JP6233106B2 - Power module substrate and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、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及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device for controlling a large current and a high voltage and a method for manufacturing the same.
パワーモジュール用基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面にアルミニウム板等の回路層が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板等の放熱層が接合された構成のものが知られている。 As a power module substrate, a circuit layer such as an aluminum plate is bonded to one surface of a ceramic substrate serving as an insulating layer, and a heat dissipation layer such as an aluminum plate is bonded to the other surface of the ceramic substrate. Are known.
この種のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板に回路層等をろう付けして接合することにより製造されるが、絶縁基板としての機能、放熱基板としての機能の他に、近年の高集積化に伴って配線基板としての機能が求められるようになっており、多層化することが検討されている。 This type of power module substrate is manufactured by brazing and bonding a circuit layer or the like to a ceramic substrate. In addition to its function as an insulating substrate and function as a heat dissipation substrate, it has recently been highly integrated. Accordingly, a function as a wiring board has been demanded, and a multilayer structure has been studied.
例えば、特許文献１には、複数のセラミックス基板と金属板とを交互に積層するとともに、セラミックス基板に形成した貫通孔を介して両側の金属板を接続状態とす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、セラミックス基板の貫通孔内にその貫通孔よりも長い柱状の金属部材を挿入しておき、セラミックス基板と金属板とを積層する際に、金属部材を加圧して塑性変形させて、その金属部材によってセラミックス基板の両側の金属板を接合することにより製造される。このため、セラミックス基板の厚みの寸法ばらつきを金属部材の塑性変形量によって調整でき、安定して接合することができる。そして、熱応力の発生が軽減されるので、セラミックス基板の剥離や割れ等の発生を防止できることが、特許文献１に記載されている。
For example, Patent Document 1 proposes a power module substrate in which a plurality of ceramic substrates and metal plates are alternately stacked and the metal plates on both sides are connected via through holes formed in the ceramic substrate. Yes.
In this power module substrate, a columnar metal member that is longer than the through hole is inserted into the through hole of the ceramic substrate, and when the ceramic substrate and the metal plate are laminated, the metal member is pressed and plastically deformed. Thus, the metal member is manufactured by joining the metal plates on both sides of the ceramic substrate with the metal member. For this reason, the dimensional dispersion | variation in the thickness of a ceramic substrate can be adjusted with the amount of plastic deformation of a metal member, and it can join stably. And since generation | occurrence | production of a thermal stress is reduced, it is described in patent document 1 that generation | occurrence | production of peeling, a crack, etc. of a ceramic substrate can be prevented.
ところが、特許文献１に記載のパワーモジュール用基板においては、各部材の接合はろう付けにより行われ、金属部材と貫通孔の内周面との間に隙間を形成した状態で金属板を接合するため、その隙間に溶融したろう材が流れ込み易くなっている。このため、ろう付け時に大量のろう材が貫通孔内に流れ込むことで、セラミックス基板の両側に積層される金属板を溶解し、金属板に窪みや孔が形成されるおそれがある（エロージョン現象）。そして、金属板に窪み等が形成されることにより、パワーモジュール用基板の耐久性や耐食性を損なうおそれがある。 However, in the power module substrate described in Patent Document 1, each member is joined by brazing, and the metal plate is joined with a gap formed between the metal member and the inner peripheral surface of the through hole. Therefore, the molten brazing material can easily flow into the gap. For this reason, when a large amount of brazing material flows into the through holes during brazing, the metal plates stacked on both sides of the ceramic substrate may be melted, and depressions or holes may be formed in the metal plates (erosion phenomenon). . And the formation of a depression or the like in the metal plate may impair the durability and corrosion resistance of the power module substrate.
また、特許文献１に記載のパワーモジュール用基板のように、セラミックス基板の貫通孔の内径よりも小径の金属部材を用いて接合を行う場合においては、各部材の組立中（搬送中）に貫通孔から金属部材が抜け落ち易く、製造工程が複雑化することも懸念される。 In addition, as in the case of the power module substrate described in Patent Document 1, when bonding is performed using a metal member having a diameter smaller than the inner diameter of the through hole of the ceramic substrate, it is penetrated during assembly (during conveyance) of each member. There is also a concern that the metal member tends to fall out of the hole and the manufacturing process becomes complicated.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板と金属板とを多層に積層し、セラミックス基板の両側の金属板を耐久性や耐食性を損なうことなく容易に接続状態とすることができ、これら金属板間の導通を良好に維持することができるパワーモジュール用基板及びそ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 such circumstances, and a ceramic substrate and a metal plate are laminated in multiple layers, and the metal plates on both sides of the ceramic substrate can be easily connected without impairing durability and corrosion resistance. An object of the present invention is to provide a power module substrate and a method for manufacturing the same that can maintain good electrical conduction between the metal plates.
