 30 N / mm 2 or less, and the heat sink is made of a metal material having a strength of 100 N / mm 2 or more, and has a thickness of 2 mm or more.

この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、電子部品が搭載される搭載面を有する第一の金属板が銅又は銅合金で構成されているので、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できる。
また、ヒートシンクとセラミックス基板との間に、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムからなる第二の金属板が配設されているので、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この第二の金属板で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できる。
さらに、上述のように、第二の金属板によって熱歪みを緩和することが可能であることから、ヒートシンクを、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上とすることができ、ヒートシンク自体の剛性が高く、取扱いが容易となる。
また、ヒートシンクを第二の金属板に接合する構成としていることから、ヒートシンクの構造に制約がなく、冷却能力に優れたヒートシンクを採用することができる。 In the power module substrate with a heat sink having this configuration, the first metal plate having the mounting surface on which the electronic component is mounted is made of copper or a copper alloy, so that heat generated from the electronic component can be sufficiently expanded. Can promote heat dissipation.
In addition, since the second metal plate made of aluminum having a proof stress of 30 N / mm 2 or less is disposed between the heat sink and the ceramic substrate, the heat caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate. The strain can be sufficiently relaxed by the second metal plate, and cracking of the ceramic substrate can be suppressed.
Furthermore, as described above, since the thermal strain can be reduced by the second metal plate, the heat sink is made of a metal material having a proof stress of 100 N / mm 2 or more, and its thickness is 2 mm or more. The heat sink itself is highly rigid and easy to handle.
Moreover, since it is set as the structure which joins a heat sink to a 2nd metal plate, there is no restriction | limiting in the structure of a heat sink, and it can employ | adopt the heat sink excellent in the cooling capability.

ここで、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面又は前記ヒートシンクとの接合界面の少なくともいずれか一方には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、前記第二の金属板に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しているので、前記第二の金属板の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、第二の金属板部分での破断を防止することができる。 Here, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li, or the like is present on at least one of the bonding interface with the ceramic substrate or the bonding interface with the heat sink among the second metal plates. 1 type (s) or 2 or more types of additional element is solid-solving, and the sum total of the density | concentration of the said additional element in the joining interface vicinity of said 2nd metal plate is 0.01 mass% or more and 5 mass% It is preferably set within the following range.
In this case, since one or more additive elements of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga and Li are dissolved in the second metal plate, The joint interface side portion of the second metal plate is strengthened by solid solution. Thereby, the fracture | rupture in a 2nd metal plate part can be prevented.

また、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上とされているので、第二の金属板の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が５質量％以下とされているので、第二の金属板の接合界面近傍の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板に熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを第二の金属板で緩和することが可能となり、セラミックス基板の割れの発生を抑制できる。   In addition, since the total concentration of the additive elements in the vicinity of the bonding interface in the second metal plate is 0.01% by mass or more, the bonding interface side portion of the second metal plate is surely solid-solution strengthened. can do. Further, since the total concentration of the additive elements in the vicinity of the bonding interface in the second metal plate is 5% by mass or less, the strength in the vicinity of the bonding interface of the second metal plate is excessively increased. When the thermal cycle is applied to the power module substrate, the thermal strain can be relaxed by the second metal plate, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate can be suppressed.

さらに、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の濃度が、前記第二の金属板中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されていることが好ましい。
この場合、第二の金属板の接合界面に、前記添加元素の濃度が前記第二の金属板中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在する前記添加元素原子により、第二の金属板の接合強度の向上を図ることが可能となる。なお、第二の金属板中の前記添加元素の濃度とは、第二の金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ以上）離れた部分における前記添加元素の濃度である。 Further, one or more of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are added to the bonding interface with the ceramic substrate of the second metal plate. It is preferable that a high concentration portion of the additive element in which the concentration of the element is at least twice the concentration of the additive element in the second metal plate is formed.
In this case, a high concentration portion of the additive element in which the concentration of the additive element is twice or more the concentration of the additive element in the second metal plate is formed at the bonding interface of the second metal plate. The additive element atoms present in the vicinity of the interface can improve the bonding strength of the second metal plate. The concentration of the additive element in the second metal plate is the concentration of the additive element in a portion of the second metal plate that is away from the bonding interface by a certain distance (for example, 5 nm or more).

ここで、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成され、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされていてもよい。
また、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、前記セラミックス基板がＡｌＮで構成され、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされていてもよい。
さらに、前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成され、前記添加元素がＣｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上とされており、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、添加元素、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：添加元素：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていてもよい。 Here, the high concentration portion of the additive element is formed at the bonding interface with the ceramic substrate of the second metal plate, the ceramic substrate is made of Al 2 O 3 , and is bonded to the ceramic substrate. The mass ratio of Al, additive element, and O obtained by analyzing the bonding interface including the high concentration portion of the additive element formed at the interface by energy dispersive X-ray analysis is Al: additive element: O = 50 to 90 mass%. : 1-30 mass%: You may be 45 mass% or less.
Further, the high concentration portion of the additive element is formed at the bonding interface with the ceramic substrate in the second metal plate, the ceramic substrate is made of AlN, and is formed at the bonding interface with the ceramic substrate. The mass ratio of Al, additive element, O, and N analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the joint interface including the high concentration part of the additive element is Al: additive element: O: N = 50 to 90 mass%. : 1-30 mass%: 1-10 mass%: You may be 25 mass% or less.
Further, the high concentration portion of the additive element is formed at the bonding interface with the ceramic substrate in the second metal plate, the ceramic substrate is made of Si 3 N 4 , and the additive element is Cu, Ag. , Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li, and the junction interface including the high concentration portion of the additive element formed at the junction interface with the ceramic substrate The mass ratio of Al, Si, additive element, O, and N analyzed by energy dispersive X-ray analysis is Al: Si: additive element: O: N = 15 to 45 mass%: 15 to 45 mass%: 1 -30 mass%: 2-20 mass%: You may be 25 mass% or less.

接合界面に存在する前記添加元素原子の質量比が３０質量％を超えると、過剰な添加元素によって接合強度が低下するおそれがある。また、第二の金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、前記添加元素原子の質量比が１質量％未満であると、添加元素原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面における添加元素原子の質量比は、１〜３０質量％の範囲内とすることが好ましいのである。   When the mass ratio of the additive element atoms present at the bonding interface exceeds 30% by mass, the bonding strength may be reduced by an excessive additive element. In addition, the vicinity of the bonding interface of the second metal plate is strengthened more than necessary, and stress may act on the ceramic substrate during a thermal cycle load, causing the ceramic substrate to break. On the other hand, if the mass ratio of the additive element atoms is less than 1% by mass, there is a possibility that the junction strength due to the additive element atoms cannot be sufficiently improved. Therefore, the mass ratio of the additive element atoms at the bonding interface is preferably in the range of 1 to 30% by mass.

ここで、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点（例えば、１０〜１００点）で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、第二の金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。 Here, since the spot diameter at the time of performing the analysis by the energy dispersive X-ray analysis method is extremely small, measurement is performed at a plurality of points (for example, 10 to 100 points) on the bonding interface, and the average value is calculated. . When measuring, the bonding interface between the crystal grain boundary of the second metal plate and the ceramic substrate is not measured, and only the bonding interface between the crystal grain and the ceramic substrate is measured.
The analytical value obtained by the energy dispersive X-ray analysis method in this specification is the energy dispersive X-ray fluorescence element analyzer NORAN manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. mounted on the electron microscope JEM-2010F manufactured by JEOL. The acceleration was performed at 200 kV using System7.

また、前記セラミックス基板がＡｌＮからなり、前記セラミックス基板のうち少なくとも一方の面には、Ａｌ２Ｏ３層が形成されていることが好ましい。
この場合、銅または銅合金からなる第一の金属板が接合されるセラミックス基板の一方の面にＡｌ２Ｏ３層が形成されていることから、このＡｌ２Ｏ３層と第一の金属板（銅板）とを、酸素と銅との共晶反応を利用したＤＢＣ法によって接合することが可能となる。よって、セラミックス基板と第一の金属板（銅板）とを、比較的容易に、かつ、確実に接合することができる。 Preferably, the ceramic substrate is made of AlN, and an Al 2 O 3 layer is formed on at least one surface of the ceramic substrate.
In this case, since the Al 2 O 3 layer is formed on one surface of the ceramic substrate to which the first metal plate made of copper or copper alloy is bonded, this Al 2 O 3 layer and the first metal plate (Copper plate) can be joined by a DBC method using a eutectic reaction between oxygen and copper. Therefore, the ceramic substrate and the first metal plate (copper plate) can be joined relatively easily and reliably.

本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、第一の金属板上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、第一の金属板上に搭載された電子部品からの熱を効率的に放散することができ、電子部品のパワー密度（発熱量）が向上した場合であっても、十分に対応することができる。 A power module according to the present invention includes the above-described power module substrate with a heat sink and an electronic component mounted on the first metal plate.
According to the power module with a heat sink having this configuration, the heat from the electronic component mounted on the first metal plate can be efficiently dissipated, and the power density (heat generation amount) of the electronic component is improved. Even if it exists, it can respond sufficiently.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に接合された第一の金属板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二の金属板と、該第二の金属板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記第一の金属板は、銅又は銅合金で構成され、前記第二の金属板は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成され、前記ヒートシンクは、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成されており、前記第一の金属板と前記セラミックス基板とを接合する銅板接合工程と、前記第二の金属板と前記セラミックス基板とを接合するアルミニウム板接合工程と、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程と、を備えており、前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記第二の金属板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記第二の金属板を接合することを特徴としている。 The power module substrate manufacturing method of the present invention includes a ceramic substrate, a first metal plate bonded to one surface of the ceramic substrate, and a second metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate. And a heat sink bonded to the other surface side of the second metal plate, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, wherein the first metal plate is made of copper or a copper alloy The second metal plate is made of aluminum having a proof stress of 30 N / mm 2 or less, and the heat sink is made of a metal material having a proof strength of 100 N / mm 2 or more, and the first metal plate and A copper plate joining step for joining the ceramic substrate, an aluminum plate joining step for joining the second metal plate and the ceramic substrate, and the second metal plate and the heat sink. And at least one of the aluminum plate joining step and the heat sink joining step, Si, Cu, Ag, Zn, Mg at the joining interface of the second metal plate. , Ge, Ca, Ga, Li, one or more additive elements are arranged, and the second metal plate is joined.

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前述したヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。また、前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記第二の金属板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記第二の金属板を接合する構成としているので、第二の金属板と前記セラミックス基板、あるいは、前記第二の金属板と前記ヒートシンク、を強固に接合することができる。また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、第二の金属板の接合界面に溶融金属領域を形成することができる。なお、これらの添加元素は、第二の金属板等の接合面に固着させてもよいし、接合面にこれらの添加元素を含む金属箔（ろう材箔）を配設してもよい。   According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, the above-described power module substrate with a heat sink can be manufactured. Further, in at least one of the aluminum plate joining step and the heat sink joining step, Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li may be bonded to the joining interface of the second metal plate. Any one or two or more additional elements are arranged and the second metal plate is joined, so that the second metal plate and the ceramic substrate, or the second metal plate and the The heat sink can be firmly bonded. In addition, since elements such as Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are elements that lower the melting point of aluminum, the bonding interface of the second metal plate can be obtained even under relatively low temperature conditions. A molten metal region can be formed. These additive elements may be fixed to the joining surface of the second metal plate or the like, or a metal foil (brazing material foil) containing these additive elements may be disposed on the joining surface.

ここで、前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記添加元素が前記第二の金属板側に向けて拡散することにより、接合界面に溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることによって接合することが好ましい。
この場合、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を前記第二の金属板側に拡散させることにより、前記第二の金属板の接合界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記第二の金属板を接合する、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合しているので、比較的低温条件でおいても、接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。 Here, in at least one of the aluminum plate joining step and the heat sink joining step, the additive element diffuses toward the second metal plate to form a molten metal region at the joining interface. It is preferable to join by solidifying the molten metal region.
In this case, by diffusing one or more additive elements of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li to the second metal plate side, the first The molten metal region is formed at the bonding interface between the two metal plates, and the molten metal region is solidified to join the second metal plate by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). Therefore, a power module substrate with a heat sink excellent in bonding reliability can be manufactured even under relatively low temperature conditions.

