JP6680144B2 - Method for manufacturing ceramic / Al-SiC composite material joined body and method for manufacturing power module substrate with heat sink - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが接合されてなるセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法、及びパワーモジュール用基板のセラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成されているヒートシンクとが接合されてな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関するものである。 The present invention comprises a method for producing a ceramic / Al-SiC composite material joined body in which a ceramic member and an Al-SiC composite material are joined, and a ceramic substrate of a power module substrate and an Al-SiC composite material. The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, which is joined to a heat sink.
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えたパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、回路層に搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、セラミックス基板の他方の面にヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。 Since a power semiconductor element for high power control used for controlling a wind power generator, an electric vehicle, a hybrid vehicle, or the like has a large amount of heat generation, a substrate on which the power semiconductor element is mounted is, for example, AlN (aluminum nitride) or Al. A power module substrate including a ceramic substrate made of 2 O 3 (alumina) or the like and a circuit layer formed by joining a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate has been widely used in the past. It is used. Further, in order to efficiently dissipate heat generated from a semiconductor element or the like mounted on a circuit layer, there is provided a power module substrate with a heat sink in which a heat sink is joined to the other surface of the ceramic substrate.
ヒートシンクの材料としては、ＳｉＣからなる多孔質体と、この多孔質体に含浸された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材とを有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料（アルミニウム基複合材料ともいう）が知られている。 As a material of the heat sink, an Al-SiC composite material (also called an aluminum-based composite material) having a porous body made of SiC and an aluminum material made of aluminum or an aluminum alloy impregnated in the porous body is known. There is.
例えば、特許文献１には、天板部がＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成されているヒートシンクを、セラミックス基板に接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。この特許文献１には、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する方法として、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材を純度９９．９８％以上のアルミニウム（純アルミニウム）とし、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する方法が記載されている。また、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する別の方法として、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材を融点が６００℃以下のアルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ合金）とし、そのＡｌ−ＳｉＣ複合材料のセラミックス基板側部分にＡｌ−Ｓｉ合金からなるスキン層を形成して、そのスキン層の一部を溶融させる方法が記載されている。 For example, Patent Document 1 discloses a power module substrate with a heat sink in which a heat sink whose top plate is made of an Al-SiC composite material is joined to a ceramic substrate. In this Patent Document 1, as a method of joining a ceramic substrate and an Al-SiC composite material, the aluminum material of the Al-SiC composite material is aluminum with a purity of 99.98% or more (pure aluminum), and an Al-Si based material is used. A method for joining a ceramics substrate and an Al-SiC composite material using a brazing material is described. As another method of joining the ceramic substrate and the Al-SiC composite material, the aluminum material of the Al-SiC composite material is an aluminum alloy (Al-Si alloy) having a melting point of 600 ° C or less, and the Al-SiC composite material is used. Describes a method of forming a skin layer made of an Al-Si alloy on the side of the ceramic substrate and melting a part of the skin layer.
ところで、特許文献１に記載されているように、アルミニウム材が純度９９．９８％以上のアルミニウムであるＡｌ−ＳｉＣ複合材料とセラミックス基板とをＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用い接合する場合には、接合温度を６００℃よりも高い温度とする必要があった。
一方、融点が６００℃以下のＡｌ−Ｓｉ合金からなるスキン層が形成されたＡｌ−ＳｉＣ複合材料とセラミックス基板とを、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のスキン層の一部を溶融させて接合する場合は、接合温度を６００℃以下にすることは可能である。しかしながら、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のスキン層の一部のみを溶融させることは難しく、スキン層を溶融させると、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料中のアルミニウム合金も溶融し、その一部が溶出して、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料中に空隙（ボイド）が生成するおそれがあった。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料中に空隙が生成すると、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の熱伝導性が低下する要因となる。
By the way, as described in Patent Document 1, when an Al—SiC composite material in which an aluminum material is aluminum having a purity of 99.98% or more and a ceramic substrate are joined using an Al—Si based brazing material, It was necessary to set the joining temperature to a temperature higher than 600 ° C.
On the other hand, in the case where the Al—SiC composite material having the skin layer made of an Al—Si alloy having a melting point of 600 ° C. or less and the ceramic substrate are melted and partly bonded to the skin layer of the Al—SiC composite material. It is possible to set the bonding temperature to 600 ° C. or lower. However, it is difficult to melt only a part of the skin layer of the Al-SiC composite material, and when the skin layer is melted, the aluminum alloy in the Al-SiC composite material also melts and a part of the aluminum alloy elutes, -There was a possibility that voids were generated in the SiC composite material. The formation of voids in the Al-SiC composite material causes a decrease in the thermal conductivity of the Al-SiC composite material.