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、複数のセラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板とを交互に積層してＡｌ‐Ｓｉ系ろう材によりろう付け接合するとともに、前記セラミックス基板に形成した貫通孔を介して該セラミックス基板の両側の金属板を接続状態とする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と前記金属板とを積層する際に、前記セラミックス基板の貫通孔内に、該貫通孔内部の空間に対して体積率が４０％以上１００％以下とされる純アルミニウムからなる金属部材をしまり嵌め状態に圧入しておき、前記金属部材を介して前記セラミックス基板の両側の金属板を接合することを特徴とする。 The method for manufacturing a power module substrate of the present invention comprises a plurality of ceramic substrates and metal plates made of aluminum or aluminum alloy, which are alternately laminated and brazed with an Al-Si brazing material, and formed on the ceramic substrate. A method for manufacturing a power module substrate in which the metal plates on both sides of the ceramic substrate are connected to each other through the formed through holes, wherein the ceramic substrate and the metal plate are stacked when the ceramic substrate and the metal plate are laminated. A metal member made of pure aluminum having a volume ratio of 40% or more and 100% or less with respect to the space inside the through hole is press-fitted into the tightly fitting state, and the ceramic substrate is inserted through the metal member. It is characterized by joining metal plates on both sides.
純アルミニウムで形成された金属部材をセラミックス基板の貫通孔内に圧入しているので、その貫通孔内に挿入した金属部材の周囲には隙間がない状態とされる。このため、貫通孔内の空間に溶融したろう材が多量に流れ込むことを防止することができるので、エロージョン現象が引き起こされることを回避でき、耐久性や耐食性を損なうことなくセラミックス基板の両側の金属板を容易に接続状態とすることができる。
また、このろう付け接合時において、貫通孔内に金属部材が隙間なく圧入されているので、その純アルミニウムで形成された金属部材の上下面がろう材と接触するのみで、金属部材とろう材との接触面積を極力小さくすることができる。このため、ろう材中に含まれるＳｉが金属部材に拡散されにくくなり、引張り強度や耐力が小さい純アルミニウムからなる金属部材によって、緩衝効果を確実に発揮できる状態で接合することができる。したがって、セラミックス基板の割れやクラックの発生を防止することができ、パワーモジュール用基板の長期的な接合信頼性を維持することができるとともに、金属板間の導通を良好に維持することが可能となる。
なお、金属部材の体積が貫通孔内部の空間体積に比べて小さすぎると、金属部材に拡散させることができるＳｉ量が少なくなるため、金属部材が完全に溶融して貫通孔内に液相が集中することにより、エロージョン現象が発生するおそれがある。一方で、金属部材の体積が貫通孔内部の空間体積よりも大きすぎると、金属部材の端部がセラミックス基板から突出することとなり、セラミックス基板と金属板との接合時に荷重を均一に負荷することが難しくなるため、接合不良を引き起こすおそれがある。このため、金属部材は、貫通孔内部の空間に対して体積率を４０％以上１００％以下として形成することとしている。
さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミックス基板の貫通孔内に金属部材を圧入しておくこととしているので、各部材の組立中（搬送中）に貫通孔から金属部材が抜け落ちることなく、製造工程を円滑に進めることができる。
Since the metal member formed of pure aluminum is press-fitted into the through hole of the ceramic substrate, there is no gap around the metal member inserted into the through hole. For this reason, it is possible to prevent a large amount of the molten brazing material from flowing into the space in the through hole, so that the erosion phenomenon can be avoided, and the metal on both sides of the ceramic substrate can be prevented without impairing durability and corrosion resistance. The plate can be easily connected.
In addition, since the metal member is press-fitted into the through hole without any gap at the time of the brazing joint, the upper and lower surfaces of the metal member formed of pure aluminum are only in contact with the brazing material. Can be made as small as possible. For this reason, Si contained in the brazing material is hardly diffused into the metal member, and the metal member made of pure aluminum having low tensile strength and yield strength can be joined in a state in which the buffer effect can be surely exhibited. Therefore, it is possible to prevent the ceramic substrate from cracking and the occurrence of cracks, maintain the long-term bonding reliability of the power module substrate, and maintain good conduction between the metal plates. Become.
If the volume of the metal member is too small compared to the space volume inside the through hole, the amount of Si that can be diffused into the metal member is reduced, so that the metal member is completely melted and a liquid phase is formed in the through hole. Concentration may cause an erosion phenomenon. On the other hand, if the volume of the metal member is too larger than the space volume inside the through hole, the end of the metal member protrudes from the ceramic substrate, and the load is uniformly applied when the ceramic substrate and the metal plate are joined. May become difficult to cause poor bonding. For this reason, the metal member is formed to have a volume ratio of 40% to 100% with respect to the space inside the through hole.
Furthermore, in the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, since the metal member is press-fitted into the through hole of the ceramic substrate, the metal member is inserted from the through hole during assembly (during transportation) of each member. The manufacturing process can proceed smoothly without falling off.
本発明のパワーモジュール用基板は、複数のセラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板とを交互に積層してろう付け接合するとともに、前記セラミックス基板に形成した貫通孔の内部に挿入された純アルミニウムからなる金属部材を介して該セラミックス基板の両側の金属板を接続状態としたパワーモジュール用基板であって、前記貫通孔の中心軸を通る径方向断面において、前記貫通孔内のＳｉ濃度が１．６質量％以上とされるＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率が８％以上２５％以下とされることを特徴とする。 The power module substrate according to the present invention comprises a plurality of ceramic substrates and metal plates made of aluminum or aluminum alloy which are alternately laminated and brazed and joined together, and a pure module inserted into a through-hole formed in the ceramic substrate. A power module substrate in which the metal plates on both sides of the ceramic substrate are connected via a metal member made of aluminum, and in a radial section passing through the central axis of the through hole, the Si concentration in the through hole is The area ratio of the Al—Si eutectic portion of 1.6% by mass or more is 8% or more and 25% or less.