また、前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量を０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上としているので、第二の金属板の接合界面に、溶融金属領域を確実に形成することができる。
さらに、前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量を１０ｍｇ／ｃｍ２以下としているので、前記添加元素が過剰に第二の金属板側に拡散して接合界面近傍の第二の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを第二の金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
また、前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内とされたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。 Moreover, it is preferable that the amount of the additive element disposed at the bonding interface of the second metal plate is in a range of 0.01 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 .
In this case, since the amount of the additional element disposed at the bonding interface of the second metal plate is 0.01 mg / cm 2 or more, the molten metal region is surely formed at the bonding interface of the second metal plate. be able to.
Furthermore, since the amount of the additional element disposed at the bonding interface of the second metal plate is 10 mg / cm 2 or less, the additional element is excessively diffused to the second metal plate side and the second element in the vicinity of the bonding interface. It is possible to prevent the strength of the second metal plate from becoming excessively high. Therefore, when the cooling cycle is loaded on the power module substrate, the thermal strain can be absorbed by the second metal plate, and cracking of the ceramic substrate can be prevented.
Moreover, since the amount of the additive element arranged at the bonding interface of the second metal plate is within a range of 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less, of the second metal plate It is possible to manufacture a power module substrate with a heat sink in which the total concentration of the additive elements in the vicinity of the bonding interface is in the range of 0.01% by mass to 5% by mass.

さらに、前記銅板接合工程の前に、前記セラミックス基板の少なくとも一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程を行うことが好ましい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成することにより、銅又は銅合金からなる第一の金属板とセラミックスとをＤＢＣ法を用いて接合することが可能となる。なお、形成するＡｌ２Ｏ３層の厚さは、１μｍ以上とすることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３層の厚さが１μｍ未満の場合、第一の金属板とセラミックスとの良好に接合できなくなるおそれがあるためである。 Furthermore, it is preferable to perform an alumina layer forming step of forming an Al 2 O 3 layer on at least one surface of the ceramic substrate before the copper plate bonding step.
In this case, by forming the Al 2 O 3 layer on one surface of the ceramic substrate, the first metal plate made of copper or a copper alloy and the ceramic can be bonded using the DBC method. Note that the thickness of the Al 2 O 3 layer to be formed is preferably 1 μm or more. This is because if the thickness of the Al 2 O 3 layer is less than 1 μm, the first metal plate and the ceramics may not be satisfactorily bonded.

また、前記アルミニウム板接合工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行うことが好ましい。
この場合、前記第二の金属板と前記セラミックス基板、前記第二の金属板と前記ヒートシンク、を同時に接合する構成としていることから、前記第二の金属板の接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造コストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。さらに、セラミックス基板の他方の面側に、第二の金属板とヒートシンクとが同時に接合されることから、セラミックス基板の他方の面側に剛性の高い部材が一度に接合されることになり、接合時におけるセラミックス基板の反りの発生を抑制することができる。 Moreover, it is preferable to perform the said aluminum plate joining process and the said heat sink joining process simultaneously.
In this case, since the second metal plate and the ceramic substrate, and the second metal plate and the heat sink are joined at the same time, the joining step of the second metal plate can be performed once. In addition, the manufacturing cost of the power module substrate with a heat sink can be greatly reduced. Further, unnecessary thermal load does not act on the ceramic substrate, and the occurrence of warpage or the like can be suppressed. Furthermore, since the second metal plate and the heat sink are simultaneously bonded to the other surface side of the ceramic substrate, a highly rigid member is bonded to the other surface side of the ceramic substrate at one time. Generation of warpage of the ceramic substrate at the time can be suppressed.

さらに、前記第二の金属板の接合界面に、前記添加元素とともにアルミニウムを配置することが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにアルミニウムを配置しているので、第二の金属板の接合界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。また、添加元素の酸化損耗を抑制することができる。 Furthermore, it is preferable to arrange aluminum together with the additive element at the bonding interface of the second metal plate.
In this case, since aluminum is disposed together with the additive element, it is possible to reliably form a molten metal region at the bonding interface of the second metal plate. In addition, oxidation wear of the additive element can be suppressed.

また、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記第二の金属板の接合界面に前記添加元素を配置することが好ましい。
この場合、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はペーストの塗布のいずれかから選択される手段によって、第二の金属板の接合界面に確実に添加元素を配置することができる。 Moreover, it is preferable to arrange | position the said additional element in the joining interface of said 2nd metal plate by the means selected from either vapor deposition, CVD, sputtering, plating, or application | coating of a paste.
In this case, the additive element can be reliably arranged at the bonding interface of the second metal plate by means selected from vapor deposition, CVD, sputtering, plating, or paste application.

本発明によれば、第一の金属板の上に搭載された電子部品等の発熱体からの熱の放散を促進することができ、かつ、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、ヒートシンク付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。   According to the present invention, it is possible to promote the dissipation of heat from a heating element such as an electronic component mounted on the first metal plate, and to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate during a thermal cycle load. In addition, a highly reliable power module substrate with a heat sink, a power module, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink can be provided.

本発明の第１の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 heat sink which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の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の第二の金属板の添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the concentration distribution of the additive element of the 2nd metal plate of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の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の第二の金属層及びヒートシンク（天板部）の添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the density | concentration distribution of the addition element of the 2nd metal layer and heat sink (top plate part) of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の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の第二の金属板とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is a schematic diagram of the joining interface of the 2nd metal plate of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 1st Embodiment of this invention, and a ceramic substrate. 本発明の第１の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 heat sink which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の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の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 1st Embodiment of this invention. 図５におけるセラミックス基板と第二の金属板との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the ceramic substrate in FIG. 5, and a 2nd metal plate. 図５における天板部と第二の金属板（金属層）との接合界面近傍を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining interface vicinity of the top-plate part in FIG. 5, and a 2nd metal plate (metal layer). 本発明の第２の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 heat sink which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の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の第一の金属板とセラミックス基板との接合界面に拡大説明図である。It is expansion explanatory drawing in the joining interface of the 1st metal plate and ceramic substrate of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の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の第二の金属板の添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the density | concentration distribution of the additive element of the 2nd metal plate of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の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の第二の金属層及びヒートシンク（天板部）の添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the density | concentration distribution of the addition element of the 2nd metal layer and heat sink (top plate part) of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の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の第二の金属板とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is a schematic diagram of the joining interface of the 2nd metal plate and ceramic substrate of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の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 heat sink which is embodiment of this invention. 本発明の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の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is embodiment of this invention. 本発明の第３の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 heat sink which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の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の第二の金属板の添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the concentration distribution of the additive element of the 2nd metal plate of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の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の第二の金属層及びヒートシンク（天板部）の添加元素の濃度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the density | concentration distribution of the addition element of the 2nd metal layer and heat sink (top plate part) of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の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の第二の金属板とセラミックス基板との接合界面の模式図である。It is a schematic diagram of the joining interface of the 2nd metal plate and ceramic substrate of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の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 heat sink which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第３の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の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の他の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 heat sink 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に本発明の第１の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１０及びこのヒートシンク付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。
このパワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の搭載面２２Ａ上にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３（電子部品）と、を備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、搭載面２２Ａとはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a power module substrate 10 with a heat sink and a power module 1 using the power module substrate 10 with a heat sink according to the first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 with a heat sink, and a semiconductor chip 3 (electronic component) bonded to the mounting surface 22A of the power module substrate 10 with a heat sink via a solder layer 2. Yes. 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 mounting surface 22A and the solder layer 2.

ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板２１と、このセラミックス基板２１の一方の面（図１において上面）に接合された第一の金属板２２と、セラミックス基板２１の他方の面（図１において下面）に接合された第二の金属板２３と、からなるパワーモジュール用基板２０と、ヒートシンク１１と、を備えている。   The power module substrate 10 with a heat sink includes a ceramic substrate 21, a first metal plate 22 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 21, and the other surface (FIG. 1). 2, a power module substrate 20, and a heat sink 11.

セラミックス基板２１は、第一の金属板２２と第二の金属板２３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板２１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 21 prevents electrical connection between the first metal plate 22 and the second metal plate 23, and is made of Al 2 O 3 (alumina) having high insulating properties. Further, the thickness of the ceramic substrate 21 is set in a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment, is set to 0.635 mm.

第一の金属板２２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、タフピッチ銅の圧延板とされている。また、その板厚は０．１〜１．０ｍｍ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。
この第一の金属板２２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体チップ３が搭載される搭載面２２Ａとされている。 The first metal plate 22 is made of copper or a copper alloy. In the present embodiment, the first metal plate 22 is a rolled plate of tough pitch copper. Moreover, the plate | board thickness is set in the range of 0.1-1.0 mm, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
A circuit pattern is formed on the first metal plate 22, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface 22 </ b> A on which the semiconductor chip 3 is mounted.

第二の金属板２３は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度９９．９９％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミ）で構成されている。また、その板厚は０．６〜６ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。 The second metal plate 23 is made of aluminum having a proof stress of 30 N / mm 2 or less. In the present embodiment, the second metal plate 23 is made of pure aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more. Moreover, the plate | board thickness is set in the range of 0.6-6 mm, and is set to 2.0 mm in this embodiment.

ヒートシンク１１は、前述のパワーモジュール用基板２０を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク１１は、パワーモジュール用基板２０と接合される天板部１２と、この天板部１２に積層配置される冷却部材１３と、を備えている。冷却部材１３の内部には、冷却媒体が流通する流路１４が形成されている。
ここで、天板部１２と冷却部材１３とは、固定ネジ１５によって連結される構造とされている。このため、天板部１２には、固定ネジ１５をねじ込んでも容易に変形しないように剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態では、ヒートシンク１１の天板部１２を、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成し、その厚さを２ｍｍ以上としている。なお、本実施形態では、天板部１２は、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されている。 The heat sink 11 is for cooling the power module substrate 20 described above. The heat sink 11 in the present embodiment includes a top plate portion 12 joined to the power module substrate 20, and a cooling member 13 stacked on the top plate portion 12. Inside the cooling member 13, a flow path 14 through which a cooling medium flows is formed.
Here, the top plate 12 and the cooling member 13 are connected by a fixing screw 15. For this reason, it is necessary to ensure rigidity so that the top plate portion 12 is not easily deformed even if the fixing screw 15 is screwed. Therefore, in this embodiment, the top plate portion 12 of the heat sink 11 is made of a metal material having a proof stress of 100 N / mm 2 or more, and the thickness thereof is 2 mm or more. In the present embodiment, the top plate 12 is made of an A6063 alloy (aluminum alloy).

そして、図２に示すように、セラミックス基板２１と第二の金属板２３との接合界面３０においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、第二の金属板２３の接合界面３０近傍には、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層３１が形成されている。また、この濃度傾斜層３１の接合界面３０側（第二の金属板２３の接合界面３０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、第二の金属板２３の接合界面３０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、第二の金属板２３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。 As shown in FIG. 2, at the bonding interface 30 between the ceramic substrate 21 and the second metal plate 23, any one of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li is used. The seed or two or more additive elements are in solid solution, and in this embodiment, Cu is dissolved as the additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface 30 of the second metal plate 23, a concentration gradient layer 31 is formed in which the concentration of the additive element (Cu concentration in this embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface 30 in the stacking direction is increased. Has been. In addition, the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) on the bonding interface 30 side (near the bonding interface 30 of the second metal plate 23) of the concentration gradient layer 31 is 0.01% by mass or more and 5% by mass or less. It is set within the range.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface 30 of the second metal plate 23 is an average value measured at five points from the bonding interface 30 by an EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). The graph of FIG. 2 is obtained by performing line analysis in the stacking direction at the central portion of the second metal plate 23 and using the concentration at the above-mentioned 50 μm position as a reference.

また、図３に示すように、第二の金属板２３とヒートシンク１１の天板部１２との接合界面４０においては、第二の金属板２３及び天板部１２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、第二の金属板２３及び天板部１２の接合界面４０近傍には、接合界面４０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層４１、４２が形成されている。また、この濃度傾斜層４１、４２の接合界面４０側（第二の金属板２３及び天板部１２の接合界面４０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この第二の金属板２３及び天板部１２の接合界面４０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面４０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図３のグラフは、第二の金属板２３及び天板部１２の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。 Further, as shown in FIG. 3, at the bonding interface 40 between the second metal plate 23 and the top plate portion 12 of the heat sink 11, the second metal plate 23 and the top plate portion 12 have Si, Cu, Ag, Any one or two or more additive elements of Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are in solid solution, and in this embodiment, Cu is in solution as the additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface 40 between the second metal plate 23 and the top plate portion 12, the concentration of the additive element (Cu concentration in this embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface 40 in the stacking direction is increased. Inclined layers 41 and 42 are formed. In addition, the concentration (Cu concentration in the present embodiment) of the additive element on the side of the bonding interface 40 of the concentration gradient layers 41 and 42 (near the bonding interface 40 of the second metal plate 23 and the top plate 12) is 0.01. It is set within a range of mass% to 5 mass%.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface 40 between the second metal plate 23 and the top plate 12 is an average value measured at 50 points from the bonding interface 40 by EPMA analysis (spot diameter 30 μm). is there. Further, the graph of FIG. 3 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the second metal plate 23 and the top plate portion 12 and obtaining the above-described concentration at the 50 μm position as a reference.

