JP5935292B2 - Method for manufacturing power module substrate, method for manufacturing power module substrate with heat sink - Google Patents

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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パワーモジュール用基板の製造方法、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, a large current, a method of manufacturing a power module substrate used in a semiconductor device for controlling a high voltage is relates to the production how the substrate for a power module 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回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板が用いられる。このパワーモジュール用基板においては、金属層を介してヒートシンクが接続され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板とされる。また、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとされる。 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 substrate in which a circuit layer is formed on one surface side of a ceramic substrate made of silicon nitride and the like and a metal layer is formed on the other surface side of the ceramic substrate is used. In this power module substrate, a heat sink is connected via a metal layer to form a power module substrate with a heat sink. Moreover, a semiconductor element as a power element is mounted on the circuit layer via a solder layer to form a power module.

上述のパワーモジュール用基板として、例えば特許文献１には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板をろう付けして回路層とし、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板をろう付けして金属層としたものが提案されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に金属板を接合して回路層とし、セラミックス基板の他方の面側に、鋳造法によってアルミニウム層を形成して金属層としたパワーモジュール用基板が開示されている。 As the above-described power module substrate, for example, in Patent Document 1, an aluminum plate is brazed to one surface of a ceramic substrate to form a circuit layer, and an aluminum plate is brazed to the other surface of the ceramic substrate to form a metal layer. What has been proposed.
In Patent Document 2, a metal plate is joined to one surface of a ceramic substrate to form a circuit layer, and an aluminum layer is formed by casting on the other surface side of the ceramic substrate to form a metal layer. A substrate is disclosed.

上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差によって熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合信頼性が低下するおそれがあった。ここで、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さな金属で回路層及び金属層を構成し、熱応力を回路層及び金属層の変形によって吸収することにより、接合信頼性の向上を図ることが可能となる。特に、ヒートシンクを接続した場合には、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よって熱応力が発生するため、金属層によって熱応力を十分に吸収する必要がある。   In the power module described above, a heat cycle is loaded during use. Then, thermal stress acts on the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer and the metal layer due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and aluminum, and the bonding reliability between the ceramic substrate and the circuit layer and metal layer decreases. There was a risk. Here, the circuit layer and the metal layer are made of a metal having a relatively small deformation resistance such as aluminum having a purity of 99.99% by mass or more (so-called 4N aluminum), and the thermal stress is absorbed by the deformation of the circuit layer and the metal layer. As a result, it is possible to improve the bonding reliability. In particular, when a heat sink is connected, thermal stress is generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate, so that it is necessary to sufficiently absorb the thermal stress by the metal layer.

ところで、回路層を、４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さな金属で構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。回路層の表面にうねりやシワが発生した場合には、はんだ層にクラックが発生し、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
特に、最近では、環境負荷の観点から、はんだ層として、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ材が使用されることが多くなっている。これらの鉛フリーはんだ材は、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ材に比べて変形しにくく、回路層のうねりやシワによって、はんだ層にクラックが生じやすい傾向にある。
また、最近は、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。 By the way, when the circuit layer is made of a metal having a relatively small deformation resistance such as 4N aluminum, there is a problem that undulations and wrinkles are generated on the surface of the circuit layer when a thermal cycle is applied. When waviness or wrinkles occur on the surface of the circuit layer, cracks occur in the solder layer, and the reliability of the power module is reduced.
In particular, recently, Sn-Ag-based and Sn-Cu-based lead-free solder materials are often used as solder layers from the viewpoint of environmental load. These lead-free solder materials are less likely to be deformed than conventional Sn-Pb solder materials, and cracks tend to occur in the solder layer due to waviness and wrinkles of the circuit layer.
Recently, power modules have become smaller and thinner, and the usage environment has become harsh, and the amount of heat generated from electronic components such as semiconductor elements has increased. Therefore, undulations and wrinkles tend to occur on the surface of the circuit layer.

ここで、例えば特許文献２には、回路層として銅板を用いたものが開示されている。回路層を銅板で構成した場合には、銅板の変形抵抗がアルミニウムに比べて大きいことから、回路層におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
また、特許文献２では、セラミックス基板の他方の面側にアルミニウムからなる金属層を形成することで、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よる熱応力を吸収し、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合信頼性の向上を図っている。 Here, for example, Patent Document 2 discloses a circuit layer using a copper plate. When the circuit layer is made of a copper plate, the deformation resistance of the copper plate is larger than that of aluminum, so that it is possible to suppress the occurrence of waviness and wrinkles in the circuit layer.
Further, in Patent Document 2, by forming a metal layer made of aluminum on the other surface side of the ceramic substrate, the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink and the ceramic substrate is absorbed, and the ceramic substrate, the circuit layer, Improvement of the bonding reliability with the metal layer is achieved.

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２においては、セラミックス基板の一方の面側に銅板を例えば８００℃で接合した後に、セラミックス基板の他方の面側に、鋳造法によってアルミニウムからなる金属層を形成している。
ここで、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合した状態で加熱した場合には、セラミックス基板に大きな反りが生じ、セラミックス基板に割れが発生したり、鋳造法によって形成される金属層の厚さが大きくばらついたりしてしまうおそれがあった。また、金属層の内部にブローホール等の鋳造欠陥が発生し、金属層が脆くなったり、熱伝導性が低下したりするおそれがあった。 By the way, in patent document 2, after bonding a copper plate to one surface side of a ceramic substrate at 800 ° C., for example, a metal layer made of aluminum is formed on the other surface side of the ceramic substrate by a casting method.
Here, when heating is performed with a copper plate bonded to one surface of the ceramic substrate, the ceramic substrate is greatly warped, the ceramic substrate is cracked, or the thickness of the metal layer formed by the casting method There was a risk that the would vary greatly. Further, casting defects such as blow holes are generated inside the metal layer, which may cause the metal layer to become brittle or reduce thermal conductivity.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板に大きな反りが生じることがなく、かつ、金属層においてブローホール等の欠陥が発生することなく、回路層が銅板で構成されるとともに金属層がアルミニウム板で構成されたパワーモジュール用基板を安定して製造することができるパワーモジュール用基板の製造方法、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, and the circuit layer is made of a copper plate without causing a large warp in the ceramic substrate and without causing defects such as blow holes in the metal layer. method of manufacturing a power module substrate which may be a metal layer is stably produce a power module substrate which is made of aluminum plate while being the object of providing a manufacturing how the substrate for a power module with a heat sink To do.