金属板どうしを接続する貫通孔内部の領域において、Ｓｉ濃度が１．６質量％以上とされるＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率が２５％以下であれば、硬度の上昇も抑えられるので、それ以外の引張り強度や耐力が小さい純アルミニウムを主とする部分によって、緩衝効果を十分に発揮させることができる。このため、セラミックス基板の割れやクラックの発生を防止することができ、パワーモジュール用基板の長期的な接合信頼性を維持することができるとともに、金属板間の導通を良好に維持することが可能となる。 If the area ratio of the Al-Si eutectic part in which the Si concentration is 1.6% by mass or more in the region inside the through hole connecting the metal plates is 25% or less, the increase in hardness can be suppressed, The buffering effect can be sufficiently exerted by a portion mainly composed of pure aluminum having a small tensile strength and yield strength. For this reason, it is possible to prevent cracks and cracks in the ceramic substrate, maintain the long-term bonding reliability of the power module substrate, and maintain good conduction between the metal plates. It becomes.
本発明によれば、セラミックス基板と金属板とを多層に積層し、セラミックス基板の両側の金属板を耐久性や耐食性を損なうことなく容易に接続状態とすることができ、これら金属板間の導通を良好に維持することができる。 According to the present invention, the ceramic substrate and the metal plate are laminated in multiple layers, and the metal plates on both sides of the ceramic substrate can be easily connected without impairing durability and corrosion resistance. Can be maintained well.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１〜図４は、第１実施形態のパワーモジュール用基板を示している。このパワーモジュール用基板１は、図１及び図２に示すように、複数のセラミックス基板２，３と金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とが交互に積層され、相互にろう付けにより接合されている。そして、このパワーモジュール用基板１の最上段に配置される金属板４Ａ〜４Ｅの一部（図示例では４Ｄ，４Ｅ）に半導体チップ等の電子部品７が搭載され、最下段に配置される金属板６にヒートシンク８が接合されることにより、パワーモジュールが構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 4 show the power module substrate of the first embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the power module substrate 1 includes a plurality of ceramic substrates 2 and 3 and metal plates 4A to 4E, 5A, 5B, and 6 that are alternately laminated and joined together by brazing. Has been. Then, an electronic component 7 such as a semiconductor chip is mounted on a part (4D, 4E in the illustrated example) of the metal plates 4A to 4E arranged on the uppermost stage of the power module substrate 1, and the metal arranged on the lowermost stage. A heat module 8 is joined to the plate 6 to constitute a power module.
セラミックス基板２，３は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４等により、例えば０．３２ｍｍ〜１．０ｍｍの厚みに形成される。また、金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６は、純度９９．９０％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金により、例えば０．２５ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みに形成される。そして、これらセラミックス基板２，３と金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６との接合には、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材が用いられる。 The ceramic substrates 2 and 3 are made of AlN, Al 2 O 3 , SiC, Si 3 N 4 or the like, for example, to a thickness of 0.32 mm to 1.0 mm. The metal plates 4A to 4E, 5A, 5B, and 6 are made of pure aluminum or aluminum alloy having a purity of 99.90% or more, for example, to a thickness of 0.25 mm to 2.5 mm. For bonding the ceramic substrates 2 and 3 and the metal plates 4A to 4E, 5A, 5B, and 6, for example, an Al—Si brazing material is used.
図示例では、パワーモジュール用基板１には、符号２，３に示されるセラミックス基板が二枚用いられ、符号４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６で示される金属板が三層となるように配置されている。また、金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６は、最上段に五枚、両セラミックス基板２，３の間に二枚、最下段に一枚それぞれ設けられている。そして、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅは、中間の位置に一枚（４Ｃ）、その両側にそれぞれ二枚ずつ（４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅ）配置されている。また、両セラミックス基板２，３の間の金属板５Ａ，５Ｂは、図２及び図３に示すように、最上段の両側位置に配置されている金属板４Ａ，４Ｄ及び金属板４Ｂ，４Ｅをそれぞれ連結し得る長さの細長い帯板状に形成され、二枚が面方向に相互間隔をあけて平行に並んで配置されている。そして、これら金属板４Ａ〜４Ｅと金属板５Ａ，５Ｂとの間に配置されるセラミックス基板２には、図１及び図２に示すように、その厚み方向に貫通する貫通孔１１が形成されている。そして、最上段の両側部の金属板４Ａ，４Ｄ及び金属板４Ｂ，４Ｅが組になって、中間位置の金属板４Ｃの下方で連結するように、中央（中段）の金属板５Ａ，５Ｂを介して相互に電気的接続状態とされている。 In the illustrated example, two ceramic substrates indicated by reference numerals 2 and 3 are used for the power module substrate 1, and the metal plates indicated by reference numerals 4A to 4E, 5A, 5B, and 6 are arranged in three layers. Has been. Further, five metal plates 4A to 4E, 5A, 5B, 6 are provided at the uppermost stage, two between the ceramic substrates 2 and 3, and one at the lowermost stage. The uppermost metal plates 4A to 4E are arranged in a middle position (4C) and two on each side (4A, 4B, 4D, 4E). Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the metal plates 5A and 5B between the ceramic substrates 2 and 3 are formed by replacing the metal plates 4A and 4D and the metal plates 4B and 4E, which are arranged on both sides of the uppermost stage. It is formed in the shape of a long and narrow strip that can be connected to each other, and the two sheets are arranged in parallel in the plane direction with a space between each other. And as shown in FIG.1 and FIG.2, the through-hole 11 penetrated in the thickness direction is formed in the ceramic substrate 2 arrange | positioned between these metal plates 4A-4E and metal plate 5A, 5B. Yes. Then, the metal plates 4A and 4D and the metal plates 4B and 4E on both sides of the uppermost stage are combined into a set, and the middle (middle stage) metal plates 5A and 5B are connected below the metal plate 4C at the intermediate position. Are in electrical connection with each other.