また、セラミックス基板２１と第二の金属板２３との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図４に示すように、接合界面３０に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部３２が形成されている。この添加元素高濃度部３２においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、第二の金属板２３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）の２倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。   In addition, when the bonding interface 30 between the ceramic substrate 21 and the second metal plate 23 is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. A density portion 32 is formed. In the additive element high concentration portion 32, the additive element concentration (Cu concentration) is set to be twice or more the additive element concentration (Cu concentration) in the second metal plate 23. The thickness H of the additive element high concentration portion 32 is 4 nm or less.

なお、ここで観察する接合界面３０は、第二の金属板２３の格子像の界面側端部とセラミックス基板２１の格子像の接合界面３０側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、第二の金属板２３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）は、第二の金属板２３のうち接合界面３０から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）である。   Note that the bonding interface 30 observed here has a reference plane S at the center between the interface side end of the lattice image of the second metal plate 23 and the end of the lattice image of the ceramic substrate 21. . The concentration (Cu concentration) of the additive element in the second metal plate 23 is the concentration of the additive element in the portion of the second metal plate 23 that is away from the bonding interface 30 by a certain distance (5 nm in this embodiment) ( Cu concentration).

また、この接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、第二の金属板２３の結晶粒界とセラミックス基板２１との接合界面３０は測定対象とせず、第二の金属板２３の結晶粒とセラミックス基板２１との接合界面３０のみを測定対象としている。また、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。   The mass ratio of Al, additive element (Cu), and O when this bonding interface 30 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: additive element (Cu): O = 50 to 90 mass. %: 1 to 30% by mass: set within a range of 45% by mass or less. In addition, the spot diameter at the time of performing the analysis by EDS is 1 to 4 nm, the bonding interface 30 is measured at a plurality of points (for example, 20 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the bonding interface 30 between the crystal grain boundary of the second metal plate 23 and the ceramic substrate 21 is not measured, and only the bonding interface 30 between the crystal grain of the second metal plate 23 and the ceramic substrate 21 is measured. Yes. Analytical values obtained by energy dispersive X-ray analysis are accelerated using an energy dispersive X-ray fluorescence element analyzer NORAN System 7 manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. mounted on an electron microscope JEM-10F manufactured by JEOL. The voltage was 200 kV.

以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の製造方法について、図５から図８を参照して説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated with reference to FIGS.

まず、図５及び図６に示すように、銅からなる第一の金属板２２と、セラミックス基板２１とを接合する（銅板接合工程Ｓ０１）。ここで、セラミックス基板２１がＡｌ２Ｏ３で構成されていることから、銅からなる第一の金属板２２とセラミックス基板２１とを、銅と酸素の共晶反応を利用したＤＢＣ法により接合する。具体的には、タフピッチ銅からなる第一の金属板２２と、セラミックス基板２１とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することで、第一の金属板２２と、セラミックス基板２１とが接合されることになる。 First, as shown in FIGS. 5 and 6, the first metal plate 22 made of copper and the ceramic substrate 21 are joined (copper plate joining step S01). Here, since the ceramic substrate 21 is made of Al 2 O 3 , the first metal plate 22 made of copper and the ceramic substrate 21 are joined by a DBC method using a eutectic reaction between copper and oxygen. . Specifically, the first metal plate 22 made of tough pitch copper and the ceramic substrate 21 are brought into contact with each other and heated at 1075 ° C. for 10 minutes in a nitrogen gas atmosphere. 21 will be joined.

次に、セラミックス基板２１の他方の面側に第二の金属板２３を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ０２）とともに、第二の金属板２３とヒートシンク１１の天板部１２とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。本実施形態では、これらアルミニウム板接合工程Ｓ０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ０３と、を同時に実施することになる。   Next, the second metal plate 23 is joined to the other surface side of the ceramic substrate 21 (aluminum plate joining step S02), and the second metal plate 23 and the top plate portion 12 of the heat sink 11 are joined (heat sink). Joining step S03). In this embodiment, the aluminum plate joining step S02 and the heat sink joining step S03 are performed simultaneously.

第二の金属板２３のセラミックス基板２１との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層５１を形成するとともに、第二の金属板２３のヒートシンク１１の天板部１２との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層５２を形成する（固着層形成工程Ｓ１１）。ここで、第１固着層５１及び第２固着層５２における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層５１及び第２固着層５２におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 The additive element (Cu) is fixed to the joint surface of the second metal plate 23 with the ceramic substrate 21 by sputtering to form the first fixed layer 51, and the top plate portion 12 of the heat sink 11 of the second metal plate 23. Then, an additional element (Cu) is fixed to the joint surface by sputtering to form the second fixed layer 52 (fixed layer forming step S11). Here, the amount of added elements in the first fixed layer 51 and the second fixed layer 52 is in the range of 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less, and in this embodiment, Cu is used as the additive element. The amount of Cu in the first fixing layer 51 and the second fixing layer 52 is set to 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less.

次に、図６に示すように、第二の金属板２３をセラミックス基板２１の他方の面側に積層する。さらに、第二の金属板２３の他方の面側にヒートシンク１１の天板部１２を積層する（積層工程Ｓ１２）。
このとき、図６に示すように、第二の金属板２３の第１固着層５１が形成された面がセラミックス基板２１を向くように、かつ、第二の金属板２３の第２固着層５２が形成された面が天板部１２を向くようにして、これらを積層する。すなわち、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との間に第１固着層５１（添加元素：Ｃｕ）を介在させ、第二の金属板２３と天板部１２との間に第２固着層５２（添加元素：Ｃｕ）を介在させているのである。 Next, as shown in FIG. 6, the second metal plate 23 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 21. Furthermore, the top plate portion 12 of the heat sink 11 is laminated on the other surface side of the second metal plate 23 (lamination step S12).
At this time, as shown in FIG. 6, the surface of the second metal plate 23 on which the first fixing layer 51 is formed faces the ceramic substrate 21, and the second fixing layer 52 of the second metal plate 23. These are laminated so that the surface on which the is formed faces the top plate 12. That is, the first fixing layer 51 (additive element: Cu) is interposed between the second metal plate 23 and the ceramic substrate 21, and the second fixing layer is interposed between the second metal plate 23 and the top plate portion 12. 52 (additive element: Cu) is interposed.

次に、第一の金属板２２及びセラミックス基板２１、第二の金属板２３、天板部１２をその積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。 Next, the first metal plate 22, the ceramic substrate 21, the second metal plate 23, and the top plate part 12 are loaded in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in the stacking direction. And heated (heating step S13). Here, in this embodiment, the pressure in a vacuum heating furnace is set in the range of 10 < -3 > -10 < -6 > Pa, and the heating temperature is set in the range of 550 degreeC or more and 650 degrees C or less.

すると、図７に示すように、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との界面に第１溶融金属領域５５が形成されることになる。この第１溶融金属領域５５は、図７に示すように、第１固着層５１の添加元素（Ｃｕ）が第二の金属板２３側に拡散することによって、第二の金属板２３の第１固着層５１近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
また、図８に示すように、第二の金属板２３と天板部１２との界面に第２溶融金属領域５６が形成される。この第２溶融金属領域５６は、図８に示すように、第２固着層５２の添加元素（Ｃｕ）が第二の金属板２３側及び天板部１２側に拡散することによって、第二の金属板２３及び天板部１２の第２固着層５２近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。 Then, as shown in FIG. 7, the first molten metal region 55 is formed at the interface between the second metal plate 23 and the ceramic substrate 21. As shown in FIG. 7, the first molten metal region 55 has a first element of the second metal plate 23 as a result of the additive element (Cu) of the first fixed layer 51 diffusing to the second metal plate 23 side. It is formed by increasing the concentration (Cu concentration) of the additive element in the vicinity of the fixed layer 51 and lowering the melting point.
Further, as shown in FIG. 8, a second molten metal region 56 is formed at the interface between the second metal plate 23 and the top plate portion 12. As shown in FIG. 8, the second molten metal region 56 has a second element (Cu) diffused to the second metal plate 23 side and the top plate part 12 side as a result of the second fixed layer 52 being diffused. It is formed by increasing the concentration (Cu concentration) of the additive element in the vicinity of the second fixed layer 52 of the metal plate 23 and the top plate portion 12 and lowering the melting point.

次に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６が形成された状態で温度を一定に保持しておく（溶融金属凝固工程Ｓ１４）。
すると、第１溶融金属領域５５中のＣｕが、さらに第二の金属板２３側へと拡散していくことになる。これにより、第１溶融金属領域５５であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板２１と第二の金属板２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域５６中のＣｕが、さらに第二の金属板２３側及び天板部１２側へと拡散し、第２溶融金属領域５６であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、第二の金属板２３と天板部１２とが接合される。 Next, the temperature is kept constant with the first molten metal region 55 and the second molten metal region 56 formed (molten metal solidification step S14).
Then, Cu in the 1st molten metal area | region 55 will spread | diffuse further to the 2nd metal plate 23 side. As a result, the Cu concentration in the portion that was the first molten metal region 55 gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Thereby, the ceramic substrate 21 and the second metal plate 23 are joined.
Similarly, Cu in the second molten metal region 56 further diffuses toward the second metal plate 23 side and the top plate portion 12 side, and the Cu concentration in the portion that was the second molten metal region 56 gradually decreases. As a result, the melting point rises, and solidification proceeds with the temperature kept constant. Thereby, the 2nd metal plate 23 and the top-plate part 12 are joined.

つまり、セラミックス基板２１と第二の金属板２３、及び、天板部１２と第二の金属板２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。   That is, the ceramic substrate 21 and the second metal plate 23, and the top plate portion 12 and the second metal plate 23 are joined by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.

このようにして、第一の金属板２２、セラミックス基板２１、第二の金属板２３、ヒートシンク１１の天板部１２とが接合され、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１０が製造されることになる。   In this way, the first metal plate 22, the ceramic substrate 21, the second metal plate 23, and the top plate portion 12 of the heat sink 11 are joined, and the power module substrate 10 with a heat sink according to this embodiment is manufactured. Will be.

以上のような構成とされた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１０によれば、半導体チップ３が搭載される搭載面２２Ａを有する第一の金属板２２が、タフピッチ銅で構成されているので、半導体チップ３から発生する熱を十分に拡げることができ、この熱の放散を促進することができる。よって、パワー密度の高い半導体チップ３等の電子部品を搭載することができ、半導体パッケージの小型化、高出力化を図ることが可能となる。   According to the power module substrate with a heat sink 10 of the present embodiment configured as described above, the first metal plate 22 having the mounting surface 22A on which the semiconductor chip 3 is mounted is made of tough pitch copper. Therefore, the heat generated from the semiconductor chip 3 can be sufficiently expanded, and the dissipation of this heat can be promoted. Therefore, electronic parts such as the semiconductor chip 3 having a high power density can be mounted, and the semiconductor package can be reduced in size and output.

また、ヒートシンク１１の天板部１２を、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上のものとしており、本実施形態では、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されたものとしていることから、剛性が高く、取扱いが容易となる。よって、図１に示すように、この天板部１２を冷却部材１３に固定ネジ１５で固定することができ、冷却能力に優れたヒートシンク１１を構成することが可能となる。 Further, the top plate portion 12 of the heat sink 11 is made of a metal material having a proof stress of 100 N / mm 2 or more and has a thickness of 2 mm or more. In this embodiment, the top plate portion 12 is made of an A6063 alloy (aluminum alloy). Therefore, it is highly rigid and easy to handle. Therefore, as shown in FIG. 1, this top plate part 12 can be fixed to the cooling member 13 with the fixing screw 15, and it becomes possible to comprise the heat sink 11 excellent in cooling capability.

さらに、ヒートシンク１１の天板部１２とセラミックス基板２１との間に、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム（本実施形態では、純度９９．９９％以上の純アルミニウム）からなる第二の金属板２３が配設されているので、ヒートシンク１１の天板部１２の剛性が高くても、ヒートシンク１１の天板部１２とセラミックス基板２１との熱膨張係数の差に起因する熱歪みをこの第二の金属板２３で十分に緩和することができ、セラミックス基板２１の割れの発生を抑制することができる。特に、本実施形態では、第二の金属層の厚さを０．６〜６ｍｍの範囲内としていることから、確実に熱歪みを吸収することができるとともに、この第二の金属板２３による熱抵抗の増大を抑制することができる。 Furthermore, a second metal plate made of aluminum having a proof stress of 30 N / mm 2 or less (in this embodiment, pure aluminum having a purity of 99.99% or more) between the top plate portion 12 of the heat sink 11 and the ceramic substrate 21. 23 is provided, even if the top plate portion 12 of the heat sink 11 has a high rigidity, the second thermal strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the top plate portion 12 of the heat sink 11 and the ceramic substrate 21 is reduced. The metal plate 23 can sufficiently relax, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 21 can be suppressed. In particular, in the present embodiment, since the thickness of the second metal layer is in the range of 0.6 to 6 mm, it is possible to absorb the thermal strain with certainty and the heat generated by the second metal plate 23. An increase in resistance can be suppressed.