このような課題を解決して、上述の目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記銅板接合工程では、前記銅板と前記セラミックス基板とを、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金にＩｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加され、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた厚さ１０〜１００μｍの接合材を用いて、積層方向に圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ ２ で加圧した状態で接合する構成とされており、前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above-described object, a method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes a circuit layer formed on one surface of a ceramic substrate, and the other surface of the ceramic substrate. A power module substrate manufacturing method in which a metal layer is formed on the side, a copper plate joining step of forming a circuit layer by joining a copper plate made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate; An aluminum plate joining step of joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate to form the metal layer, and in the copper plate joining step, the copper plate and the ceramic substrate the, in the Ag-Cu-Ti-based alloy, Bi, Li, one or more kinds of low melting point element selected from Sn is added, the solid phase temperature is the Using aluminum plate bonding material having a thickness of 10~100μm which is less than the melting point of which is configured to be joined in a state pressurized with a pressure 1~35kgf / cm 2 in the stacking direction, the said copper plate bonding step The aluminum plate joining step is performed simultaneously.

この構成のパワーモジュール用基板の製造方法においては、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を同時に行う構成とされていることから、接合時においてセラミックス基板に生じる反りを抑えることができ、セラミックス基板の割れを防止することができる。また、金属層がアルミニウム板を接合することで形成されているので、金属層の内部にブローホール等の欠陥がなく、金属層が脆くなったり、熱伝導性が部分的に低下することがない。
また、銅板接合工程において、固相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた接合材を用いて前記銅板と前記セラミックス基板とを接合する構成としていることから、アルミニウム板の融点未満の温度条件でおいても、銅板と前記セラミックス基板とを確実に接合することができる。 In the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, a copper plate joining step of joining a copper plate made of copper or a copper alloy to form the circuit layer, and the other surface of the ceramic substrate is made of aluminum or an aluminum alloy. Since the aluminum plate joining step of joining the aluminum plate to form the metal layer is performed at the same time, warpage generated in the ceramic substrate during joining can be suppressed, and cracking of the ceramic substrate can be prevented. be able to. In addition, since the metal layer is formed by joining the aluminum plates, there is no defect such as a blow hole inside the metal layer, and the metal layer does not become brittle or the thermal conductivity is not partially lowered. .
In addition, in the copper plate joining step, the solid state temperature is configured to join the copper plate and the ceramic substrate using a joining material whose melting point is less than the melting point of the aluminum plate. However, the copper plate and the ceramic substrate can be reliably bonded.

また、前記接合材は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされているので、接合材の固相温度を前記アルミニウム板の融点未満とすることができ、銅板接合工程において、アルミニウム板の融点未満の温度条件でも、前記銅板と前記セラミックス基板とを強固に接合することができる。 Moreover, since the said joining material is set as the structure by which the 1 type (s) or 2 or more types of low melting-point element selected from In, Bi, Li, and Sn was added to the Ag-Cu-Ti type alloy, it is a joining material. The solid phase temperature of the aluminum plate can be lower than the melting point of the aluminum plate, and the copper plate and the ceramic substrate can be firmly bonded even in a temperature condition lower than the melting point of the aluminum plate in the copper plate bonding step.

前記アルミニウム板接合工程は、前記セラミックス基板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域を形成することが好ましい。
この場合、アルミニウム板とセラミックス基板とが、いわゆる液相拡散接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているので、アルミニウム板とセラミックス基板とを強固に接合でき、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。 In the aluminum plate joining step, at least one of a joining surface of the ceramic substrate and a joining surface of the aluminum plate is selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li, or A fixing step of fixing two or more kinds of additive elements to form a fixing layer containing the additional element, a stacking step of stacking the ceramic substrate and the aluminum plate via the fixing layer, and the stacked ceramics The ceramic substrate by pressurizing and heating the substrate and the aluminum plate in the laminating direction to form a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the aluminum plate, and solidifying the molten metal region And a solidification step for joining the aluminum plate, and in the heating step, By diffusing hydrogen in the aluminum plate side, the interface between the ceramic substrate and the aluminum plate, it is preferable to form the molten metal area.
In this case, since the aluminum plate and the ceramic substrate are bonded together by a so-called liquid phase diffusion bonding method, the aluminum plate and the ceramic substrate can be firmly bonded, and power with excellent bonding reliability. Module substrates can be manufactured.

前記銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
この場合、回路層となる銅板の再結晶温度が１５０℃以下とされているので、使用条件下でも銅板が再結晶することになり、回路層が必要以上に硬くならず、回路層及びセラミックス基板における亀裂の発生を抑制することができる。
なお、本明細書における再結晶温度とは、アルゴン雰囲気中で３６００秒熱処理した場合に引張強度が完全焼鈍時と冷間加工（冷間加工率５０％）時との差の中間値になった時の加熱温度とする。
また、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅は、例えば純度が９９．９９９質量％以上のいわゆる５ＮＣｕ，６ＮＣｕを用いることができる。 The copper plate is preferably made of copper or a copper alloy having a recrystallization temperature of 150 ° C. or lower.
In this case, since the recrystallization temperature of the copper plate serving as the circuit layer is 150 ° C. or less, the copper plate is recrystallized even under use conditions, and the circuit layer does not become harder than necessary. The generation of cracks in can be suppressed.
In addition, the recrystallization temperature in this specification is an intermediate value of the difference between the time of complete annealing and the time of cold working (cold working rate 50%) when heat-treated in an argon atmosphere for 3600 seconds. The heating temperature of the hour.
As the copper having a recrystallization temperature of 150 ° C. or lower, for example, so-called 5NCu, 6NCu having a purity of 99.999% by mass or more can be used.

前記アルミニウム板は、純度が９９．９８質量％以上のアルミニウムで構成されていることが好ましい。
この場合、金属層を構成するアルミニウム板が、純度９９．９８質量％以上とされているので、比較的変形抵抗が小さく、熱応力を効率的に吸収することができる。 The aluminum plate is preferably made of aluminum having a purity of 99.98% by mass or more.
In this case, since the aluminum plate constituting the metal layer has a purity of 99.98% by mass or more, the deformation resistance is relatively small and the thermal stress can be absorbed efficiently.

前記銅板の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、前記アルミニウム板の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされており、さらに、ｔｃ＜ｔａとされていることが好ましい。
この場合、前記銅板の厚さｔｃと前記アルミニウム板の厚さｔａとがｔｃ＜ｔａとされているので、セラミックス基板の一方の面側の剛性と他方の面側の剛性とが大きく異なることがなく、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。
また、銅板の厚さｔｃが、ｔｃ≧０．１ｍｍとされているので、回路層における導電性を確保することができる。また、銅板の厚さｔｃが、ｔｃ≦０．６ｍｍとされているので、回路層の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
さらに、アルミニウム板の厚さｔａが、ｔａ≧０．４ｍｍとされているので、金属層において熱応力を確実に吸収することができる。また、アルミニウム板の厚さｔａが、ｔａ≦３．０ｍｍとされているので、熱抵抗を抑えることができ、ヒートシンク側に熱を効率良く放散することができる。 The thickness tc of the copper plate is 0.1 mm ≦ tc ≦ 0.6 mm, the thickness ta of the aluminum plate is 0.4 mm ≦ ta ≦ 3.0 mm, and tc <ta. It is preferable.
In this case, since the thickness tc of the copper plate and the thickness ta of the aluminum plate are set to tc <ta, the rigidity on one surface side of the ceramic substrate and the rigidity on the other surface side may be greatly different. Therefore, the occurrence of warpage of the ceramic substrate can be suppressed.
Further, since the thickness tc of the copper plate is tc ≧ 0.1 mm, the conductivity in the circuit layer can be ensured. Moreover, since the thickness tc of the copper plate is set to tc ≦ 0.6 mm, the deformation resistance of the circuit layer does not increase more than necessary, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate can be suppressed.
Furthermore, since the thickness ta of the aluminum plate is set to ta ≧ 0.4 mm, the thermal stress can be reliably absorbed in the metal layer. Further, since the thickness ta of the aluminum plate is set to ta ≦ 3.0 mm, the thermal resistance can be suppressed, and heat can be efficiently dissipated to the heat sink side.