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、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを、比較的低温での加熱によって、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料中のアルミニウム材を溶出させずに、かつ高強度で接合することができるセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and does not elute the aluminum material in the Al-SiC composite material by heating the ceramic member and the Al-SiC composite material at a relatively low temperature. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a ceramic / Al-SiC composite material bonded body that can be bonded with high strength, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.
このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明のセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法は、セラミックス部材と、ＳｉＣからなる多孔質体及びこの多孔質体に含浸された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材を有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料とをろう材を用いて接合するセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法であって、前記ろう材が、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部材層と、このアルミニウム部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層とを有する積層ろう材であり、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、前記セラミックス部材と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを、前記積層ろう材を介して積層して、前記積層ろう材の前記マグネシウム層と接触する前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている積層体を得る工程と、前記積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、前記セラミックス部材と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する工程と、を備えていることを特徴としている。 In order to solve such problems and achieve the above-mentioned object, a method for producing a ceramic / Al-SiC composite material joined body of the present invention comprises a ceramic member, a porous body made of SiC, and an impregnation of the porous body. And a Al-SiC composite material having an aluminum material made of aluminum or an aluminum alloy, which are joined together by using a brazing material, wherein the brazing material is aluminum or aluminum. A laminated brazing material having an aluminum member layer made of an alloy, and a magnesium layer formed on at least one of the front and back surfaces of the aluminum member layer, wherein the aluminum material of the Al-SiC composite material and the laminated brazing material are At least one of the aluminum member layers has a silicon content of 0.1 atomic% or more. The Al-SiC, which is made of a certain Al-Si alloy, is laminated with the ceramic member and the Al-SiC composite material via the laminated brazing material, and is in contact with the magnesium layer of the laminated brazing material. At least one of the aluminum material of the composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material obtains a laminated body composed of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more; A step of joining the ceramic member and the Al—SiC composite material by heating the laminated body in a temperature range of 550 ° C. or higher and 575 ° C. or lower is provided.
この構成のセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法によれば、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間に配置された積層ろう材は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金と接触しているので、５５０℃以上５７５℃以下と比較的低温での加熱によって、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料を接合することができる。
即ち、積層ろう材のマグネシウム層のマグネシウムがＡｌ−Ｓｉ合金層の表面に存在する酸化被膜を除去するとともに、Ａｌ−Ｓｉ合金層へ拡散して、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との間に、アルミニウム、とマグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉとによって、固相と液相が混在した固液共存領域が形成される。なお、この時に、固液共存領域に存在するマグネシウムによって、セラミックス部材やＡｌ−ＳｉＣ複合材料の表面の酸化被膜が除去される。そして、この固液共存領域が凝固することによって、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層を介して接合される。また、これらの酸化被膜とマグネシウムの反応によってマグネシウム酸化物が生じる。
これによって、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料は、表面の酸化被膜が消失して、接合層との密着性が向上するので、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とが強固に接合したセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体を製造することができる。
According to the method for manufacturing a ceramic / Al-SiC composite material joined body having this configuration, the laminated brazing material disposed between the ceramic member and the Al-SiC composite material has a silicon content of 0.1 atomic% or more. Since it is in contact with an Al-Si alloy, the ceramic member and the Al-SiC composite material can be joined by heating at a relatively low temperature of 550 ° C or higher and 575 ° C or lower.
That is, the magnesium in the magnesium layer of the laminated brazing material removes the oxide film existing on the surface of the Al-Si alloy layer, and diffuses into the Al-Si alloy layer to form a gap between the ceramic member and the Al-SiC composite material. , Aluminum, magnesium, silicon, and Mg 2 Si formed by the reaction of the diffused magnesium and silicon form a solid-liquid coexistence region in which a solid phase and a liquid phase are mixed. At this time, the oxide film on the surface of the ceramic member or the Al—SiC composite material is removed by magnesium existing in the solid-liquid coexisting region. Then, by solidifying the solid-liquid coexisting region, the ceramic member and the Al-SiC composite material are joined together via the joining layer containing aluminum, magnesium, and silicon. Further, magnesium oxide is produced by the reaction between these oxide films and magnesium.