また、本実施形態では、セラミックス基板２１がＡｌ２Ｏ３で構成されているので、上述のように、タフピッチ銅からなる第一の金属板２２とセラミックス基板２１とを、酸素と銅との共晶反応を利用したＤＢＣ法によって接合することができる。よって、セラミックス基板２１と第一の金属板２２との接合強度を確保することができ、接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０を構成することができる。 In the present embodiment, since the ceramic substrate 21 is made of Al 2 O 3 , as described above, the first metal plate 22 made of tough pitch copper and the ceramic substrate 21 are combined with oxygen and copper. Bonding can be performed by a DBC method using a crystal reaction. Therefore, the bonding strength between the ceramic substrate 21 and the first metal plate 22 can be ensured, and the power module substrate 10 with a heat sink excellent in bonding reliability can be configured.

また、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との接合界面３０、及び、第二の金属板２３とヒートシンク１１の天板部１２との接合界面４０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶されているので、第二の金属板２３の接合界面３０、４０側部分が固溶強化することになり、第二の金属板２３部分での破断を防止することができる。   Further, the bonding interface 30 between the second metal plate 23 and the ceramic substrate 21 and the bonding interface 40 between the second metal plate 23 and the top plate portion 12 of the heat sink 11 have Si, Cu, Ag, Zn, One or more additive elements of Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are in solid solution, and in this embodiment, Cu is dissolved as the additive element. The joint interfaces 30 and 40 side portions of the metal plate 23 are strengthened by solid solution, and breakage at the second metal plate 23 portion can be prevented.

ここで、第二の金属板２３のうち接合界面３０、４０近傍における添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されているので、第二の金属板２３の接合界面３０、４０近傍の強度が過剰に高くなることを防止でき、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを第二の金属板２３で緩和することが可能となり、セラミックス基板２１の割れの発生を抑制できる。   Here, since the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) in the vicinity of the bonding interfaces 30 and 40 in the second metal plate 23 is set within a range of 0.01% by mass to 5% by mass. The strength in the vicinity of the bonding interfaces 30 and 40 of the second metal plate 23 can be prevented from becoming excessively high, and when the cooling module is loaded on the power module substrate 10 with heat sink, It becomes possible to relieve with the metal plate 23, and the generation | occurrence | production of the crack of the ceramic substrate 21 can be suppressed.

また、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との接合界面３０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、第二の金属板２３中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部３２が形成されているので、界面近傍に存在する添加元素原子（Ｃｕ原子）により、第二の金属板２３の接合強度の向上を図ることが可能となる。   In addition, one or more of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are added to the bonding interface 30 between the second metal plate 23 and the ceramic substrate 21. Since the element concentration (Cu concentration in the present embodiment) is higher than the concentration of the additive element in the second metal plate 23, the additive element high concentration portion 32 is formed. It is possible to improve the bonding strength of the second metal plate 23 by the additive element atoms (Cu atoms) to be performed.

また、添加元素高濃度部３２を含む接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされているので、Ａｌと添加元素（Ｃｕ）との反応物が過剰に生成されることがなく、第二の金属板２３とセラミックス基板２１との接合を良好に行うことができる。また、この反応物によって第二の金属板２３の接合界面３０近傍が必要以上に強化されることがなく、熱歪みを確実に吸収することが可能となり、熱サイクル負荷時のセラミックス基板２１の割れの発生を抑制することができる。   Further, the mass ratio of Al, additive element (Cu), and O obtained by analyzing the bonding interface 30 including the high concentration element 32 by energy dispersive X-ray analysis is Al: additive element (Cu): O = 50˜ Since 90 mass%: 1-30 mass%: 45 mass% or less, the reaction product of Al and the additive element (Cu) is not generated excessively, and the second metal plate 23 and the ceramic substrate 21 can be favorably bonded. Moreover, the vicinity of the bonding interface 30 of the second metal plate 23 is not strengthened more than necessary by the reactant, and it becomes possible to absorb the thermal strain with certainty, and the ceramic substrate 21 is cracked under a heat cycle load. Can be suppressed.

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１０の製造方法によれば、前述したヒートシンク付パワーモジュール用基板１０を製造することができる。また、アルミニウム板接合工程Ｓ０２及びヒートシンク接合工程Ｓ０３においては、第二の金属板２３の接合界面３０、４０にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＣｕ）を配置し、第二の金属板２３を接合する構成としているので、第二の金属板２３とセラミックス基板２１、及び、第二の金属板２３とヒートシンク１１の天板部１２、をそれぞれ強固に接合することができる。また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｌｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、第二の金属板２３の接合界面３０、４０に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を形成することができる。
さらに、Ｃｕが存在することによって接合界面３０、４０近傍が活性化すると推測され、低温状況下でもセラミックス基板２１と第二の金属板２３、天板部１２と第二の金属板２３、をそれぞれ強固に接合すること可能となるのである。 According to the method for manufacturing the power module substrate with heat sink 10 of the present embodiment, the power module substrate with heat sink 10 described above can be manufactured. In addition, in the aluminum plate joining step S02 and the heat sink joining step S03, any one of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li is formed on the joining interfaces 30 and 40 of the second metal plate 23. Since one or more additive elements (Cu in this embodiment) are arranged and the second metal plate 23 is joined, the second metal plate 23, the ceramic substrate 21, and the second metal plate 23 are used. The metal plate 23 and the top plate portion 12 of the heat sink 11 can be firmly joined to each other. Further, since elements such as Si, Cu, Zn, Mg, Ge, Ca, and Li are elements that lower the melting point of aluminum, the bonding interfaces 30 and 40 of the second metal plate 23 even under relatively low temperature conditions. In addition, the first molten metal region 55 and the second molten metal region 56 can be formed.
Further, it is presumed that the vicinity of the bonding interfaces 30 and 40 is activated by the presence of Cu, and the ceramic substrate 21 and the second metal plate 23, and the top plate portion 12 and the second metal plate 23 are respectively connected even under a low temperature condition. It becomes possible to join firmly.

また、本実施形態では、アルミニウム板接合工程Ｓ０２及びヒートシンク接合工程Ｓ０３においては、添加元素（Ｃｕ）が第二の金属板２３側及び天板部１２側に向けて拡散することにより、接合界面３０、４０に第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を形成し、この第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を凝固させることによって接合する、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合しているので、比較的低温条件で強固に接合することができ、接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板１０を製造することができる。   In the present embodiment, in the aluminum plate joining step S02 and the heat sink joining step S03, the additive element (Cu) diffuses toward the second metal plate 23 side and the top plate portion 12 side, thereby joining the interface 30. 40, a first molten metal region 55 and a second molten metal region 56 are formed, and the first molten metal region 55 and the second molten metal region 56 are joined by solidification, so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusion). Since bonding is performed by Bonding), the power module substrate 10 with a heat sink can be manufactured, which can be firmly bonded under relatively low temperature conditions and has excellent bonding reliability.

また、第二の金属板２３の接合面に形成される第１固着層５１及び第２固着層５２における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層５１及び第２固着層５２におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されているので、第二の金属板２３の接合界面３０、４０に確実に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を形成することができる。また、添加元素（Ｃｕ）が過剰に第二の金属板２３側に拡散して接合界面３０、４０近傍の第二の金属板２３の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０に熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを第二の金属板２３で確実に吸収することができ、セラミックス基板２１の割れ等を防止できる。 In addition, the amount of additive elements in the first fixed layer 51 and the second fixed layer 52 formed on the bonding surface of the second metal plate 23 is in the range of 0.01 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2. In this embodiment, Cu is used as the additive element, and the amount of Cu in the first fixed layer 51 and the second fixed layer 52 is set to 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less. The first molten metal region 55 and the second molten metal region 56 can be reliably formed at the bonding interfaces 30 and 40 of the second metal plate 23. Further, it is possible to prevent the additive element (Cu) from excessively diffusing to the second metal plate 23 side and excessively increasing the strength of the second metal plate 23 in the vicinity of the bonding interfaces 30 and 40. Therefore, when a heat cycle is applied to the power module substrate 10 with a heat sink, the thermal strain can be reliably absorbed by the second metal plate 23, and cracking of the ceramic substrate 21 can be prevented.

また、本実施形態では、アルミニウム板接合工程Ｓ０２とヒートシンク接合工程Ｓ０３とを同時に行う構成としているので、第二の金属板２３の両面の接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０の製造コストを大幅に削減することができる。さらに、セラミックス基板２１に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。
また、スパッタリングにより、第二の金属板２３の接合面に添加元素（Ｃｕ）を固着させることで、第１固着層５１及び第２固着層５２を形成しているので、第二の金属板２３の接合界面３０、４０に確実に添加元素を配置することができる。 Moreover, in this embodiment, since it is set as the structure which performs aluminum plate joining process S02 and heat sink joining process S03 simultaneously, the joining process of both surfaces of the 2nd metal plate 23 can be performed at once, and this power supply with a heat sink can be performed. The manufacturing cost of the module substrate 10 can be greatly reduced. Furthermore, unnecessary thermal load does not act on the ceramic substrate 21, and the occurrence of warpage or the like can be suppressed.
Further, since the first fixed layer 51 and the second fixed layer 52 are formed by fixing the additive element (Cu) to the joint surface of the second metal plate 23 by sputtering, the second metal plate 23 is formed. It is possible to reliably arrange the additive element at the bonding interfaces 30 and 40.

次に、本発明の第２の実施形態について、図９から図１５を参照して説明する。
図９に示すパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０の搭載面１２２Ａ上にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３（電子部品）と、を備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、搭載面１２２Ａとはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
A power module 101 shown in FIG. 9 includes a power module substrate 110 with a heat sink, and a semiconductor chip 3 (electronic component) bonded to the mounting surface 122A of the power module substrate 110 with a heat sink via a solder layer 2. It has. 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 mounting surface 122A and the solder layer 2.

ヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１２１と、このセラミックス基板１２１の一方の面（図９において上面）に接合された第一の金属板１２２と、セラミックス基板１２１の他方の面（図９において下面）に接合された第二の金属板１２３と、からなるパワーモジュール用基板１２０と、ヒートシンク１１１と、を備えている。   The power module substrate 110 with a heat sink includes a ceramic substrate 121, a first metal plate 122 bonded to one surface (upper surface in FIG. 9) of the ceramic substrate 121, and the other surface of the ceramic substrate 121 (FIG. 9). , A power module substrate 120 and a heat sink 111 are provided.

セラミックス基板１２１は、第一の金属板１２２と第二の金属板１２３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１２１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 121 prevents electrical connection between the first metal plate 122 and the second metal plate 123, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). Further, the thickness of the ceramic substrate 121 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.

第一の金属板１２２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、タフピッチ銅の圧延板とされている。また、その板厚は０．１ 〜１．０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ ｍｍに設定されている。
この第一の金属板１２２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図９において上面）が、半導体チップ３が搭載される搭載面１２２Ａとされている。 The first metal plate 122 is made of copper or a copper alloy. In the present embodiment, the first metal plate 122 is a rolled plate of tough pitch copper. Moreover, the plate | board thickness is set in the range of 0.1-1.0 mm, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
A circuit pattern is formed on the first metal plate 122, and one surface (the upper surface in FIG. 9) is a mounting surface 122A on which the semiconductor chip 3 is mounted.

ここで、セラミックス基板１２１と第一の金属板１２２との界面には、図１０に示すように、Ａｌ２Ｏ３層１２５が形成されている。本実施形態では、このＡｌ２Ｏ３層１２５の厚さは、１μｍ以上とされている。 Here, an Al 2 O 3 layer 125 is formed at the interface between the ceramic substrate 121 and the first metal plate 122 as shown in FIG. In the present embodiment, the thickness of the Al 2 O 3 layer 125 is 1 μm or more.

第二の金属板１２３は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度９９．９９％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミ）で構成されている。また、その板厚は０．６〜６ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。 The second metal plate 123 is made of aluminum having a proof stress of 30 N / mm 2 or less, and is made of pure aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more in this embodiment. Moreover, the plate | board thickness is set in the range of 0.6-6 mm, and is set to 2.0 mm in this embodiment.