その接続状態としては、セラミックス基板２に４個の貫通孔１１が形成され、これら貫通孔１１を介して前述の五枚の最上段の金属板４Ａ〜４Ｅのうちの中間位置の金属板４Ｃを除く四枚の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅが、両セラミックス基板２，３の間の金属板５Ａ，５Ｂに接続された構造とされている。詳細については後述するが、この場合、例えば図４に示すように、貫通孔１１内に圧入された純アルミニウムからなる金属部材１２を介して、セラミックス基板２の両側の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅと金属板５Ａ，５Ｂとが接続状態とされる。そして、このように構成されるパワーモジュール用基板１では、貫通孔１１の中心軸を通る径方向断面において、貫通孔１１内部のＳｉ濃度が１．６質量％以上とされるＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率が２５％以下となるように形成されている。 As the connection state, four through holes 11 are formed in the ceramic substrate 2, and the intermediate metal plate 4 </ b> C among the above-described five uppermost metal plates 4 </ b> A to 4 </ b> E is formed through these through holes 11. Except for the four metal plates 4A, 4B, 4D, and 4E, the metal plates 5A and 5B between the ceramic substrates 2 and 3 are connected. Although details will be described later, in this case, for example, as shown in FIG. 4, the metal plates 4 </ b> A, 4 </ b> B, 4 </ b> D on both sides of the ceramic substrate 2 through the metal member 12 made of pure aluminum press-fitted into the through hole 11. , 4E and the metal plates 5A, 5B are connected. In the power module substrate 1 configured as described above, the Al—Si eutectic in which the Si concentration in the through hole 11 is 1.6 mass% or more in the radial cross section passing through the central axis of the through hole 11. The area ratio of the portion is formed to be 25% or less.
次に、このように構成したパワーモジュール用基板１を製造する方法について説明する。
二枚のセラミックス基板２，３のうち、貫通孔１１を有するセラミックス基板２は、セラミックスの焼成前のグリーンシートにプレス加工により貫通孔を形成した後に焼成することにより得ることができる。なお、セラミックス基板２の外形は、焼成後に加工される。また、貫通孔を有しないセラミックス基板３についても、グリーンシートを焼成した後に外形が加工される。
そして、貫通孔１１を有するセラミックス基板２の貫通孔１１内には、例えば、その貫通孔１１の内周径よりも径の大きい円柱状で、貫通孔１１内部の空間に対して体積率が４０％以上１００％以下とされる純アルミニウムからなる金属部材１２がしまり嵌め状態に圧入される。これにより、セラミックス基板２の貫通孔１１から金属部材１２が抜け落ちることなく、製造工程を円滑に進めることができるようになっている。なお、円柱状の金属部材１２は、純アルミニウムの板材をプレス加工により打ち抜くことにより形成することができる。金属部材１２としては、純度９９．９％以上の純アルミニウムを用いることが好ましい。また、金属部材１２を予め４００℃以上で焼きなまし処理を行っておくことが好ましい。
Next, a method for manufacturing the power module substrate 1 configured as described above will be described.
Of the two ceramic substrates 2 and 3, the ceramic substrate 2 having the through holes 11 can be obtained by forming the through holes in the green sheet before firing the ceramics and then firing the green holes. The external shape of the ceramic substrate 2 is processed after firing. Further, the outer shape of the ceramic substrate 3 having no through hole is processed after the green sheet is fired.
And in the through-hole 11 of the ceramic substrate 2 which has the through-hole 11, it is a column shape larger in diameter than the inner peripheral diameter of the through-hole 11, for example, and the volume ratio is 40 with respect to the space inside the through-hole 11. The metal member 12 made of pure aluminum having a percentage of not less than 100% and not more than 100% is press-fitted into the tight fit state. Thereby, the manufacturing process can be smoothly advanced without the metal member 12 falling out of the through hole 11 of the ceramic substrate 2. The cylindrical metal member 12 can be formed by stamping a pure aluminum plate material by pressing. As the metal member 12, it is preferable to use pure aluminum having a purity of 99.9% or more. Moreover, it is preferable that the metal member 12 is previously annealed at 400 ° C. or higher.