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、上述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板に、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクが配設され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、前記ヒートシンクと前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を有することを特徴としている。
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、上述のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板に、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクが配設され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、前記ヒートシンクと前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を有し、前記銅板接合工程と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している。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層となる銅板と、セラミックス基板と、金属層となるアルミニウム板と、ヒートシンクと、同時に接合することから、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。また、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低減することができる。 The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention comprises a power module substrate manufactured by the above-described method for manufacturing a power module substrate, and a power module with a heat sink provided with a heat sink for cooling the power module substrate. A method for manufacturing a module substrate, comprising a heat sink joining step for joining the heat sink and the metal layer.
The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention comprises a power module substrate manufactured by the above-described method for manufacturing a power module substrate, and a power module with a heat sink provided with a heat sink for cooling the power module substrate. A method for manufacturing a module substrate, comprising: a heat sink joining step for joining the heat sink and the metal layer, wherein the copper plate joining step, the aluminum plate joining step, and the heat sink joining step are performed simultaneously. Yes.
According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink having this structure, the copper plate serving as the circuit layer, the ceramic substrate, the aluminum plate serving as the metal layer, and the heat sink are simultaneously bonded, so that the warpage of the ceramic substrate occurs. Can be suppressed. Moreover, the manufacturing cost of the power module substrate with a heat sink can be reduced.

本発明によれば、セラミックス基板に大きな反りが生じることがなく、かつ、金属層においてブローホール等の欠陥が発生することなく、回路層が銅板で構成されるとともに金属層がアルミニウム板で構成されたパワーモジュール用基板を安定して製造することができるパワーモジュール用基板の製造方法、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可能となる。 According to the present invention, the circuit layer is made of a copper plate and the metal layer is made of an aluminum plate without causing a large warp in the ceramic substrate and without causing defects such as blow holes in the metal layer. method of manufacturing a power module substrate which may be a power module substrate manufactured stably with, it is possible to provide a manufacturing how the substrate for a power module with a heat sink.

本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 図１に示すパワーモジュールの製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the manufacturing method of the power module shown in FIG. 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is the 1st Embodiment of this invention. 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール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 power module with a heat sink shown in FIG. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）の金属層のセラミックス基板との界面における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 in the interface with the ceramic substrate of the metal layer of the board | substrate for power modules (power module board with a heat sink) which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）の金属層及びヒートシンク（放熱板）における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 in the metal layer and heat sink (heat sink) of the board | substrate for power modules (power module board | substrate with a heat sink) which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）のフロー図である。It is a flowchart of the board | substrate for power modules (power module board | substrate with a heat sink) which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板（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 (power module board | substrate with a heat sink) which is the 2nd Embodiment of this invention. 図９における金属層とセラミックス基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 metal layer and ceramic substrate in FIG. 図９における金属層とヒートシンク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 metal layer and heat sink in FIG.

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a power module substrate, a power module substrate with a heat sink, and a power module according to the first embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor element 3 bonded to the surface of the circuit layer 12 via a solder layer 2, and the other side of the power module substrate 10 ( And a heat sink 40 disposed on the lower side in FIG. Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 12 and the solder layer 2.

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さｔｓは、０．２ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．６３５ｍｍに設定されている。 The power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is made of highly insulating AlN (aluminum nitride). Further, the thickness ts of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 mm ≦ ts ≦ 1.5 mm, and in the present embodiment, ts = 0.635 mm.

回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。この銅板２２は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、純度が９９．９９９質量％以上の５ＮＣｕで構成されている。なお、再結晶温度とは、アルゴン雰囲気中で３６００秒熱処理した場合に引張強度が完全焼鈍時と冷間加工（冷間加工率５０％）時との差の中間値になった時の加熱温度とする。   As shown in FIG. 3, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 11. The copper plate 22 is made of copper or a copper alloy having a recrystallization temperature of 150 ° C. or lower. In this embodiment, the copper plate 22 is made of 5NCu having a purity of 99.999% by mass or more. The recrystallization temperature is the heating temperature when the tensile strength becomes an intermediate value between the difference between the complete annealing and the cold working (cold working rate 50%) when heat-treated in an argon atmosphere for 3600 seconds. And

金属層１３は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。   As shown in FIG. 3, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11. In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by bonding a metal plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 11.

ここで、図１に示すように、回路層１２の厚さｔｃ及び金属層１３の厚さｔａは、回路層１２の厚さｔｃが０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、金属層１３の厚さｔａが０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされ、かつ、ｔｃ＜ｔａとなるように構成されている。本実施形態では、ｔｃ＝０．３ｍｍ、ｔａ＝２．０ｍｍとされている。   Here, as shown in FIG. 1, the thickness tc of the circuit layer 12 and the thickness ta of the metal layer 13 are such that the thickness tc of the circuit layer 12 is 0.1 mm ≦ tc ≦ 0.6 mm. The thickness ta is 0.4 mm ≦ ta ≦ 3.0 mm and tc <ta. In the present embodiment, tc = 0.3 mm and ta = 2.0 mm.

ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２と、を備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。   The heat sink 40 is for cooling the power module substrate 10 described above, and a top plate portion 41 joined to the power module substrate 10 and a flow path 42 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). And. The heat sink 40 (top plate portion 41) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.

以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール１の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。このパワーモジュール１の製造方法は、図２に示すように、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合する銅板接合工程Ｓ０１と、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合するアルミニウム板接合工程Ｓ０２と、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ０３と、回路層１２の一面に半導体素子３を接合する半導体素子接合工程Ｓ０４と、を備えている。   Below, the manufacturing method of the board | substrate 10 for power modules which is this embodiment, the board | substrate for power modules with a heat sink, and the power module 1 is demonstrated with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the manufacturing method of the power module 1 includes a copper plate joining step S01 for joining the copper plate 22 and the ceramic substrate 11, an aluminum plate joining step S02 for joining the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23, A heat sink joining step S03 for joining the power module substrate 10 and the heat sink 40 and a semiconductor element joining step S04 for joining the semiconductor element 3 to one surface of the circuit layer 12 are provided.