ヒートシンク１１１は、前述のパワーモジュール用基板１２０を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク１１１は、パワーモジュール用基板１２０と接合される天板部１１２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１１４と、を備えている。
ここで、ヒートシンク１１１（天板部１１２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、かつ、構造材としての剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態においては、ヒートシンク１１１の天板部１１２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。 The heat sink 111 is for cooling the power module substrate 120 described above. The heat sink 111 in the present embodiment includes a top plate portion 112 joined to the power module substrate 120 and a flow path 114 for circulating a cooling medium (for example, cooling water).
Here, the heat sink 111 (top plate portion 112) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and it is necessary to ensure rigidity as a structural material. Therefore, in the present embodiment, the top plate portion 112 of the heat sink 111 is made of A6063 (aluminum alloy).

そして、図１１に示すように、セラミックス基板１２１と第二の金属板１２３との接合界面１３０においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
ここで、第二の金属板１２３の接合界面１３０近傍には、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が低下する濃度傾斜層１３１が形成されている。また、この濃度傾斜層１３１の接合界面１３０側（第二の金属板１２３の接合界面１３０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、第二の金属板１２３の接合界面１３０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１１のグラフは、第二の金属板１２３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。 As shown in FIG. 11, at the bonding interface 130 between the ceramic substrate 121 and the second metal plate 123, any one of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li is used. The seed or two or more additional elements are in solid solution, and in this embodiment, Ge is dissolved in the additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface 130 of the second metal plate 123, a concentration gradient layer 131 in which the concentration of the additive element (Ge concentration in the present embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface 130 in the stacking direction is formed. Has been. In addition, the concentration of the additive element (Ge concentration in the present embodiment) on the bonding interface 130 side (near the bonding interface 130 of the second metal plate 123) of the concentration gradient layer 131 is 0.01 mass% or more and 5 mass% or less. It is set within the range.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface 130 of the second metal plate 123 is an average value measured at 5 points from the bonding interface 130 by EPMA analysis (spot diameter 30 μm). Further, the graph of FIG. 11 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the second metal plate 123 and obtaining the above-described concentration at the 50 μm position as a reference.

また、図１２に示すように、第二の金属板１２３とヒートシンク１１１の天板部１１２との接合界面１４０においては、第二の金属板１２３及び天板部１１２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＧｅが固溶している。
ここで、第二の金属板１２３及び天板部１１２の接合界面１４０近傍には、接合界面１４０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が低下する濃度傾斜層１４１、１４２が形成されている。また、この濃度傾斜層１４１、１４２の接合界面１４０側（第二の金属板１２３及び天板部１１２の接合界面１４０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この第二の金属板１２３及び天板部１１２の接合界面１４０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１４０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１２のグラフは、第二の金属板１２３及び天板部１１２の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。 As shown in FIG. 12, at the bonding interface 140 between the second metal plate 123 and the top plate portion 112 of the heat sink 111, the second metal plate 123 and the top plate portion 112 have Si, Cu, Ag, Any one or more additive elements of Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are in solid solution. In this embodiment, Ge is in solution as the additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface 140 between the second metal plate 123 and the top plate portion 112, the concentration of the additive element (Ge concentration in this embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface 140 in the stacking direction is increased. Inclined layers 141 and 142 are formed. In addition, the concentration of the additive element (Ge concentration in the present embodiment) on the side of the bonding interface 140 of the concentration gradient layers 141 and 142 (near the bonding interface 140 of the second metal plate 123 and the top plate portion 112) is 0.01. It is set within a range of mass% to 5 mass%.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface 140 of the second metal plate 123 and the top plate portion 112 is an average value measured at 5 points from the bonding interface 140 by EPMA analysis (spot diameter 30 μm). is there. In addition, the graph of FIG. 12 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the second metal plate 123 and the top plate portion 112 and obtaining the concentration at the above-described 50 μm position as a reference.

また、セラミックス基板１２１と第二の金属板１２３との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１３に示すように、接合界面１３０に添加元素（Ｇｅ）が濃縮した添加元素高濃度部１３２が形成されている。この添加元素高濃度部１３２においては、添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）が、第二の金属板１２３中の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）の２倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。   In addition, when the bonding interface 130 between the ceramic substrate 121 and the second metal plate 123 is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. A density portion 132 is formed. In the additive element high concentration portion 132, the additive element concentration (Ge concentration) is set to be twice or more the additive element concentration (Ge concentration) in the second metal plate 123. The thickness H of the additive element high concentration portion 132 is 4 nm or less.

なお、ここで観察する接合界面１３０は、図１３に示すように、第二の金属板１２３の格子像の界面側端部とセラミックス基板１２１の格子像の接合界面１３０側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、第二の金属板１２３中の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）は、第二の金属板１２３のうち接合界面１３０から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）である。   Note that, as shown in FIG. 13, the bonding interface 130 observed here is between the interface side end of the lattice image of the second metal plate 123 and the end of the lattice image of the ceramic substrate 121 on the side of the bonding interface 130. The center is defined as a reference plane S. In addition, the concentration of the additive element (Ge concentration) in the second metal plate 123 is the concentration of the additive element in the portion of the second metal plate 123 that is away from the bonding interface 130 by a certain distance (5 nm in this embodiment) ( Ge concentration).

また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、添加元素（Ｇｅ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｇｅ）：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、第二の金属板１２３の結晶粒界とセラミックス基板１２１との接合界面１３０は測定対象とせず、第二の金属板１２３の結晶粒とセラミックス基板１２１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
また、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。 The mass ratio of Al, additive element (Ge), O, and N when this bonding interface 130 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: additive element (Ge): O: N = It is set in the range of 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less. In addition, the spot diameter at the time of performing the analysis by EDS is 1 to 4 nm, the bonding interface 130 is measured at a plurality of points (for example, 20 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the bonding interface 130 between the crystal grain boundary of the second metal plate 123 and the ceramic substrate 121 is not measured, and only the bonding interface 130 between the crystal grain of the second metal plate 123 and the ceramic substrate 121 is measured. Yes.
Analyzed values by energy dispersive X-ray analysis are accelerated using an energy dispersive X-ray fluorescence element analyzer NORAN System 7 manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. mounted on an electron microscope JEM-2010F manufactured by JEOL. The voltage was 200 kV.

以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０の製造方法について説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 110 for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated.

まず、図１４及び図１５に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１の一方の面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５を形成する（アルミナ層形成工程Ｓ１００）。このアルミナ層形成工程Ｓ１００においては、ＡｌＮの酸化処理を１２００℃以上でＡｒ−Ｏ２混合ガス雰囲気にて行った。酸素分圧ＰＯ２を１０ｋＰａとし、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを０．０５ｋＰａに調整した。このように、高酸素分圧／低水蒸気分圧雰囲気にてＡｌＮの酸化処理を行うことにより、ＡｌＮとの密着性に優れた緻密なＡｌ２Ｏ３層１２５が形成されることになる。ここで、Ａｌ２Ｏ３層１２５の厚さは１μｍ以上とされている。
なお、高純度のＡｒガスを脱酸処理した後に酸素ガスを混合することによって酸素分圧を調整した。また、この雰囲気ガスをシリカゲルと五酸化二リンを充填した乾燥系に通すことで脱水処理を行った後に所定温度に調整された水中を通過させることによって水蒸気分圧を調整した。 First, as shown in FIGS. 14 and 15, an Al 2 O 3 layer 125 is formed on one surface of a ceramic substrate 121 made of AlN (alumina layer forming step S100). In this alumina layer forming step S100, the oxidation treatment of AlN was performed at 1200 ° C. or higher in an Ar—O 2 mixed gas atmosphere. The oxygen partial pressure P O2 and 10 kPa, to prepare a water vapor partial pressure P H2 O to 0.05 kPa. As described above, by performing the oxidation treatment of AlN in a high oxygen partial pressure / low water vapor partial pressure atmosphere, a dense Al 2 O 3 layer 125 having excellent adhesion to AlN is formed. Here, the thickness of the Al 2 O 3 layer 125 is 1 μm or more.
In addition, oxygen partial pressure was adjusted by mixing oxygen gas after deoxidizing high purity Ar gas. Moreover, after performing dehydration treatment by passing this atmospheric gas through a drying system filled with silica gel and diphosphorus pentoxide, the water vapor partial pressure was adjusted by passing water adjusted to a predetermined temperature.

次に、銅からなる第一の金属板１２２と、セラミックス基板１２１とを接合する（銅板接合工程Ｓ１０１）。ここで、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１の一方の面にＡｌ２Ｏ３層１２５が形成されていることから、銅からなる第一の金属板１２２とＡｌ２Ｏ３層１２５とが、銅と酸素の共晶反応を利用したＤＢＣ法により接合されることになる。具体的には、タフピッチ銅からなる第一の金属板１２２と、セラミックス基板１２１のＡｌ２Ｏ３層１２５とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することで、第一の金属板１２２と、セラミックス基板１２１のＡｌ２Ｏ３層１２５とを接合するのである。 Next, the first metal plate 122 made of copper and the ceramic substrate 121 are bonded (copper plate bonding step S101). Here, since the Al 2 O 3 layer 125 is formed on one surface of the ceramic substrate 121 made of AlN, the first metal plate 122 made of copper and the Al 2 O 3 layer 125 are made of copper and oxygen. Joining is performed by the DBC method using the eutectic reaction. Specifically, the first metal plate 122 made of tough pitch copper and the Al 2 O 3 layer 125 of the ceramic substrate 121 are brought into contact with each other and heated at 1075 ° C. for 10 minutes in a nitrogen gas atmosphere. The metal plate 122 and the Al 2 O 3 layer 125 of the ceramic substrate 121 are joined.

次に、セラミックス基板１２１の他方の面側に第二の金属板１２３を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ１０２）とともに、第二の金属板１２３とヒートシンク１１１（天板部１１２）とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。本実施形態では、これらアルミニウム板接合工程Ｓ１０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ１０３と、を同時に実施することになる。   Next, the second metal plate 123 is joined to the other surface side of the ceramic substrate 121 (aluminum plate joining step S102), and the second metal plate 123 and the heat sink 111 (top plate portion 112) are joined ( Heat sink joining step S103). In the present embodiment, the aluminum plate joining step S102 and the heat sink joining step S103 are performed simultaneously.

第二の金属板１２３のセラミックス基板１２１との接合面にスパッタリングによって添加元素を固着して第１固着層１５１を形成するとともに、第二の金属板１２３のヒートシンク１１１（天板部１１２）との接合面にスパッタリングによって添加元素を固着して第２固着層１５２を形成する（固着層形成工程Ｓ１１１）。ここで、第１固着層１５１及び第２固着層１５２における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてＧｅを用いており、第１固着層１５１及び第２固着層１５２におけるＧｅ量が０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 An additive element is fixed to the bonding surface of the second metal plate 123 with the ceramic substrate 121 by sputtering to form the first fixed layer 151, and the second metal plate 123 is connected to the heat sink 111 (top plate portion 112) of the second metal plate 123. An additional element is fixed to the bonding surface by sputtering to form the second fixed layer 152 (fixed layer forming step S111). Here, the amount of added elements in the first fixed layer 151 and the second fixed layer 152 is in the range of 0.01 mg / cm 2 to 10 mg / cm 2 , and in this embodiment, Ge is used as the additive element. The Ge amount in the first fixed layer 151 and the second fixed layer 152 is set to 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less.

次に、図１５に示すように、第二の金属板１２３をセラミックス基板１２１の他方の面側に積層する。さらに、第二の金属板１２３の他方の面側にヒートシンク１１１の天板部１１２を積層する（積層工程Ｓ１１２）。
このとき、図１５に示すように、第二の金属板１２３の第１固着層１５１が形成された面がセラミックス基板１２１を向くように、かつ、第二の金属板１２３の第２固着層１５２が形成された面が天板部１１２を向くようにして、これらを積層する。すなわち、第二の金属板１２３とセラミックス基板１２１との間に第１固着層１５１（添加元素：Ｇｅ）を介在させ、第二の金属板１２３と天板部１１２との間に第２固着層１５２（添加元素：Ｇｅ）を介在させているのである。 Next, as shown in FIG. 15, the second metal plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 121. Further, the top plate portion 112 of the heat sink 111 is laminated on the other surface side of the second metal plate 123 (lamination step S112).
At this time, as shown in FIG. 15, the surface of the second metal plate 123 on which the first fixing layer 151 is formed faces the ceramic substrate 121, and the second fixing layer 152 of the second metal plate 123. These are laminated so that the surface on which the is formed faces the top plate portion 112. That is, the first fixing layer 151 (additive element: Ge) is interposed between the second metal plate 123 and the ceramic substrate 121, and the second fixing layer is interposed between the second metal plate 123 and the top plate portion 112. 152 (additive element: Ge) is interposed.

次に、第一の金属板１２２及びセラミックス基板１２１、第二の金属板１２３、天板部１１２をその積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。 Next, the first metal plate 122, the ceramic substrate 121, the second metal plate 123, and the top plate portion 112 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in a vacuum heating furnace. And heated (heating step S113). Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in a range of 10 −3 to 10 −6 Pa, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.