次に、金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材の表面に、Ａｌ‐Ｓｉ系のろう材箔１３をオクタンジオール等の揮発性有機媒体等により仮固定しておき、これらをプレス加工によって一体に打ち抜くことにより、ろう材箔１３が貼り付けられた金属板とされる。この場合、図５に示すように、最上段の金属板４Ａ〜４Ｅ及び最下段の金属板６には片面にろう材箔１３が貼り付けられ、中段の金属板５Ａ，５Ｂには両面にろう材箔１３が貼り付けられる。 Next, the metal plates 4A to 4E, 5A, 5B, and 6 are temporarily fixed to the surface of a plate material made of aluminum or an aluminum alloy with an Al—Si based brazing material foil 13 using a volatile organic medium such as octanediol. These are punched together by pressing to form a metal plate to which the brazing filler metal foil 13 is attached. In this case, as shown in FIG. 5, the brazing material foil 13 is attached to one side of the uppermost metal plates 4A to 4E and the lowermost metal plate 6, and the brazing metal foils 5A and 5B are brazed to both sides. A material foil 13 is pasted.
このようにして形成したセラミックス基板２，３と金属板４Ａ〜４Ｅ，５Ａ，５Ｂ，６とを交互に重ね合せ、その積層体Ｓを積層方向に加圧しながら加熱することにより、ろう付けする。
この際、積層体Ｓの積層方向への加圧は、例えば図７に示すように二枚の加圧板１１１とその四隅に設けられた支柱１１２によって構成された加圧治具１１０を用いて行われ、この加圧板１１１間に積層体Ｓを載置することにより加圧が行われる。
The ceramic substrates 2 and 3 thus formed and the metal plates 4A to 4E, 5A, 5B, and 6 are alternately superposed, and the laminate S is heated while being pressed in the laminating direction.
At this time, the stacking body S is pressed in the stacking direction using, for example, a pressing jig 110 including two pressing plates 111 and support columns 112 provided at the four corners thereof as shown in FIG. The pressure is applied by placing the laminate S between the pressure plates 111.
なお、加圧治具１１０の二枚の加圧板１１１はステンレス鋼材により形成され、この加圧板１１１を挟むように、両端に螺子が切られた支柱１１２にナット１１３が締結されている。また、支柱１１２に支持された天板１１４と加圧板１１１との間に、加圧板１１１を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５が備えられており、積層体Ｓの積層方向の加圧力は、この付勢手段１１５とナット１１３の締付けによって調整される。なお、積層体Ｓの両面には、加圧を均一にするためにカーボンシート１１６が配設される。 Note that the two pressure plates 111 of the pressure jig 110 are made of stainless steel, and nuts 113 are fastened to columns 112 having screws cut at both ends so as to sandwich the pressure plate 111. Further, an urging means 115 such as a spring for urging the pressurizing plate 111 downward is provided between the top plate 114 supported by the support column 112 and the pressurizing plate 111. The pressure is adjusted by tightening the biasing means 115 and the nut 113. Note that carbon sheets 116 are disposed on both surfaces of the laminate S to make the pressure uniform.
そして、積層体Ｓを、加圧治具１１０により積層方向に０．２ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下で加圧した状態で、加圧治具１１０ごと加熱炉（図示略）内に設置し、真空中で６２０℃以上６５０℃以下のろう付け温度に加熱することにより、各部材がろう付けされ、パワーモジュール用基板１が製造される。 And the laminated body S is installed in a heating furnace (not shown) together with the pressurizing jig 110 in a state where the pressurizing jig 110 pressurizes the stacking direction at 0.2 MPa or more and 0.6 MPa or less. By heating to a brazing temperature of 620 ° C. or more and 650 ° C. or less, each member is brazed and the power module substrate 1 is manufactured.
このろう付け接合時において、セラミックス基板２の貫通孔１１内には、加熱前の状態において図６に示すように金属部材１２がしまり嵌め状態に圧入されているので、貫通孔１１の内周面と金属部材１２の外周面との間は隙間がない状態とされる。このため、加熱されることにより溶融したろう材は、金属部材１２の上下面側に形成される貫通孔１１内の僅かな空間に流れ込むだけで、液相の集中を抑制することができ、エロージョン現象が引き起こされることが回避できる。 At the time of this brazing joining, the metal member 12 is press-fitted into the through hole 11 of the ceramic substrate 2 in a state before being heated as shown in FIG. There is no gap between the metal member 12 and the outer peripheral surface of the metal member 12. For this reason, the brazing filler metal melted by heating can flow into a small space in the through hole 11 formed on the upper and lower surfaces of the metal member 12, and the concentration of the liquid phase can be suppressed. The phenomenon can be avoided.
そして、貫通孔１１内では、ろう材中に含まれるＳｉは、主に純アルミニウムで形成される金属部材１２に拡散しながら、セラミックス基板２の両側に配置される金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅ，５Ａ，５Ｂと金属部材１２とをろう付けし、これら最上段の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅと中段の金属板５Ａ，５Ｂとを、金属部材１２を介して接続状態とすることができる。また同時に、セラミックス基板２とその両側の最上段の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅ及び中段の金属板５Ａ，５Ｂとがろう付けされ、パワーモジュール用基板１が製造される。 And in the through-hole 11, Si contained in the brazing material diffuses to the metal member 12 mainly formed of pure aluminum, and the metal plates 4A, 4B, 4D, which are arranged on both sides of the ceramic substrate 2, 4E, 5A, 5B and the metal member 12 are brazed, and the uppermost metal plates 4A, 4B, 4D, 4E and the middle metal plates 5A, 5B are connected via the metal member 12. Can do. At the same time, the ceramic substrate 2 and the uppermost metal plates 4A, 4B, 4D, 4E and the middle metal plates 5A, 5B on both sides thereof are brazed, and the power module substrate 1 is manufactured.