（銅板接合工程Ｓ０１／アルミニウム板接合工程Ｓ０２）
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側（図３において上側）に、第１ろう材２４を介して銅板２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側（図３において下側）に第２ろう材２５を介してアルミニウム板２３を積層する。
ここで、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との間に介在される第２ろう材２５は、Ａｌ−Ｓｉ系合金とされており、本実施形態では、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉからなる厚さ５〜３０μｍのろう材箔を用いている。 (Copper plate joining step S01 / aluminum plate joining step S02)
First, as shown in FIG. 3, a copper plate 22 is laminated on one surface side (upper side in FIG. 3) of the ceramic substrate 11 via a first brazing material 24. Further, an aluminum plate 23 is laminated on the other surface side (lower side in FIG. 3) of the ceramic substrate 11 with a second brazing material 25 interposed therebetween.
Here, the second brazing material 25 interposed between the aluminum plate 23 and the ceramic substrate 11 is an Al—Si alloy, and in the present embodiment, the thickness is made of Al-7.5 mass% Si. A brazing material foil having a thickness of 5 to 30 μm is used.

そして、銅板２２とセラミックス基板１１との間に介在される第１ろう材２４は、その固相温度がアルミニウム板２３の融点未満とされている。具体的には、第１ろう材２４は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された構成とされており、本実施形態では、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金とされている。また、第１ろう材２４の厚さは１０〜１００μｍとされている。   The first brazing material 24 interposed between the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 has a solid phase temperature lower than the melting point of the aluminum plate 23. Specifically, the first brazing material 24 is configured such that one or more low melting point elements selected from In, Bi, Li, and Sn are added to an Ag—Cu—Ti alloy. In this embodiment, an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy is used. The thickness of the first brazing material 24 is 10 to 100 μm.

次に、積層された銅板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３を、積層方向に加圧（圧力１．５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１との界面に第１溶融金属領域２７を形成し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３との界面に第２溶融金属領域２８を形成する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。 Next, the laminated copper plate 22, the ceramic substrate 11, and the aluminum plate 23 are charged and heated in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized (pressure 1.5 to 35 kgf / cm 2 ) in the laminating direction. A first molten metal region 27 is formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the ceramic substrate 11, and a second molten metal region 28 is formed at the interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23.
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 630 ° C. to 655 ° C.

ついで、上述の第１溶融金属領域２７及び第２溶融金属領域２８を凝固させることによって、銅板２２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合する。すなわち、銅板接合工程Ｓ０１とアルミニウム板接合工程Ｓ０２とが同時に実施されているのである。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出される。 Next, the copper plate 22 and the ceramic substrate 11, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are joined by solidifying the first molten metal region 27 and the second molten metal region 28. That is, the copper plate joining step S01 and the aluminum plate joining step S02 are performed simultaneously.
In this way, the power module substrate 10 according to the present embodiment is produced.

（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方側（図４において下側）に、ろう材２６を介してヒートシンク４０を積層する。このろう材２６は、第１ろう材２４、第２ろう材２５よりも固相温度が低い合金で構成されており、本実施形態では、Ａｌ―１０質量％Ｓｉ合金とされている。また、ろう材２６の厚さは５０〜１００μｍとされている。 (Heat sink joining step S03)
Next, as shown in FIG. 4, a heat sink 40 is laminated on the other side (lower side in FIG. 4) of the metal layer 13 of the power module substrate 10 via a brazing material 26. The brazing material 26 is made of an alloy having a lower solid phase temperature than the first brazing material 24 and the second brazing material 25, and is an Al-10 mass% Si alloy in this embodiment. The brazing material 26 has a thickness of 50 to 100 μm.

積層されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを積層方向に加圧（圧力１．５〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属層１３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域２９を形成する。
そして、この溶融金属領域２９を凝固させることで、ヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とを接合する。このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製出される。 The stacked power module substrate 10 and the heat sink 40 are charged in the stacking direction (pressure 1.5 to 35 kgf / cm 2 ) and charged in a vacuum heating furnace to be heated, and the metal layer 13 and the heat sink 40 are heated. A molten metal region 29 is formed between the two.
Then, the heat sink 40 and the power module substrate 10 are joined by solidifying the molten metal region 29. In this way, the power module substrate with a heat sink according to the present embodiment is produced.

（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、回路層１２の表面に形成されたＮｉメッキ層（図示なし）の上に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する。これにより、半導体素子３が、はんだ層２を介してパワーモジュール用基板１０上に接合され、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。 (Semiconductor element bonding step S04)
Next, the semiconductor element 3 is placed on a Ni plating layer (not shown) formed on the surface of the circuit layer 12 via a solder material, and soldered in a reduction furnace. Thereby, the semiconductor element 3 is joined on the board | substrate 10 for power modules via the solder layer 2, and the power module 1 which is this embodiment is produced.

以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１２が、変形抵抗が比較的大きい銅板２２によって構成されているので、回路層１２表面におけるうねりやシワの発生を抑制することができる。よって、鉛フリーはんだ材を用いた場合であっても、はんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができる。
特に、本実施形態では、銅板２２が、再結晶温度が１５０℃以下の５ＮＣｕで構成されているので、銅板２２が再結晶することにより回路層１２が必要以上に硬くならず、回路層１２やセラミックス基板１１に亀裂が生じることを抑制することができる。 According to the present embodiment configured as described above, since the circuit layer 12 is configured by the copper plate 22 having a relatively large deformation resistance, the occurrence of waviness and wrinkles on the surface of the circuit layer 12 can be suppressed. it can. Therefore, even when a lead-free solder material is used, the occurrence of cracks in the solder layer 2 can be suppressed.
In particular, in this embodiment, since the copper plate 22 is made of 5NCu having a recrystallization temperature of 150 ° C. or less, the circuit layer 12 is not hardened more than necessary due to the recrystallization of the copper plate 22, and the circuit layer 12 or It is possible to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11.

また、ヒートシンク４０とセラミックス基板１１との間に介在する金属層１３が、アルミニウム板２３で構成され、本実施形態では、４Ｎアルミニウムで構成されているので、セラミックス基板１１とヒートシンク４０との熱膨張係数の差によって生じる熱応力を金属層１３の変形によって吸収することができ、セラミックス基板１１の割れの防止及びヒートシンク４０とセラミックス基板１１との接合信頼性の向上を図ることができる。   Further, since the metal layer 13 interposed between the heat sink 40 and the ceramic substrate 11 is composed of the aluminum plate 23 and is composed of 4N aluminum in this embodiment, thermal expansion between the ceramic substrate 11 and the heat sink 40 is performed. The thermal stress caused by the difference in the coefficients can be absorbed by the deformation of the metal layer 13, so that the ceramic substrate 11 can be prevented from cracking and the bonding reliability between the heat sink 40 and the ceramic substrate 11 can be improved.