すると、第二の金属板１２３とセラミックス基板１２１との界面に第１溶融金属領域が形成されることになる。この第１溶融金属領域は、第１固着層１５１の添加元素（Ｇｅ）が第二の金属板１２３側に拡散することによって、第二の金属板１２３の第１固着層１５１近傍の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
また、第二の金属板１２３と天板部１１２との界面に第２溶融金属領域が形成される。この第２溶融金属領域は、第２固着層１５２の添加元素（Ｇｅ）が第二の金属板１２３側及び天板部１１２側に拡散することによって、第二の金属板１２３及び天板部１１２の第２固着層１５２近傍の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。 As a result, a first molten metal region is formed at the interface between the second metal plate 123 and the ceramic substrate 121. In the first molten metal region, the additive element (Ge) of the first fixed layer 151 diffuses to the second metal plate 123 side, so that the additive element in the vicinity of the first fixed layer 151 of the second metal plate 123 It is formed by increasing the concentration (Ge concentration) and lowering the melting point.
Further, a second molten metal region is formed at the interface between the second metal plate 123 and the top plate portion 112. In the second molten metal region, the additive element (Ge) of the second fixed layer 152 is diffused to the second metal plate 123 side and the top plate portion 112 side, whereby the second metal plate 123 and the top plate portion 112. This is formed by increasing the concentration (Ge concentration) of the additive element in the vicinity of the second fixed layer 152 and lowering the melting point.

次に、第１溶融金属領域、第２溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく（溶融金属凝固工程Ｓ１１４）。
すると、第１溶融金属領域中のＧｅが、さらに第二の金属板１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第１溶融金属領域であった部分のＧｅ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板１２１と第二の金属板１２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域中のＧｅが、さらに第二の金属板１２３側及び天板部１１２側へと拡散し、第２溶融金属領域であった部分のＧｅ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、第二の金属板１２３と天板部１１２とが接合される。 Next, the temperature is kept constant with the first molten metal region and the second molten metal region formed (molten metal solidification step S114).
Then, Ge in the first molten metal region is further diffused toward the second metal plate 123 side. As a result, the Ge concentration in the portion that was the first molten metal region gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Thereby, the ceramic substrate 121 and the second metal plate 123 are joined.
Similarly, Ge in the second molten metal region further diffuses toward the second metal plate 123 side and the top plate portion 112 side, and the Ge concentration in the portion that was the second molten metal region gradually decreases. The melting point will rise, and solidification will proceed with the temperature kept constant. Thereby, the 2nd metal plate 123 and the top-plate part 112 are joined.

つまり、セラミックス基板１２１と第二の金属板１２３、及び、天板部１１２と第二の金属板１２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。   That is, the ceramic substrate 121 and the second metal plate 123, and the top plate portion 112 and the second metal plate 123 are joined by so-called diffusion bonding (Transient Liquid Phase Diffusing Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.

このようにして、第一の金属板１２２、セラミックス基板１２１、第二の金属板１２３、ヒートシンク１１１（天板部１１２）とが接合され、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１１０が製造されることになる。   In this way, the first metal plate 122, the ceramic substrate 121, the second metal plate 123, and the heat sink 111 (the top plate portion 112) are joined, and the power module substrate 110 with a heat sink according to this embodiment is manufactured. Will be.

以上のような構成とされた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１１０によれば、上述の第１の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と同様の作用効果を奏することになり、第一の金属板１２２の上に搭載された半導体チップ３等の発熱体からの熱を効率良く促進することができ、かつ、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１２１の割れの発生を抑制し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板１１０を提供することが可能となる。   According to the power module substrate with heat sink 110 of the present embodiment configured as described above, the same operational effects as the power module substrate with heat sink of the first embodiment described above are obtained, Heat from a heating element such as the semiconductor chip 3 mounted on the first metal plate 122 can be efficiently promoted, and the generation of cracks in the ceramic substrate 121 during a heat cycle load can be suppressed and It is possible to provide a power module substrate 110 with a heat sink having high performance.

また、本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１の一方の面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５を形成し、このＡｌ２Ｏ３層１２５を介して、銅からなる第一の金属板１２２とセラミックス基板１２１とをＤＢＣ法によって接合していることから、第一の金属板１２２とセラミックス基板１２１とを強固に接合することができる。よって、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１であっても、ＤＢＣ法を利用して銅からなる第一の金属板１２２を接合することが可能となる。 In the present embodiment, an Al 2 O 3 layer 125 is formed on one surface of the ceramic substrate 121 made of AlN, and the first metal plate 122 made of copper is connected to the Al 2 O 3 layer 125 via the Al 2 O 3 layer 125. Since the ceramic substrate 121 is joined by the DBC method, the first metal plate 122 and the ceramic substrate 121 can be firmly joined. Therefore, even if the ceramic substrate 121 is made of AlN, the first metal plate 122 made of copper can be bonded using the DBC method.

さらに、アルミナ層形成工程Ｓ１００において、形成するＡｌ２Ｏ３層１２５の厚さを１μｍ以上としているので、第一の金属板１２２とセラミックス基板１２１とを確実に接合することが可能となる。
また、本実施形態では、高酸素分圧／低水蒸気分圧雰囲気にてＡｌＮの酸化処理を行うことにより、ＡｌＮとの密着性に優れた緻密なＡｌ２Ｏ３層１２５を形成しているので、ＡｌＮからなるセラミックス基板１２１とＡｌ２Ｏ３層１２５との間での剥離の発生を防止することが可能となる。 Furthermore, since the thickness of the Al 2 O 3 layer 125 to be formed is 1 μm or more in the alumina layer forming step S100, the first metal plate 122 and the ceramic substrate 121 can be reliably bonded.
In the present embodiment, since the AlN is oxidized in a high oxygen partial pressure / low steam partial pressure atmosphere, the dense Al 2 O 3 layer 125 having excellent adhesion to AlN is formed. Further, it is possible to prevent the occurrence of peeling between the ceramic substrate 121 made of AlN and the Al 2 O 3 layer 125.

次に、本発明の第３の実施形態について、図１６から図１８を参照して説明する。
図１６に示すパワーモジュール２０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０の搭載面２２２Ａ上にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３（電子部品）と、を備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、搭載面２２２Ａとはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
A power module 201 shown in FIG. 16 includes a power module substrate 210 with a heat sink, and a semiconductor chip 3 (electronic component) bonded to the mounting surface 222A of the power module substrate 210 with a heat sink via a solder layer 2. It has. 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 mounting surface 222A and the solder layer 2.

ヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２２１と、このセラミックス基板２２１の一方の面（図１６において上面）に接合された第一の金属板２２２と、セラミックス基板２２１の他方の面（図１６において下面）に接合された第二の金属板２２３とを備えたパワーモジュール用基板２２０と、ヒートシンク２１１と、を備えている。   The power module substrate 210 with a heat sink includes a ceramic substrate 221, a first metal plate 222 bonded to one surface (upper surface in FIG. 16) of the ceramic substrate 221, and the other surface of the ceramic substrate 221 (FIG. 16). The power module substrate 220 including the second metal plate 223 bonded to the lower surface in FIG.

セラミックス基板２２１は、第一の金属板２２２と第二の金属板２２３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）で構成されている。また、セラミックス基板２２１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate 221 prevents electrical connection between the first metal plate 222 and the second metal plate 223, and is made of highly insulating Si 3 N 4 (silicon nitride). . Further, the thickness of the ceramic substrate 221 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment, is set to 0.32 mm.

第一の金属板２２２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、タフピッチ銅の圧延板とされている。また、その板厚は０．１〜１．０ｍｍ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。
この第一の金属板２２２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１６において上面）が、半導体チップ３が搭載される搭載面２２２Ａとされている。 The first metal plate 222 is made of copper or a copper alloy, and is a tough pitch copper rolled plate in the present embodiment. Moreover, the plate | board thickness is set in the range of 0.1-1.0 mm, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
A circuit pattern is formed on the first metal plate 222, and one surface (the upper surface in FIG. 16) is a mounting surface 222A on which the semiconductor chip 3 is mounted.

第二の金属板２２３は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、本実施形態では純度９９．９９％以上の純アルミニウム（いわゆる４Ｎアルミ）で構成されている。また、その板厚は０．６〜６ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。 The second metal plate 223 is made of aluminum having a proof stress of 30 N / mm 2 or less, and is made of pure aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99% or more in this embodiment. Moreover, the plate | board thickness is set in the range of 0.6-6 mm, and is set to 2.0 mm in this embodiment.

ヒートシンク２１１は、前述のパワーモジュール用基板２２０を冷却するためのものである。本実施形態におけるヒートシンク２１１は、パワーモジュール用基板２２０と接合される天板部２１２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路２１４と、を備えている。
ここで、ヒートシンク２１１（天板部２１２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、かつ、構造材としての剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態においては、ヒートシンク２１１の天板部２１２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。 The heat sink 211 is for cooling the power module substrate 220 described above. The heat sink 211 in this embodiment includes a top plate portion 212 joined to the power module substrate 220 and a flow path 214 for circulating a cooling medium (for example, cooling water).
Here, it is desirable that the heat sink 211 (top plate portion 212) be made of a material having good thermal conductivity, and it is necessary to ensure rigidity as a structural material. Therefore, in the present embodiment, the top plate portion 212 of the heat sink 211 is made of A6063 (aluminum alloy).

そして、図１７に示すように、セラミックス基板２２１と第二の金属板２２３との接合界面２３０においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、第二の金属板２２３の接合界面２３０近傍には、接合界面２３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層２３１が形成されている。また、この濃度傾斜層２３１の接合界面２３０側（第二の金属板２２３の接合界面２３０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、第二の金属板２２３の接合界面２３０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１７のグラフは、第二の金属板２２３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。 As shown in FIG. 17, at the bonding interface 230 between the ceramic substrate 221 and the second metal plate 223, any one of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li is used. The seed or two or more additive elements are in solid solution, and in this embodiment, Cu is dissolved as the additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface 230 of the second metal plate 223, a concentration gradient layer 231 in which the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface 230 in the stacking direction is formed. Has been. In addition, the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) on the bonding interface 230 side (near the bonding interface 230 of the second metal plate 223) of the concentration gradient layer 231 is 0.01 mass% or more and 5 mass% or less. It is set within the range.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface 230 of the second metal plate 223 is an average value measured at five points from the bonding interface 230 by the EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). Further, the graph of FIG. 17 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the second metal plate 223 and using the concentration at the above-described 50 μm position as a reference.

また、図１８に示すように、第二の金属板２２３とヒートシンク２１１の天板部２１２との接合界面２４０においては、第二の金属板２２３及び天板部２１２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶している。
ここで、第二の金属板２２３及び天板部２１２の接合界面２４０近傍には、接合界面２４０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層２４１、２４２が形成されている。また、この濃度傾斜層２４１、２４２の接合界面２４０側（第二の金属板２２３及び天板部２１２の接合界面２４０近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、この第二の金属板２２３及び天板部２１２の接合界面２４０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２４０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１２のグラフは、第二の金属板２２３及び天板部２１２の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。 As shown in FIG. 18, at the bonding interface 240 between the second metal plate 223 and the top plate portion 212 of the heat sink 211, the second metal plate 223 and the top plate portion 212 have Si, Cu, Ag, Any one or two or more additive elements of Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are in solid solution, and in this embodiment, Cu is in solution as the additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface 240 between the second metal plate 223 and the top plate portion 212, the concentration of the additive element (Cu concentration in this embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface 240 in the stacking direction is increased. Inclined layers 241 and 242 are formed. Further, the concentration of the additive element (the Cu concentration in the present embodiment) on the side of the bonding interface 240 of the concentration gradient layers 241 and 242 (near the bonding interface 240 of the second metal plate 223 and the top plate portion 212) is 0.01. It is set within a range of mass% to 5 mass%.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface 240 of the second metal plate 223 and the top plate portion 212 is an average value measured at 5 points from the bonding interface 240 by EPMA analysis (spot diameter 30 μm). is there. Further, the graph of FIG. 12 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the second metal plate 223 and the top plate portion 212 and obtaining the above-described concentration at the 50 μm position as a reference.

また、セラミックス基板２２１と第二の金属板２２３との接合界面２３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１９に示すように、接合界面２３０に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部２３２が形成されている。この添加元素高濃度部２３２においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、第二の金属板２２３中の添加元素の濃度（Ｓｉ濃度）の２倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。   In addition, when the bonding interface 230 between the ceramic substrate 221 and the second metal plate 223 is observed with a transmission electron microscope, as shown in FIG. A density portion 232 is formed. In the additive element high concentration portion 232, the additive element concentration (Cu concentration) is set to be twice or more the additive element concentration (Si concentration) in the second metal plate 223. The thickness H of the additive element high concentration portion 232 is 4 nm or less.