このように構成されるパワーモジュール用基板１においては、上述したように、ろう付け時において金属部材１２が多量のろう材と接触することを防止することができるので、ろう材中に含まれるＳｉが金属部材１２に拡散される範囲が制限され、貫通孔１１の中心軸を通る径方向断面において、貫通孔１１内のＳｉ濃度が１．６質量％以上とされるＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率を２５％以下にすることができる。
このように、最上段の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅと中段の金属板５Ａ，５Ｂとを接続する貫通孔１１内部の領域において、Ｓｉ濃度が１．６質量％以上とされるＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率が２５％以下であれば、硬度の上昇が抑えられるので、それ以外の引張り強度や耐力が小さい純アルミニウムを主とする部分によって、緩衝効果を十分に発揮させることができる。したがって、セラミックス基板２の割れやクラックの発生を防止することができ、パワーモジュール用基板１の長期的な接合信頼性を維持することができるとともに、最上段の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅと中段の金属板５Ａ，５Ｂとの間の導通を良好に維持することが可能となる。
In the power module substrate 1 configured in this way, as described above, the metal member 12 can be prevented from coming into contact with a large amount of brazing material during brazing, so that the Si contained in the brazing material can be prevented. Of the Al—Si eutectic part in which the Si concentration in the through hole 11 is 1.6 mass% or more in the radial cross section passing through the central axis of the through hole 11 is limited. The area ratio can be 25% or less.
Thus, in the region inside the through hole 11 connecting the uppermost metal plates 4A, 4B, 4D, and 4E and the middle metal plates 5A and 5B, the Al concentration is set to 1.6% by mass or more. If the area ratio of the Si eutectic part is 25% or less, the increase in hardness can be suppressed, and the buffering effect can be sufficiently exerted by other parts mainly made of pure aluminum having a small tensile strength and yield strength. it can. Therefore, it is possible to prevent the ceramic substrate 2 from being cracked or cracked, to maintain the long-term bonding reliability of the power module substrate 1, and to form the uppermost metal plates 4A, 4B, 4D, 4E. It is possible to maintain good conduction between the metal plate 5A and the middle metal plate 5B.
また、上記パワーモジュール用基板の製造方法においては、貫通孔１１内の空間に溶融したろう材が多量に流れ込むことを防止することができるので、エロージョン現象が引き起こされることを回避でき、耐久性や耐食性を損なうことなくセラミックス基板２の両側の最上段の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅと中段の金属板５Ａ，５Ｂとを接続状態とすることができる。 Further, in the method for manufacturing a power module substrate, since it is possible to prevent a large amount of the molten brazing material from flowing into the space in the through-hole 11, it is possible to avoid the occurrence of an erosion phenomenon, durability, The uppermost metal plates 4A, 4B, 4D, and 4E on both sides of the ceramic substrate 2 and the middle metal plates 5A and 5B can be in a connected state without impairing the corrosion resistance.
なお、金属部材１２の体積が貫通孔１１内部の空間体積に比べて小さすぎると、金属部材１２に拡散させることができるＳｉ量が少なくなるため、金属部材１２が完全に溶融して貫通孔１１内に液相が集中することにより、エロージョン現象が発生するおそれがある。一方で、金属部材１２の体積が貫通孔１１内部の空間体積よりも大きすぎると、金属部材１２の端部がセラミックス基板２から突出することとなり、セラミックス基板２と両側の金属板４Ａ，４Ｂ，４Ｄ，４Ｅ，５Ａ，５Ｂとの接合時に荷重を均一に負荷することが難しくなるため、接合不良を引き起こすおそれがある。このため、金属部材１２は、貫通孔１１内部の空間に対して体積率を４０％以上１００％以下として形成することとしている。 If the volume of the metal member 12 is too small compared to the space volume inside the through hole 11, the amount of Si that can be diffused into the metal member 12 is reduced, so that the metal member 12 is completely melted and the through hole 11. The erosion phenomenon may occur due to the concentration of the liquid phase inside. On the other hand, if the volume of the metal member 12 is too larger than the space volume inside the through hole 11, the end of the metal member 12 protrudes from the ceramic substrate 2, and the ceramic substrate 2 and the metal plates 4A, 4B on both sides, Since it becomes difficult to apply a load uniformly at the time of joining with 4D, 4E, 5A, and 5B, there is a possibility of causing poor joining. For this reason, the metal member 12 is formed to have a volume ratio of 40% to 100% with respect to the space inside the through hole 11.
さらに、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法においては、上述したように、セラミックス基板２の貫通孔１１内に金属部材１２を圧入しておくこととしているので、各部材の組立中（搬送中）に貫通孔１１から金属部材１２が抜け落ちることなく、製造工程を円滑に進めることができる。 Furthermore, in the method for manufacturing the power module substrate of the present embodiment, as described above, the metal member 12 is press-fitted into the through hole 11 of the ceramic substrate 2, so that each member is being assembled (conveyed). The manufacturing process can proceed smoothly without the metal member 12 falling off from the through hole 11.