そして、本実施形態では、回路層１２を形成する銅板接合工程Ｓ０１と、金属層１３を形成するアルミニウム板接合工程Ｓ０２とを、同時に実施する構成としているので、パワーモジュール用基板１１を製造する際に、セラミックス基板１１における反りの発生を抑えることができ、セラミックス基板１１の割れを防止することができる。また、アルミニウム板２３を接合することで金属層１３を形成しているので、金属層１３の内部にブローホール等の欠陥がない。   In this embodiment, the copper plate bonding step S01 for forming the circuit layer 12 and the aluminum plate bonding step S02 for forming the metal layer 13 are performed at the same time. Therefore, when the power module substrate 11 is manufactured, Further, the occurrence of warpage in the ceramic substrate 11 can be suppressed, and the ceramic substrate 11 can be prevented from cracking. In addition, since the metal layer 13 is formed by bonding the aluminum plate 23, there is no defect such as a blow hole inside the metal layer 13.

また、銅板接合工程Ｓ０１において、固相温度がアルミニウム板２３の融点未満とされた第１ろう材２４を用いているので、アルミニウム板２３の融点未満の温度条件でおいても、銅板２２とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。
本実施形態では、第１ろう材２４として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金にＩｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素を添加した合金、具体的には、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金を用いているので、固相温度が６２０℃となり、アルミニウム板２３の融点未満の温度条件で銅板２２とセラミックス基板１１とを強固に接合することができる。 Further, since the first brazing material 24 whose solid phase temperature is lower than the melting point of the aluminum plate 23 is used in the copper plate bonding step S01, the copper plate 22 and the ceramics can be used even under temperature conditions lower than the melting point of the aluminum plate 23. The substrate 11 can be reliably bonded.
In the present embodiment, the first brazing material 24 is an alloy in which one or more low melting point elements selected from In, Bi, Li, and Sn are added to an Ag—Cu—Ti alloy, specifically, , Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy is used, so that the solid phase temperature is 620 ° C., and the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 are bonded under a temperature condition lower than the melting point of the aluminum plate 23. It can be firmly joined.

本実施形態では、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃとアルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さｔａとがｔｃ＜ｔａとされているので、セラミックス基板１１の一方の面側の剛性と他方の面側の剛性とが大きく異なることがなく、セラミックス基板１１の反りの発生を抑制することができる。
また、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃが、ｔｃ≧０．１ｍｍとされているので、回路層１２における導電性を確保することができる。また、銅板２２からなる回路層１２の厚さｔｃが、ｔｃ≦０．６ｍｍとされているので、回路層１２の変形抵抗が必要以上に大きくならず、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。
さらに、アルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さｔａが、ｔａ≧０．４ｍｍとされているので、金属層１３において熱応力を確実に吸収することができる。また、アルミニウム板２３からなる金属層１３の厚さが、ｔａ≦３．０ｍｍとされているので、熱抵抗を抑えることができ、ヒートシンク４０側に熱を効率良く放散することができる。 In this embodiment, since the thickness tc of the circuit layer 12 made of the copper plate 22 and the thickness ta of the metal layer 13 made of the aluminum plate 23 are set to tc <ta, the rigidity of one surface side of the ceramic substrate 11 is set. And the rigidity of the other surface side are not significantly different, and the occurrence of warpage of the ceramic substrate 11 can be suppressed.
Further, since the thickness tc of the circuit layer 12 made of the copper plate 22 is set to tc ≧ 0.1 mm, the conductivity in the circuit layer 12 can be ensured. Further, since the thickness tc of the circuit layer 12 made of the copper plate 22 is set to tc ≦ 0.6 mm, the deformation resistance of the circuit layer 12 is not increased more than necessary, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 is suppressed. be able to.
Furthermore, since the thickness ta of the metal layer 13 made of the aluminum plate 23 is set to ta ≧ 0.4 mm, the metal layer 13 can reliably absorb thermal stress. Further, since the thickness of the metal layer 13 made of the aluminum plate 23 is ta ≦ 3.0 mm, the thermal resistance can be suppressed, and heat can be efficiently dissipated to the heat sink 40 side.

以下に、本発明の第２の実施形態について、図５から図１１を参照して説明する。
本実施形態であるパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図５において下側）に配設されたヒートシンク１４０とを備えている。ここで、はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１１２とはんだ層１０２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。 Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The power module 101 according to this embodiment includes a power module substrate 110 on which a circuit layer 112 is disposed, a semiconductor element 103 bonded to the surface of the circuit layer 112 via a solder layer 102, and a power module substrate 110. And a heat sink 140 disposed on the other side (lower side in FIG. 5). Here, the solder layer 102 is made of, for example, Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder. In the present embodiment, a Ni plating layer (not shown) is provided between the circuit layer 112 and the solder layer 102.

パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さｔｓは、０．２ｍｍ≦ｔｓ≦１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、ｔｓ＝０．６３５ｍｍに設定されている。 The power module substrate 110 includes a ceramic substrate 111, a circuit layer 112 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 111, and the other surface (the lower surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 111. And a disposed metal layer 113.
The ceramic substrate 111 prevents electrical connection between the circuit layer 112 and the metal layer 113, and is made of Al 2 O 3 (alumina) having high insulation. In addition, the thickness ts of the ceramic substrate 111 is set within a range of 0.2 mm ≦ ts ≦ 1.5 mm, and in the present embodiment, ts = 0.635 mm.

回路層１１２は、図９に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に、銅板１２２が接合されることにより形成されている。この銅板１２２は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、純度が９９．９９９９質量％以上の６ＮＣｕで構成されている。   As shown in FIG. 9, the circuit layer 112 is formed by bonding a copper plate 122 to one surface of the ceramic substrate 111. The copper plate 122 is made of copper or a copper alloy having a recrystallization temperature of 150 ° C. or lower. In this embodiment, the copper plate 122 is made of 6NCu having a purity of 99.9999% by mass or more.

金属層１１３は、図９に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１１３は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。   As shown in FIG. 9, the metal layer 113 is formed by joining an aluminum plate 123 made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 111. In this embodiment, the metal layer 113 is formed by joining a metal plate 123 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 111.

ここで、図５に示すように、回路層１１２の厚さｔｃ及び金属層１１３の厚さｔａは、回路層１１２の厚さｔｃが０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、金属層１１３の厚さｔａが０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされ、かつ、ｔｃ＜ｔａとなるように構成されている。本実施形態では、ｔｃ＝０．３ｍｍ、ｔａ＝２．０ｍｍとされている。   Here, as shown in FIG. 5, the thickness tc of the circuit layer 112 and the thickness ta of the metal layer 113 are such that the thickness tc of the circuit layer 112 is 0.1 mm ≦ tc ≦ 0.6 mm. The thickness ta is 0.4 mm ≦ ta ≦ 3.0 mm and tc <ta. In the present embodiment, tc = 0.3 mm and ta = 2.0 mm.

ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態では、ヒートシンク１４０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された放熱板とされている。   The heat sink 140 is for cooling the power module substrate 110 described above. In the present embodiment, the heat sink 140 is a heat radiating plate made of aluminum or an aluminum alloy.

そして、図６に示すように、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される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、金属層１１３の接合界面近傍には、接合界面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１３１が形成されている。また、この濃度傾斜層１３１の接合界面側（金属層１１３の接合界面近傍）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、金属層１１３の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図６のグラフは、金属層１１３の中央部分において積層方向にライン分析を行い、縦軸のＣｕ濃度は前述の５０μｍ位置でのＣｕ濃度を基準として求めたものである。 As shown in FIG. 6, at the bonding interface between the ceramic substrate 111 and the metal layer 113, one or more selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li. In this embodiment, Cu is dissolved as an additive element.
Here, in the vicinity of the bonding interface of the metal layer 113, a concentration gradient layer 131 is formed in which the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface increases in the stacking direction. Further, the concentration of the additive element (Cu concentration in the present embodiment) on the bonding interface side of the concentration gradient layer 131 (near the bonding interface of the metal layer 113) is set within a range of 0.01 mass% or more and 5 mass% or less. Has been.
The concentration of the additive element in the vicinity of the bonding interface of the metal layer 113 is an average value measured at five points at a position of 50 μm from the bonding interface by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). In the graph of FIG. 6, line analysis is performed in the stacking direction in the central portion of the metal layer 113, and the Cu concentration on the vertical axis is obtained on the basis of the Cu concentration at the above-described 50 μm position.

また、図７に示すように、金属層１１３とヒートシンク１４０との接合界面においては、金属層１１３及びヒートシンク１４０に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される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、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍には、接合界面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１３６、１３７が形成されている。また、この濃度傾斜層１３６、１３７の接合界面側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍）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、この金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、金属層１１３及びヒートシンク１４０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. 7, the metal layer 113 and the heat sink 140 are selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li at the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 140. One or more additional elements are in solid solution, and in this embodiment, Cu is dissolved as the additional element.
Here, in the vicinity of the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 140, concentration gradient layers 136 and 137 in which the concentration of the additive element (Cu concentration in this embodiment) gradually decreases as the distance from the bonding interface 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 side (near the bonding interface between the metal layer 113 and the heat sink 140) of the concentration gradient layers 136 and 137 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 between the metal layer 113 and the heat sink 140 is an average value measured at 5 points from the bonding interface by EPMA analysis (spot diameter of 30 μm). Further, the graph of FIG. 7 is obtained by performing line analysis in the stacking direction in the central portion of the metal layer 113 and the heat sink 140 and obtaining the above-described concentration at the 50 μm position as a reference.

以下に、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の製造方法について、図８から図１１を参照して説明する。
こ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、銅板１２２とセラミックス基板１１１とを接合する銅板接合工程Ｓ１０１と、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを接合するアルミニウム板接合工程Ｓ１０２と、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４０とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ１０３と、を備えている。 Below, the manufacturing method of the board | substrate for power modules with a heat sink which is this embodiment is demonstrated with reference to FIGS.
The manufacturing method of the power module substrate with a heat sink includes a copper plate bonding step S101 for bonding the copper plate 122 and the ceramic substrate 111, an aluminum plate bonding step S102 for bonding the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123, and a power module substrate. A heat sink joining step S103 for joining 110 and the heat sink 140 to each other.

（銅板接合工程Ｓ１０１／アルミニウム板接合工程Ｓ１０２／ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）
まず、図９に示すように、アルミニウム板１２３の一方の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１２５を形成するとともに、アルミニウム板１２３の他方の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１２６を形成する。ここで、第１固着層１２５及び第２固着層１２６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１２５及び第２固着層１２６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。 (Copper plate bonding step S101 / aluminum plate bonding step S102 / heat sink bonding step S103)
First, as shown in FIG. 9, the additive element (Cu) is fixed to one surface of the aluminum plate 123 by sputtering to form the first fixed layer 125, and the additive element is added to the other surface of the aluminum plate 123 by sputtering. The second fixing layer 126 is formed by fixing (Cu). Here, the amount of added elements in the first fixed layer 125 and the second fixed layer 126 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 125 and the second fixing layer 126 is set to 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less.

そして、図９に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面側（図９において下側）に、アルミニウム板１２３を積層する。さらに、アルミニウム板１２３の他方の面側にヒートシンク１４０を積層する。
さらに、セラミックス基板１１１の一方の面側（図９において上側）に、第１ろう材１２４を介して銅板１２２を積層する。 Then, as shown in FIG. 9, an aluminum plate 123 is laminated on the other surface side (lower side in FIG. 9) of the ceramic substrate 111. Further, a heat sink 140 is laminated on the other surface side of the aluminum plate 123.
Further, a copper plate 122 is laminated on one surface side (upper side in FIG. 9) of the ceramic substrate 111 with a first brazing material 124 interposed therebetween.

ここで、銅板１２２とセラミックス基板１１１との間に介在される第１ろう材１２４は、その液相温度がアルミニウム板１２３の融点未満とされている。具体的には、第１ろう材１２４は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金に、Ｉｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加された合金とされており、本実施形態では、Ａｇ−２４質量％Ｃｕ−２質量％Ｔｉ−１４質量％Ｉｎ合金とされている。また、第１ろう材１２４の厚さは１０〜１００μｍとされている。   Here, the first brazing material 124 interposed between the copper plate 122 and the ceramic substrate 111 has a liquidus temperature lower than the melting point of the aluminum plate 123. Specifically, the first brazing material 124 is an alloy in which one or more low melting point elements selected from In, Bi, Li, and Sn are added to an Ag—Cu—Ti alloy. In this embodiment, an Ag-24 mass% Cu-2 mass% Ti-14 mass% In alloy is used. The thickness of the first brazing material 124 is 10 to 100 μm.

次に、銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４０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。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６３０℃以上６５５℃以下の範囲内に設定している。 Next, the copper plate 122, the ceramic substrate 111, the aluminum plate 123, and the heat sink 140 are charged and heated in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in the stacking direction. 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 630 degreeC or more and 655 degrees C or less.

すると、第１ろう材１２４が溶融することにより、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に第１溶融金属領域１２７が形成される。
また、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３との界面に第２溶融金属領域１２８が形成されるとともに、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との界面に溶融金属領域１２９が形成される。 Then, the first molten metal region 127 is formed at the interface between the copper plate 122 and the ceramic substrate 111 by melting the first brazing material 124.
A second molten metal region 128 is formed at the interface between the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123, and a molten metal region 129 is formed at the interface between the aluminum plate 123 and the heat sink 140.