なお、ここで観察する接合界面２３０は、図１９に示すように、第二の金属板２２３の格子像の界面側端部とセラミックス基板２２１の格子像の接合界面２３０側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、第二の金属板２２３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）は、第二の金属板２２３のうち接合界面２３０から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）である。   As shown in FIG. 19, the bonding interface 230 observed here is between the interface side end of the lattice image of the second metal plate 223 and the end of the lattice image of the ceramic substrate 221 on the side of the bonding interface 230. Let the center be a reference plane S. Further, the concentration of the additive element (Cu concentration) in the second metal plate 223 is the concentration of the additive element in the portion of the second metal plate 223 that is away from the bonding interface 230 by a certain distance (5 nm in this embodiment) ( Cu concentration).

また、この接合界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面２３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、第二の金属板２２３の結晶粒界とセラミックス基板１２１との接合界面２３０は測定対象とせず、第二の金属板２２３の結晶粒とセラミックス基板２２１との接合界面２３０のみを測定対象としている。
また、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。 The mass ratio of Al, Si, additive element (Cu), O, and N when the bonding interface 230 is analyzed by energy dispersive X-ray analysis (EDS) is Al: Si: additive element (Cu): O: N = 15 to 45% by mass: 15 to 45% by mass: 1 to 30% by mass: 2 to 20% by mass: 25% by mass or less. In addition, the spot diameter at the time of performing the analysis by EDS is 1 to 4 nm, the bonding interface 230 is measured at a plurality of points (for example, 20 points in the present embodiment), and the average value is calculated. Further, the bonding interface 230 between the crystal grain boundary of the second metal plate 223 and the ceramic substrate 121 is not measured, and only the bonding interface 230 between the crystal grain of the second metal plate 223 and the ceramic substrate 221 is measured. Yes.
Analyzed values by energy dispersive X-ray analysis are accelerated using an energy dispersive X-ray fluorescence element analyzer NORAN System 7 manufactured by Thermo Fisher Scientific Co., Ltd. mounted on an electron microscope JEM-2010F manufactured by JEOL. The voltage was 200 kV.

以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０の製造方法について説明する。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 210 for power modules with a heat sink of the above-mentioned structure is demonstrated.

まず、図２０及び図２１に示すように、銅からなる第一の金属板２２２と、セラミックス基板２２１とを接合する（銅板接合工程Ｓ２０１）。ここで、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板２２１と第一の金属板２２２とは、いわゆる活性金属法によって接合されている。この活性金属法では、図２１に示すように、セラミックス基板２２１と第一の金属板２２２との間に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなるろう材２２５を配設して、セラミックス基板２２１と第一の金属板２２２とを接合するものである。
なお、本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなるろう材２２５を用いて、１０−３Ｐａの真空中にて、８５０℃で１０分加熱することによって、セラミックス基板２２１と第一の金属板２２２とを接合している。 First, as shown in FIGS. 20 and 21, the first metal plate 222 made of copper and the ceramic substrate 221 are joined (copper plate joining step S201). Here, the ceramic substrate 221 made of Si 3 N 4 and the first metal plate 222 are joined by a so-called active metal method. In this active metal method, as shown in FIG. 21, a brazing material 225 made of Ag—Cu—Ti is disposed between a ceramic substrate 221 and a first metal plate 222, and the ceramic substrate 221 and the first metal plate 221. The metal plate 222 is joined.
In the present embodiment, the brazing material 225 made of Ag-27.4 mass% Cu-2.0 mass% Ti is used and heated at 850 ° C. for 10 minutes in a vacuum of 10 −3 Pa. The ceramic substrate 221 and the first metal plate 222 are joined.

次に、セラミックス基板２２１の他方の面側に第二の金属板２２３を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ２０２）とともに、第二の金属板２２３とヒートシンク２１１（天板部２１２）とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ２０３）。本実施形態では、これらアルミニウム板接合工程Ｓ２０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ２０３と、を同時に実施することになる。   Next, the second metal plate 223 is joined to the other surface side of the ceramic substrate 221 (aluminum plate joining step S202), and the second metal plate 223 and the heat sink 211 (top plate portion 212) are joined ( Heat sink joining step S203). In the present embodiment, the aluminum plate joining step S202 and the heat sink joining step S203 are performed simultaneously.

第二の金属板２２３のセラミックス基板２２１との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層２５１を形成するとともに、第二の金属板２２３のヒートシンク２１１の天板部２１２との接合面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層２５２を形成する（固着層形成工程Ｓ２１１）。ここで、第１固着層２５１及び第２固着層２５２における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層２５１及び第２固着層２５２におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。 The additive element (Cu) is fixed to the bonding surface of the second metal plate 223 with the ceramic substrate 221 by sputtering to form the first fixing layer 251, and the top plate portion 212 of the heat sink 211 of the second metal plate 223. Then, an additional element (Cu) is fixed to the joint surface by sputtering to form the second fixed layer 252 (fixed layer forming step S211). Here, the amount of added elements in the first fixed layer 251 and the second fixed layer 252 is in the range of 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less, and in this embodiment, Cu is used as the additive element. The amount of Cu in the first fixing layer 251 and the second fixing layer 252 is set to 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less.

次に、図２１に示すように、第二の金属板２２３をセラミックス基板２２１の他方の面側に積層する。さらに、第二の金属板２２３の他方の面側にヒートシンク２１１の天板部２１２を積層する（積層工程Ｓ２１２）。   Next, as shown in FIG. 21, the second metal plate 223 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 221. Furthermore, the top plate portion 212 of the heat sink 211 is laminated on the other surface side of the second metal plate 223 (lamination step S212).

そして、第一の金属板２２２及びセラミックス基板２２１、第二の金属板２２３、天板部２１２をその積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ２１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
すると、第二の金属板２２３とセラミックス基板２２１との界面に第１溶融金属領域が形成され、第二の金属板２２３と天板部２１２との界面に第２溶融金属領域が形成されることになる。 Then, the first metal plate 222, the ceramic substrate 221, the second metal plate 223, and the top plate portion 212 are charged in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) and charged into the vacuum heating furnace. And heating (heating step S213). Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in a range of 10 −3 to 10 −6 Pa, and the heating temperature is set in a range of 550 ° C. or more and 650 ° C. or less.
Then, a first molten metal region is formed at the interface between the second metal plate 223 and the ceramic substrate 221, and a second molten metal region is formed at the interface between the second metal plate 223 and the top plate portion 212. become.

次に、冷却を行うことで第１溶融金属領域、第２溶融金属領域を凝固させる（溶融金属凝固工程Ｓ２１４）。   Next, the first molten metal region and the second molten metal region are solidified by cooling (molten metal solidification step S214).

このようにして、第一の金属板２２２、セラミックス基板２２１、第二の金属板２２３、ヒートシンク２１１（天板部２１２）とが接合され、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２１０が製造されることになる。   In this way, the first metal plate 222, the ceramic substrate 221, the second metal plate 223, and the heat sink 211 (top plate portion 212) are joined, and the power module substrate 210 with a heat sink according to this embodiment is manufactured. Will be.

以上のような構成とされた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２１０によれば、上述の第１、第２の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と同様の作用効果を奏することになり、第一の金属板２２２の上に搭載された半導体チップ３等の発熱体からの熱を効率良く促進することができ、かつ、熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板２２１の割れの発生を抑制し、信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板２１０を提供することが可能となる。   According to the power module substrate with heat sink 210 according to the present embodiment configured as described above, the same operational effects as the power module substrate with heat sink according to the first and second embodiments described above can be obtained. Therefore, the heat from the heating element such as the semiconductor chip 3 mounted on the first metal plate 222 can be efficiently promoted, and the generation of cracks in the ceramic substrate 221 at the time of thermal cycle load can be suppressed. In addition, it is possible to provide a highly reliable power module substrate 210 with a heat sink.

また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉのろう材２２５を用いた活性金属法によって、第一の金属板２２２とセラミックス基板２２１とを接合しているので、第一の金属板２２２及びセラミックス基板２２１に酸素を介在させることなく、パワーモジュール用基板２２０を構成することができる。   Further, since the first metal plate 222 and the ceramic substrate 221 are joined by the active metal method using the brazing material 225 of Ag—Cu—Ti, oxygen is supplied to the first metal plate 222 and the ceramic substrate 221. The power module substrate 220 can be configured without interposition.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、第二の金属板を、純度９９．９９％以上の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはなく、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されたものであればよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, although the second metal plate has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99% or more, the present invention is not limited to this, and the second metal plate is made of aluminum having a proof stress of 30 N / mm 2 or less. Anything can be used.

また、第２の実施形態において、ＡｌＮを酸化処理することによってＡｌ２Ｏ３層を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の手段によってセラミックス基板の表面にＡｌ２Ｏ３層を形成してもよい。
さらに、第１の実施形態及び第２の実施形態における固着層形成工程において、スパッタによって添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着、ＣＶＤ、めっき又はペーストの塗布によって添加元素を固着させてもよい。 In the second embodiment, the Al 2 O 3 layer is formed by oxidizing AlN. However, the present invention is not limited to this, and Al 2 is applied to the surface of the ceramic substrate by other means. An O 3 layer may be formed.
Further, in the fixing layer forming step in the first embodiment and the second embodiment, it has been described that the additive element is fixed by sputtering. However, the present invention is not limited to this, and deposition, CVD, plating, or paste is not limited thereto. The additive element may be fixed by coating.

また、第二の金属板とセラミックス基板、第二の金属板と天板部、との間に、それぞれ１種の添加元素を配置して接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配設してもよい。
さらに、ＭｇやＣａ等の易酸化元素を用いる場合には、アルミニウムとともに添加元素を配設することが好ましい。これにより、ＭｇやＣａ等の易酸化元素が酸化損耗することを抑制することができる。 Moreover, although it demonstrated as what arrange | positions and joins one kind of additional element between a 2nd metal plate and a ceramic substrate, and a 2nd metal plate and a top-plate part, respectively, it is limited to this Instead, any one or two or more additive elements of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li may be provided.
Furthermore, when an easily oxidizable element such as Mg or Ca is used, it is preferable to arrange an additive element together with aluminum. Thereby, it is possible to suppress oxidation wear of easily oxidizable elements such as Mg and Ca.

また、本実施形態では、ヒートシンクの天板部をＡ６０６３合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａ１１００合金、Ａ３００３合金、Ａ５０５２合金、Ａ７Ｎ０１合金等の他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、ヒートシンクの構造は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを採用してもよい。 In the present embodiment, the top plate of the heat sink has been described as being made of an A6063 alloy. However, the present invention is not limited to this, and other metal materials such as an A1100 alloy, an A3003 alloy, an A5052 alloy, and an A7N01 alloy. It may be configured by.
Furthermore, the structure of the heat sink is not limited to this embodiment, and a heat sink having another structure may be adopted.

また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。   In the present embodiment, the power module substrate is described as being bonded to the heat sink. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of power module substrates are bonded to the heat sink. May be.

さらに、図２２に示すように、第二の金属板３２３を、複数の金属板３２３Ａ、３２３Ｂを積層した構造としてもよい。この場合、第二の金属板３２３のうち一方側（図２２において上側）に位置する金属板３２３Ａがセラミックス基板３２１に接合され、他方側（図２２において下側）に位置する金属板３２３Ｂがヒートシンク３１１の天板部３１２に接合されることになる。なお、図２２では、２枚の金属板３２３Ａ、３２３Ｂを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、図２２に示すように、積層する金属板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。   Furthermore, as shown in FIG. 22, the second metal plate 323 may have a structure in which a plurality of metal plates 323A and 323B are stacked. In this case, the metal plate 323A located on one side (the upper side in FIG. 22) of the second metal plate 323 is joined to the ceramic substrate 321 and the metal plate 323B located on the other side (the lower side in FIG. 22) is the heat sink. 311 is joined to the top plate portion 312. In FIG. 22, two metal plates 323A and 323B are stacked, but the number of stacked plates is not limited. Moreover, as shown in FIG. 22, the metal plates to be stacked may have different sizes and shapes, or may be adjusted to the same size and shape. Furthermore, the composition of these metal plates may be different.