次に、本発明の効果を確認するために行った本発明例及び比較例について説明する。
各試料のパワーモジュール用基板は、２０ｍｍ×２５ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮに直径１．５ｍｍの貫通孔を１０個形成したセラミックス基板と、そのセラミックス基板の両面に配置する１８ｍｍ×２３ｍｍ、厚み０．４ｍｍの純度９９．９９％のアルミニウムからなる金属板とを、Ａｌ‐７．５Ｓｉろう材（厚み２０μｍ）により接合して作製した。また、セラミックス基板の各貫通孔内に挿入する金属部材は、４Ｎ‐Ａｌにより直径１．５ｍｍで厚みを表１に示すように変量して円柱状に形成し、セラミックス基板の貫通孔と金属部材とがしまり嵌め状態で圧入可能となるように直径を５０μｍ程度の公差で形成した。また、表１には、各試料の金属部材の厚みの違いによる「貫通孔に対する金属部材の体積率」を算出して記載した。
なお、各金属部材には、それぞれ４００℃、６０分の焼きなまし処理を施した。
Next, examples of the present invention and comparative examples performed for confirming the effects of the present invention will be described.
The power module substrate of each sample is a ceramic substrate in which 10 through-holes having a diameter of 1.5 mm are formed in 20 mm × 25 mm, 0.635 mm thick AlN, and 18 mm × 23 mm, thickness 0 arranged on both surfaces of the ceramic substrate. A metal plate made of aluminum having a purity of 49.99 mm and a purity of 99.99% was joined with an Al-7.5Si brazing material (thickness 20 μm). In addition, the metal member inserted into each through hole of the ceramic substrate is formed into a columnar shape with a diameter of 1.5 mm and a thickness as shown in Table 1 by 4N-Al. The diameter was formed with a tolerance of about 50 μm so that it could be press-fitted with a tight fit. In Table 1, the “volume ratio of the metal member with respect to the through hole” according to the difference in the thickness of the metal member of each sample is calculated and described.
Each metal member was annealed at 400 ° C. for 60 minutes.
そして、これらのパワーモジュール用基板の試料について、金属板表面の窪み等の有無、セラミックス基板割れの有無、貫通孔内部のＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率及び最大ボイド面積の評価を行った。
金属板表面の窪み等の有無は目視により行い、１０個の貫通孔に対して、窪みや孔等の形状不良が１つも確認されずに良好な結果が得られたものを「○」、形状不良が１つでも確認されたものを「×」と評価した。
また、セラミックス基板割れの有無も目視により行い、セラミックス基板と金属板とのろう付け後のパワーモジュール用基板について、セラミックス基板に割れやクラックが確認されずに良好な結果が得られたものを「○」、割れ等が確認されたものを「×」と評価した。
And about the sample of these power module substrates, the presence or absence of the hollow of the metal plate surface, the presence or absence of a ceramic substrate crack, the area ratio of the Al-Si eutectic part inside a through-hole, and the maximum void area were evaluated.
The presence or absence of dents on the surface of the metal plate is visually observed, and for the 10 through-holes, “○” indicates that good results were obtained without any defects such as dents or holes being confirmed. Those in which even one defect was confirmed were evaluated as “x”.
In addition, the presence or absence of cracks in the ceramic substrate is also visually checked. For the power module substrate after brazing the ceramic substrate and the metal plate, a ceramic substrate with good results without cracks or cracks is obtained. "○", and the thing in which a crack etc. were confirmed was evaluated as "x".
また、貫通孔内部のＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率の評価は、電子線プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）により貫通孔の中心軸を通る径方向断面におけるＳｉの分析を行うことにより、Ｓｉ濃度が１．６質量％以上とされるＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率を算出した。なお、Ａｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率は、貫通孔の中心軸を通る径方向断面の断面積を１００とした値である。ＥＰＭＡによる各試料のＳｉの断面分析画像の一例として、図８に本発明例２の断面分析画像を示す。この図８において、Ａｌ‐Ｓｉ共晶部分は、符号１５で示す白色で示される領域であり、セラミックス基板２の貫通孔１１の開口部付近に沿ってＡｌ‐Ｓｉ共晶部分が分布していることがわかる。なお、図８の符号４，５は金属板を示す。 In addition, the area ratio of the Al—Si eutectic portion inside the through hole is evaluated by analyzing Si in a radial section passing through the central axis of the through hole by an electron beam probe microanalyzer (EPMA). The area ratio of the Al—Si eutectic portion that was 1.6% by mass or more was calculated. The area ratio of the Al—Si eutectic portion is a value where the cross-sectional area of the radial cross section passing through the central axis of the through hole is 100. As an example of the cross-sectional analysis image of Si of each sample by EPMA, FIG. 8 shows a cross-sectional analysis image of Example 2 of the present invention. In FIG. 8, the Al—Si eutectic part is a white area indicated by reference numeral 15, and the Al—Si eutectic part is distributed along the vicinity of the opening of the through hole 11 of the ceramic substrate 2. I understand that. In addition, the codes | symbols 4 and 5 of FIG. 8 show a metal plate.
また、最大ボイド面積は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＥＳ５０００）でセラミックス基板と金属板の接合界面を測定することにより求めた。最大ボイド面積は、金属板の全面を測定し、上記接合界面に存在する最も大きいボイドの面積である。そして、最大ボイド面積が１．５ｍｍ２未満とされ良好な結果が得られたものを「○」、１．５ｍｍ２以上の場合を「×」と評価した。
表１に、各試料の評価結果を示す。
The maximum void area was determined by measuring the bonding interface between the ceramic substrate and the metal plate with an ultrasonic flaw detector (ES5000 manufactured by Hitachi Power Solutions). The maximum void area is the area of the largest void existing at the above-mentioned bonding interface when the entire surface of the metal plate is measured. Then, those maximum void area is less than 1.5 mm 2 good results "○" was 1.5 mm 2 or more when evaluated as "×".