ここで、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３との界面に形成される第２溶融金属領域１２８は、図１０に示すように、第１固着層１２５の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２３側に拡散することによって、アルミニウム板１２３の第１固着層１２５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。   Here, in the second molten metal region 128 formed at the interface between the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123, as shown in FIG. 10, the additive element (Cu) of the first fixed layer 125 diffuses to the aluminum plate 123 side. As a result, the concentration (Cu concentration) of the additive element in the vicinity of the first fixed layer 125 of the aluminum plate 123 is increased and the melting point is lowered.

また、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との界面に形成される溶融金属領域１２９は、図１１に示すように、第２固着層１２６の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板１２３側及びヒートシンク１４０側に拡散することによって、アルミニウム板１２３及びヒートシンク１４０の第２固着層１２６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。   Further, in the molten metal region 129 formed at the interface between the aluminum plate 123 and the heat sink 140, as shown in FIG. 11, the additive element (Cu) of the second fixing layer 126 diffuses to the aluminum plate 123 side and the heat sink 140 side. By doing so, the concentration (Cu concentration) of the additive element in the vicinity of the second fixed layer 126 of the aluminum plate 123 and the heat sink 140 is increased and the melting point is lowered.

次に、第２溶融金属領域１２８、溶融金属領域１２９、が形成された状態で温度を一定に保持しておく。
すると、第２溶融金属領域１２８中のＣｕが、さらにアルミニウム板１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第２溶融金属領域１２８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１１１とアルミニウム板１２３とが接合される。
同様に、溶融金属領域１２９中のＣｕが、さらにアルミニウム板１２３側及びヒートシンク１４０側へと拡散し、溶融金属領域１２９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、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とが接合される。 Next, the temperature is kept constant with the second molten metal region 128 and the molten metal region 129 formed.
Then, Cu in the second molten metal region 128 further diffuses toward the aluminum plate 123 side. As a result, the Cu concentration in the portion that was the second molten metal region 128 gradually decreases and the melting point increases, and solidification proceeds while the temperature is kept constant. Thereby, the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123 are joined.
Similarly, Cu in the molten metal region 129 further diffuses to the aluminum plate 123 side and the heat sink 140 side, and the Cu concentration in the portion that was the molten metal region 129 gradually decreases and the melting point increases. Thus, solidification proceeds while the temperature is kept constant. Thereby, the aluminum plate 123 and the heat sink 140 are joined.

つまり、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３、及び、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。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。
そして、冷却する過程において、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に形成された第１溶融金属領域１２７が凝固し、銅板１２２とセラミックス基板１１１とが接合される。 That is, the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123, and the aluminum plate 123 and the heat sink 140 are joined by so-called liquid phase diffusion bonding (Transient Liquid Phase Bonding). After solidification progresses in this way, cooling is performed to room temperature.
In the cooling process, the first molten metal region 127 formed at the interface between the copper plate 122 and the ceramic substrate 111 is solidified, and the copper plate 122 and the ceramic substrate 111 are joined.

このようにして、銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４０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が製造されることになる。   In this way, the copper plate 122, the ceramic substrate 111, the aluminum plate 123, and the heat sink 140 are joined, and the power module substrate with a heat sink according to this embodiment is manufactured.

以上のような構成とされた本実施形態によれば、回路層１１２が銅板１２２によって構成され、金属層１１３がアルミニウム板１２３で構成されているので、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
また、本実施形態では、回路層１１２となる銅板１２３と、セラミックス基板１１１と、金属層１１３となるアルミニウム板１２３と、ヒートシンク１４０と、同時に接合する構成とされていることから、接合時におけるセラミックス基板１１１の反りの発生を抑制することができる。また、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低減することができる。 According to the present embodiment configured as described above, since the circuit layer 112 is configured by the copper plate 122 and the metal layer 113 is configured by the aluminum plate 123, the same effect as the first embodiment is obtained. It becomes possible to play.
In the present embodiment, since the copper plate 123 to be the circuit layer 112, the ceramic substrate 111, the aluminum plate 123 to be the metal layer 113, and the heat sink 140 are joined at the same time, the ceramic at the time of joining is used. Generation of warpage of the substrate 111 can be suppressed. Moreover, the manufacturing cost of the power module substrate with a heat sink can be reduced.

さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とが、いわゆる液相拡散接合法によって接合されているので、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを強固に接合でき、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０との接合も、液相拡散接合法によって接合されているので、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４０とを強固に接合できる。 Furthermore, in this embodiment, since the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123 are bonded by a so-called liquid phase diffusion bonding method, the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123 can be firmly bonded, and the bonding reliability is excellent. The power module substrate 10 can be manufactured.
Furthermore, in this embodiment, since the aluminum plate 123 and the heat sink 140 are also joined by the liquid phase diffusion joining method, the aluminum plate 123 and the heat sink 140 can be firmly joined.

また、本実施形態では、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍及びヒートシンク１４０との接合界面近傍に、添加元素であるＣｕが固溶しているので、金属層１１３の接合界面近傍の強度を向上させることができる。
具体的には、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、金属層１１３の接合界面側部分を確実に強化することができ、金属層１１３における亀裂の発生を防止できる。また、金属層１１３のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、金属層１１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、このパワーモジュール用基板１１０に熱サイクルが負荷された際の熱応力を金属層１１３で吸収することができ、セラミックス基板１１１の割れ等を防止できる。 In the present embodiment, Cu, which is an additive element, is dissolved in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 111 and the bonding interface with the heat sink 140 in the metal layer 113, so that the vicinity of the bonding interface of the metal layer 113. The strength of can be improved.
Specifically, since the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 111 in the metal layer 113 is 0.05 mass% or more, the bonding interface side portion of the metal layer 113 can be reliably strengthened. The occurrence of cracks in the metal layer 113 can be prevented. Further, since the Cu concentration in the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 111 in the metal layer 113 is 5 mass% or less, it is possible to prevent the bonding interface strength of the metal layer 113 from becoming higher than necessary. Therefore, the thermal stress when the thermal cycle is loaded on the power module substrate 110 can be absorbed by the metal layer 113, and the ceramic substrate 111 can be prevented from cracking.

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、セラミックス基板として、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３で構成されたものを例示して説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックス材料で構成されたものであってもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, the ceramic substrate has been described by exemplifying a substrate made of AlN or Al 2 O 3 , but is not limited to this, and is made of another ceramic material such as Si 3 N 4. There may be.

また、銅板を、５ＮＣｕ、あるいは、無酸素銅にＺｒを５０質量ｐｐｍ添加した銅合金で構成したもので説明したが、これに限定されることはない。なお、銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
さらに、アルミニウム板を、４Ｎアルミニウムで構成したもので説明したが、この実施形態に限定されることはない。ただし、熱応力を確実に吸収するために、耐力が３０ＭＰａ以下のアルミニウム又はアルミニウム合金を用いることが好ましい。 Moreover, although the copper plate is described as being composed of 5NCu or a copper alloy obtained by adding 50 mass ppm of Zr to oxygen-free copper, the present invention is not limited to this. The copper plate is preferably made of copper or a copper alloy having a recrystallization temperature of 150 ° C. or lower.
Furthermore, although the aluminum plate has been described as being composed of 4N aluminum, it is not limited to this embodiment. However, in order to reliably absorb thermal stress, it is preferable to use aluminum or an aluminum alloy having a proof stress of 30 MPa or less.