本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
Ａｌ２Ｏ３からなる厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板と、タフピッチ銅の圧延板からなる厚さ０．６ｍｍの第一の金属板と、アルミニウムからなる厚さ２．０ｍｍの第二の金属板と、を準備した。ここで、第二の金属板においては、アルミニウムの純度を変更することにより、耐力が１０Ｎ／ｍｍ２、２５Ｎ／ｍｍ２、３５Ｎ／ｍｍ２の３種類を準備した。
また、ヒートシンクとしてアルミニウム板を準備した。ここで、ヒートシンクとなるアルミニウム板として、耐力が１４５Ｎ／ｍｍ２で厚さ５．０ｍｍ（Ａ６０６３合金）、耐力が１１０Ｎ／ｍｍ２で厚さ３．０ｍｍ（Ａ３００３合金）、耐力が９５Ｎ／ｍｍ２で厚さ５．０ｍｍ（Ａｌ−Ｓｉ合金）、耐力が１４５Ｎ／ｍｍ２で厚さ１．０ｍｍ（Ａ６０６３合金）の４種類を準備した。 A comparative experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
A 0.635 mm thick ceramic substrate made of Al 2 O 3, a 0.6 mm thick first metal plate made of a tough pitch copper rolled plate, and a 2.0 mm thick second metal plate made of aluminum And prepared. Here, in the second metal plate, by altering the purity of aluminum, yield strength were prepared three kinds of 10N / mm 2, 25N / mm 2, 35N / mm 2.
An aluminum plate was prepared as a heat sink. Here, as an aluminum plate serving as a heat sink, a proof stress of 145 N / mm 2 and a thickness of 5.0 mm (A6063 alloy), a proof stress of 110 N / mm 2 and a thickness of 3.0 mm (A3003 alloy), and a proof stress of 95 N / mm 2 And 4 types of thickness 5.0 mm (Al—Si alloy), proof stress 145 N / mm 2 and thickness 1.0 mm (A6063 alloy) were prepared.

これらのセラミックス基板、第一の金属板、第二の金属板、ヒートシンクを、第１の実施形態に記載された方法により接合し、表１に示すように、６種類のヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。なお、固着層形成工程Ｓ１１におけるＣｕ量は０．９ｍｇ／ｃｍ２とした。また、加熱工程Ｓ１３における加圧圧力を５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度を６１０℃、真空加熱炉内の圧力を１０−４Ｐａとした。 These ceramic substrates, the first metal plate, the second metal plate, and the heat sink are joined by the method described in the first embodiment, and as shown in Table 1, there are six types of power module substrates with heat sinks. Manufactured. Note that the amount of Cu in the fixing layer forming step S11 was set to 0.9 mg / cm 2 . The pressurizing pressure in the heating step S13 was 5 kgf / cm 2 , the heating temperature was 610 ° C., and the pressure in the vacuum heating furnace was 10 −4 Pa.

そして、これらのヒートシンク付パワーモジュール用基板に、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返し、セラミックス基板の割れの有無について確認した。また、ヒートシンクの変形についても確認した。評価結果を表１に示す。   And the heat cycle (-45 degreeC-125 degreeC) was repeated 2000 times to these power module substrates with a heat sink, and the presence or absence of the crack of a ceramic substrate was confirmed. Also, the deformation of the heat sink was confirmed. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 0005577980
Figure 0005577980

第二の金属板の耐力を３５Ｎ／ｍｍ２とした比較例１においては、セラミックス基板に割れが確認された。ヒートン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、第二の金属板で十分緩和することができなかったためと推測される。
また、ヒートシンクを構成するアルミニウム板を耐力が９５Ｎ／ｍｍ２で厚さ５．０ｍｍ（Ａｌ−Ｓｉ合金）とした比較例２、耐力が１４５Ｎ／ｍｍ２で厚さ１．０ｍｍ（Ａ６０６３合金）とした比較例３においては、ヒートシンクの強度が不十分であってヒートシンクに変形が生じた。 In Comparative Example 1 in which the proof stress of the second metal plate was 35 N / mm 2 , cracks were confirmed in the ceramic substrate. It is presumed that the thermal distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate could not be sufficiently relaxed by the second metal plate.
Further, Comparative Example 2 in which the aluminum plate constituting the heat sink has a proof stress of 95 N / mm 2 and a thickness of 5.0 mm (Al—Si alloy), the proof stress is 145 N / mm 2 and a thickness of 1.0 mm (A6063 alloy). In Comparative Example 3, the heat sink strength was insufficient and the heat sink was deformed.

これに対して、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムからなる第二の金属板と、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上で厚さが２ｍｍ以上とされたヒートシンクと、を備えた実施例１−３においては、セラミックス基板に割れは確認されなかった。また、ヒートシンクの変形も認められなかった。 In contrast, a second metal plate yield strength of from 30 N / mm 2 or less of aluminum, Example yield strength with a heat sink thickness at 100 N / mm 2 or more is equal to or greater than 2 mm, 1-3 No cracks were found in the ceramic substrate. Further, no deformation of the heat sink was observed.

１、１０１、２０１、３０１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０、２１０、３１０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１ ヒートシンク
１２、１１２、２１２、３１２ 天板部
２０、１２０、２２０、３２０ パワーモジュール用基板
２１、１２１、２２１、３２１ セラミックス基板
２２、１２２、２２２、３２２ 第一の金属板
２２Ａ、１２２Ａ、２２２Ａ、３２２Ａ 搭載面
２３、１２３、２２３、３２３ 第二の金属板
３０、１３０、２３０ 接合界面（セラミックス基板／第二の金属板）
３２、１３２、２３２ 添加元素高濃度部
４０、１４０、２４０ 接合界面（第二の金属板／天板部）
５５ 第１溶融金属領域（溶融金属領域）
５６ 第２溶融金属領域（溶融金属領域）
１２５ Ａｌ２Ｏ３層 1, 101, 201, 301 Power module 3 Semiconductor chip (electronic component)
10, 110, 210, 310 Power module substrate with heat sink 11, 111, 211, 311 Heat sink 12, 112, 212, 312 Top plate part 20, 120, 220, 320 Power module substrate 21, 121, 221, 321 Ceramics Substrate 22, 122, 222, 322 First metal plate 22A, 122A, 222A, 322A Mounting surface 23, 123, 223, 323 Second metal plate 30, 130, 230 Bonding interface (ceramic substrate / second metal plate )
32, 132, 232 Additive element high concentration portion 40, 140, 240 Bonding interface (second metal plate / top plate portion)
55 1st molten metal area (molten metal area)
56 Second molten metal region (molten metal region)
125 Al 2 O 3 layers

Claims (15)

セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に接合された第一の金属板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二の金属板と、該第二の金属板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記第一の金属板は、銅又は銅合金で構成され、この第一の金属板の一方の面が電子部品が搭載される搭載面とされており、
前記第二の金属板は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成されており、
前記ヒートシンクは、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上とされ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。 A ceramic substrate, a first metal plate bonded to one surface of the ceramic substrate, a second metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate, and the other surface of the second metal plate A power module substrate with a heat sink comprising a heat sink bonded to the side,
The first metal plate is made of copper or a copper alloy, and one surface of the first metal plate is a mounting surface on which electronic components are mounted,
The second metal plate is made of aluminum having a proof stress of 30 N / mm 2 or less,
The heat sink is made of a metal material having a proof stress of 100 N / mm 2 or more, and has a thickness of 2 mm or more. 前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面又は前記ヒートシンクとの接合界面の少なくともいずれか一方には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、前記第二の金属板のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。   Of the second metal plate, at least one of a bonding interface with the ceramic substrate or a bonding interface with the heat sink is made of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, or Li. Any one or two or more additive elements are in solid solution, and the total concentration of the additive elements in the vicinity of the bonding interface in the second metal plate is in the range of 0.01% by mass to 5% by mass. The power module substrate with a heat sink according to claim 1, wherein the power module substrate has a heat sink. 前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の濃度が、前記第二の金属板中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。   Of the second metal plate, at one or two or more additive elements of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li are bonded to the ceramic substrate. 3. The heat sink with heat sink according to claim 1, wherein a high concentration portion of an additive element having a concentration of at least twice the concentration of the additive element in the second metal plate is formed. Power module substrate. 前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、
前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成され、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下とされていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。 The additive element high concentration portion is formed at the bonding interface with the ceramic substrate in the second metal plate,
The ceramic substrate is made of Al 2 O 3 , and the bonding interface including the high concentration portion of the additive element formed at the bonding interface with the ceramic substrate is analyzed by energy dispersive X-ray analysis Al, additive element, 4. The power module substrate with a heat sink according to claim 3, wherein the mass ratio of O is Al: additive element: O = 50 to 90 mass%: 1 to 30 mass%: 45 mass% or less. . 前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、
前記セラミックス基板がＡｌＮで構成され、前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。 The additive element high concentration portion is formed at the bonding interface with the ceramic substrate in the second metal plate,
The ceramic substrate is made of AlN, and Al, additive elements, O, and N are analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the joint interface including the high concentration portion of the additive element formed at the joint interface with the ceramic substrate. The mass ratio of Al: additive element: O: N = 50 to 90% by mass: 1 to 30% by mass: 1 to 10% by mass: 25% by mass or less. Power module board with heat sink. 前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面に、前記添加元素高濃度部が形成されており、
前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成され、前記添加元素がＣｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上とされており、
前記セラミックス基板との接合界面に形成された前記添加元素高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、添加元素、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：添加元素：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜３０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。 The additive element high concentration portion is formed at the bonding interface with the ceramic substrate in the second metal plate,
The ceramic substrate is made of Si 3 N 4 , and the additive element is one or more of Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, Li,
The mass ratio of Al, Si, additive elements, O, and N analyzed by energy dispersive X-ray analysis of the joint interface including the high concentration portion of the additive element formed at the joint interface with the ceramic substrate is Al: 4. Si: additive element: O: N = 15 to 45% by mass: 15 to 45% by mass: 1 to 30% by mass: 2 to 20% by mass: 25% by mass or less A power module substrate with a heat sink as described. 前記セラミックス基板がＡｌＮからなり、前記セラミックス基板のうち少なくとも一方の面には、Ａｌ２Ｏ３層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。 The ceramic substrate is made of AlN, on at least one surface of said ceramic substrate from claim 1, characterized in that the Al 2 O 3 layer is formed of any one of claims 3 Power module substrate with heat sink. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記第一の金属板上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。   A power module comprising the power module substrate with a heat sink according to any one of claims 1 to 7 and an electronic component mounted on the first metal plate. セラミックス基板と、該セラミックス基板の一方の面に接合された第一の金属板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された第二の金属板と、該第二の金属板の他方の面側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記第一の金属板は、銅又は銅合金で構成され、前記第二の金属板は、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウムで構成され、前記ヒートシンクは、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成されており、
前記第一の金属板と前記セラミックス基板とを接合する銅板接合工程と、前記第二の金属板と前記セラミックス基板とを接合するアルミニウム板接合工程と、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程と、を備えており、
前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記第二の金属板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記第二の金属板を接合す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の製造方法。 A ceramic substrate, a first metal plate bonded to one surface of the ceramic substrate, a second metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate, and the other surface of the second metal plate A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, comprising:
The first metal plate is made of copper or a copper alloy, the second metal plate is made of aluminum having a yield strength of 30 N / mm 2 or less, and the heat sink is a metal having a yield strength of 100 N / mm 2 or more. Composed of materials,
A copper plate joining step for joining the first metal plate and the ceramic substrate; an aluminum plate joining step for joining the second metal plate and the ceramic substrate; and the second metal plate and the heat sink. A heat sink joining process for joining,
In at least one of the aluminum plate bonding step and the heat sink bonding step, any one of Si, Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li is formed on the bonding interface of the second metal plate. A method for producing a power module substrate with a heat sink, wherein one or two or more additional elements are arranged and the second metal plate is joined. 前記アルミニウム板接合工程又は前記ヒートシンク接合工程のうち少なくともいずれか一方においては、前記添加元素が前記第二の金属板側に向けて拡散することにより、接合界面に溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることによって接合することを特徴とする請求項９に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   In at least one of the aluminum plate bonding step and the heat sink bonding step, the additive element diffuses toward the second metal plate, thereby forming a molten metal region at the bonding interface. The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to claim 9, wherein the metal regions are joined by solidifying. 前記第二の金属板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 The amount of the additive element disposed at the bonding interface of the second metal plate is within a range of 0.01 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less. The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink of description. 前記銅板接合工程の前に、前記セラミックス基板の少なくとも一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程を行うことを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 12. The alumina layer forming step of forming an Al 2 O 3 layer on at least one surface of the ceramic substrate is performed before the copper plate bonding step. Of manufacturing a power module substrate with a heat sink. 前記アルミニウム板接合工程と前記ヒートシンク接合工程とを同時に行うことを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to any one of claims 9 to 12, wherein the aluminum plate joining step and the heat sink joining step are performed simultaneously. 前記第二の金属板の接合界面に、前記添加元素とともにアルミニウムを配置することを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to any one of claims 9 to 13, wherein aluminum is disposed together with the additive element at a bonding interface of the second metal plate. 蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記第二の金属板の接合界面に前記添加元素を配置することを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。   15. The additive element is arranged at a bonding interface of the second metal plate by means selected from vapor deposition, CVD, sputtering, plating, or paste application. The manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink as described in any one of Claims.
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