Table 1 shows the evaluation results of each sample.
表１からわかるように、セラミックス基板の貫通孔に対する金属部材の体積率を４０％以上で形成した本発明例１〜３の試料においては、金属板表面の窪み等が生じることなく、またセラミックス基板の割れが生じることなく、良好にろう付けを行うことができた。そして、これら本発明１〜３の試料においては、貫通孔の中心軸を通る径方向断面において、貫通孔内のＳｉ濃度が１．６質量％以上とされるＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率が２５％以下となっていた。
一方、セラミックス基板の貫通孔に対する金属部材の体積率を４０％未満の３３％で形成した比較例１の試料においては、金属板表面の窪み等が生じ、またセラミックス基板の割れが生じる結果となった。さらに、貫通孔の径方向断面における貫通孔内のＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率が２５％を超えていた。
また、セラミックス基板の貫通孔に対する金属部材の体積率を１１０％とした比較例２では、最大ボイド面積が１．５ｍｍ２以上となり、セラミックス基板と金属板との接合に接合不良が発生した。
As can be seen from Table 1, in the samples of Invention Examples 1 to 3 in which the volume ratio of the metal member with respect to the through hole of the ceramic substrate is 40% or more, no depression or the like on the surface of the metal plate occurs, and the ceramic substrate It was possible to perform brazing well without causing cracks. And in these samples of the present invention 1 to 3, in the radial cross section passing through the central axis of the through hole, the area ratio of the Al—Si eutectic portion in which the Si concentration in the through hole is 1.6% by mass or more. Was 25% or less.
On the other hand, in the sample of Comparative Example 1 formed with a volume ratio of the metal member with respect to the through hole of the ceramic substrate of 33%, which is less than 40%, a depression or the like of the surface of the metal plate occurs, and the ceramic substrate cracks. It was. Furthermore, the area ratio of the Al—Si eutectic portion in the through hole in the radial cross section of the through hole exceeded 25%.
Further, in Comparative Example 2 in which the volume ratio of the metal member to the through hole of the ceramic substrate was 110%, the maximum void area was 1.5 mm 2 or more, and bonding failure occurred in the bonding between the ceramic substrate and the metal plate.
このように、セラミックス基板の貫通孔に圧入する金属部材は、貫通孔内部の空間に対して体積率を４０％以上１００％以下として形成することにより、貫通孔の中心軸を通る径方向断面において、貫通孔内のＳｉ濃度が１．６質量％以上とされるＡｌ‐Ｓｉ共晶部分の面積率を２５％以下にすることができる。また、このようにして製造されるセラミックス基板の製造方法においては、エロージョン現象が引き起こされることを回避でき、耐久性や耐食性を損なうことなくセラミックス基板の両側の金属板を接続状態とすることができる。 As described above, the metal member press-fitted into the through hole of the ceramic substrate is formed with a volume ratio of 40% or more and 100% or less with respect to the space inside the through hole. In addition, the area ratio of the Al—Si eutectic portion where the Si concentration in the through hole is 1.6% by mass or more can be made 25% or less. In addition, in the method for manufacturing a ceramic substrate manufactured in this way, it is possible to avoid the occurrence of an erosion phenomenon, and it is possible to connect the metal plates on both sides of the ceramic substrate without impairing durability and corrosion resistance. .
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施形態において金属部材１２として円柱状のものを用いたが、これに限らず、球状の純アルミニウムを金属部材として用いることも可能である。さらに、金属部材を小径の球状の純アルミニウムを複数用いることにより形成することも可能である。この場合、小径の球状の純アルミニウムを複数貫通孔内に詰めることで、しまり嵌め状態にすることができる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the above embodiment, a cylindrical member is used as the metal member 12, but the present invention is not limited to this, and spherical pure aluminum can be used as the metal member. Further, the metal member can be formed by using a plurality of small-diameter spherical pure aluminum. In this case, a tight fit can be achieved by filling small through-holes of pure aluminum in a plurality of through holes.
１ パワーモジュール用基板
２，３ セラミックス基板
４，４Ａ〜４Ｅ，５，５Ａ，５Ｂ，６ 金属板
７ 電子部品
８ ヒートシンク
１１ 貫通孔
１２ 金属部材
１３ ろう材箔
１５ Ａｌ‐Ｓｉ共晶部分
１１０ 加圧治具
１１１ 加圧板
１１２ 支柱
１１３ ナット
１１４ 天板
１１５ 付勢手段
１１６ カーボンシート
Ｓ 積層体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power module substrate 2, 3 Ceramic substrate 4, 4A-4E, 5, 5A, 5B, 6 Metal plate 7 Electronic component 8 Heat sink 11 Through hole 12 Metal member 13 Brazing material foil 15 Al-Si eutectic part 110 Pressurization Jig 111 Pressure plate 112 Post 113 Nut 114 Top plate 115 Biasing means 116 Carbon sheet S Laminate
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