また、第２の実施形態において、セラミックス基板とアルミニウム板、アルミニウム板とヒートシンクの間に、添加元素としてＣｕを固着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固着してもよい。
なお、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固着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, in 2nd Embodiment, although demonstrated as what fixes and joins Cu as an additional element between a ceramic substrate and an aluminum plate and an aluminum plate and a heat sink, it is not limited to this, Si, Any one or two or more additive elements of Cu, Ag, Zn, Mg, Ge, Ca, Ga, and Li may be fixed.
When an easily oxidizable element such as Mg or Ca is used, it is preferable to fix the additive element together with aluminum. Thereby, it is possible to suppress oxidation wear of easily oxidizable elements such as Mg and Ca.

また、第２の実施形態において、アルミニウム板にＣｕを固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板やヒートシンク側に添加元素を固着してもよい。
さらに、スパッタによってＣｕを固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。 Moreover, in 2nd Embodiment, although demonstrated as what fixes Cu to an aluminum plate, it is not limited to this, You may adhere an additive element to a ceramic substrate or a heat sink side.
Furthermore, although it demonstrated as what fixes Cu by sputter | spatter, it is not limited to this, Cu is applied by plating, vapor deposition, CVD, cold spray, or application of paste or ink in which powder is dispersed. It may be fixed.

また、本実施形態では、ヒートシンクを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。 Further, in the present embodiment, the heat sink is described as being composed of the A6063 alloy, but is not limited thereto, and is composed of other metal materials such as A1100 alloy, A3003 alloy, A5052 alloy, and A7N01 alloy. It may be a thing.
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.

１， １０１ パワーモジュール
２， １０２ はんだ層
３， １０３ 半導体素子
１０，１１０ パワーモジュール用基板
１１，１１１ セラミックス基板
１２，１１２ 回路層
１３，１１３ 金属層
２２，１２２ 銅板
２３，１２３ アルミニウム板
２４，１２４ 第１ろう材（接合材）
４０，１４０ ヒートシンク DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 101 Power module 2, 102 Solder layer 3, 103 Semiconductor element 10, 110 Power module substrate 11, 111 Ceramic substrate 12, 112 Circuit layer 13, 113 Metal layer 22, 122 Copper plate 23, 123 Aluminum plate 24, 124 1 Brazing material (joining material)
40,140 heat sink

Claims (7)

セラミックス基板の一方の面に回路層が形成され、前記セラミックス基板の他方の面側に金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板を接合して前記回路層を形成する銅板接合工程と、
前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合して前記金属層を形成するアルミニウム板接合工程と、を有し、
前記銅板接合工程では、前記銅板と前記セラミックス基板とを、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金にＩｎ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｓｎから選択される１種又は２種以上の低融点元素が添加され、液相温度が前記アルミニウム板の融点未満とされた厚さ１０〜１００μｍの接合材を用いて、積層方向に圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で接合する構成とされており、
前記銅板接合工程と前記アルミニウム板接合工程とを同時に行うことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 A method for producing a power module substrate, wherein a circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate, and a metal layer is formed on the other surface side of the ceramic substrate,
A copper plate joining step of joining the copper plate made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate to form the circuit layer;
An aluminum plate joining step in which the metal layer is formed by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate;
In the copper plate joining step, the copper plate and the ceramic substrate are added with one or more low melting point elements selected from In, Bi, Li, and Sn into an Ag—Cu—Ti alloy, Using a bonding material having a temperature of less than the melting point of the aluminum plate and having a thickness of 10 to 100 μm, it is configured to be bonded in a state of being pressurized at a pressure of 1 to 35 kgf / cm 2 in the stacking direction,
The method for manufacturing a power module substrate, wherein the copper plate joining step and the aluminum plate joining step are performed simultaneously. 前記アルミニウム板接合工程は、前記セラミックス基板の接合面及び前記アルミニウム板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との界面に、前記溶融金属領域を形成することを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   In the aluminum plate joining step, at least one of a joining surface of the ceramic substrate and a joining surface of the aluminum plate is selected from Si, Cu, Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, and Li, or A fixing step of fixing two or more kinds of additive elements to form a fixing layer containing the additional element, a stacking step of stacking the ceramic substrate and the aluminum plate via the fixing layer, and the stacked ceramics The ceramic substrate by pressurizing and heating the substrate and the aluminum plate in the laminating direction to form a molten metal region at the interface between the ceramic substrate and the aluminum plate, and solidifying the molten metal region And a solidification step for joining the aluminum plate, and in the heating step, By diffusing hydrogen in the aluminum plate side, the interface between the ceramic substrate and the aluminum plate, method for manufacturing a power module substrate according to claim 1, characterized in that forming the molten metal region. 前記銅板は、再結晶温度が１５０℃以下とされた銅又は銅合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The said copper plate is comprised with the copper or copper alloy by which recrystallization temperature was 150 degrees C or less, The manufacturing method of the board | substrate for power modules of Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. 前記アルミニウム板は、純度が９９．９８質量％以上のアルミニウムで構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パワーモジュール用基板の製造方法。   The said aluminum plate is comprised with the aluminum whose purity is 99.98 mass% or more, The manufacturing method of the board | substrate for power modules as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記銅板の厚さｔｃが、０．１ｍｍ≦ｔｃ≦０．６ｍｍとされ、前記アルミニウム板の厚さｔａが、０．４ｍｍ≦ｔａ≦３．０ｍｍとされており、さらに、ｔｃ＜ｔａとされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The thickness tc of the copper plate is 0.1 mm ≦ tc ≦ 0.6 mm, the thickness ta of the aluminum plate is 0.4 mm ≦ ta ≦ 3.0 mm, and tc <ta. The method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 4, wherein the power module substrate is provided. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板に、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクが配設され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、A power module with a heat sink, wherein a power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 5 is provided with a heat sink for cooling the power module substrate. A method for manufacturing a substrate for an automobile,
前記ヒートシンクと前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を有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 method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, comprising: a heat sink joining step for joining the heat sink and the metal layer. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板に、このパワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクが配設され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、
前記ヒートシンクと前記金属層とを接合するヒートシンク接合工程を有し、
前記銅板接合工程と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ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 A power module with a heat sink, wherein a power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to any one of claims 1 to 5 is provided with a heat sink for cooling the power module substrate. A method for manufacturing a substrate for an automobile,
A heat sink joining step for joining the heat sink and the metal layer;
A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, wherein the copper plate joining step, the aluminum plate joining step, and the heat sink joining step are performed simultaneously.
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