As a result, the oxide film on the surface of the ceramic member and the Al-SiC composite material disappears, and the adhesion with the bonding layer improves, so that the ceramic / Al in which the ceramic member and the Al-SiC composite material are strongly bonded to each other. A SiC composite material bonded body can be manufactured.
また、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを、固液共存領域を形成させて接合しているので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料中のアルミニウム材を溶出させずに、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合することができる。さらにＡｌ−ＳｉＣ複合材料中のアルミニウム材が溶出しないので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材が流出することによる空隙（ボイド）の発生や、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のひび割れを抑制することができる。 In addition, since the ceramic member and the Al-SiC composite material are joined by forming the solid-liquid coexistence region, the ceramic member and the Al-SiC composite material are not eluted without elution of the aluminum material in the Al-SiC composite material. And can be joined. Furthermore, since the aluminum material in the Al-SiC composite material does not elute, the generation of voids (voids) due to the outflow of the aluminum material of the Al-SiC composite material and the cracking of the Al-SiC composite material can be suppressed.
ここで、本発明のセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法においては、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の前記アルミニウム材および前記積層ろう材の前記アルミニウム部材層の両方が、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、前記積層ろう材が、前記マグネシウム層が前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材と接触するように配置されていることが好ましい。 Here, in the method for manufacturing a ceramic / Al-SiC composite material joined body of the present invention, both of the aluminum material of the Al-SiC composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material have a silicon content of 0. It is preferable that the laminated brazing material is made of an Al-Si alloy of 1 atomic% or more and the magnesium layer is arranged so that the magnesium layer is in contact with the aluminum material of the Al-SiC composite material.
この場合、積層ろう材のマグネシウム層と接触しているＡｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材と積層ろう材のアルミニウム部材層の両方にケイ素が存在することにより、液相中に生成するＭｇ２Ｓｉが多くなるので、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との表面に形成されていた酸化被膜をより確実に消失させることができ、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とをより高強度で接合することが可能となる。 In this case, since silicon is present in both the aluminum material of the Al—SiC composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material that are in contact with the magnesium layer of the laminated brazing material, Mg 2 Si generated in the liquid phase is generated. Since the number is increased, the oxide film formed on the surfaces of the ceramic member and the Al-SiC composite material can be more surely removed, and the ceramic member and the Al-SiC composite material can be bonded with higher strength. It will be possible.
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合された回路層とを有するパワーモジュール用基板の前記セラミックス基板と、ＳｉＣからなる多孔質体及びこの多孔質体に含浸された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材を有するＡｌ−ＳｉＣ複合材料で構成されているヒートシンクとをろう材を用いて接合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であって、前記ろう材が、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部材層と、このアルミニウム部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層とを有する積層ろう材であり、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを、前記積層ろう材を介して積層して、前記積層ろう材の前記マグネシウム層と接触する前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている積層体を得る工程と、前記積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する工程と、を備えていることを特徴としている。 A method of manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention includes a ceramic substrate, the ceramic substrate of the power module substrate having a circuit layer bonded to one surface of the ceramic substrate, and a porous body made of SiC. And a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, in which a heat sink composed of an Al-SiC composite material having an aluminum material made of aluminum or an aluminum alloy impregnated in this porous body is joined using a brazing material. The brazing material is a laminated brazing material having an aluminum member layer made of aluminum or an aluminum alloy and a magnesium layer formed on at least one of the front and back surfaces of the aluminum member layer, and the Al-SiC composite Aluminum material and laminated brazing material At least one of the aluminum member layers is made of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more, and the ceramic substrate and the Al-SiC composite material are combined with each other by the laminated brazing material. At least one of the aluminum member of the Al—SiC composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material which are laminated via the aluminum brazing material and are in contact with the magnesium layer of the laminated brazing material has a silicon content of 0.1 atom. % Of the Al—Si alloy or more, and by heating the laminate in a temperature range of 550 ° C. or higher and 575 ° C. or lower, the ceramic substrate and the Al—SiC composite material are combined. And a step of joining.
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の製造方法によれば、上述のセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法の場合と同様に、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを、５５０℃以上５７５℃以下と比較的低温での加熱によって、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料中のアルミニウム材を溶出させずに、かつ高強度で接合することができる。 According to the manufacturing method of the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of this configuration, a ceramic substrate and an Al-SiC composite material are provided in the same manner as in the above-described method of manufacturing a ceramic / Al-SiC composite material joined body. By heating at a relatively low temperature of 550 ° C. or higher and 575 ° C. or lower, the aluminum material in the Al—SiC composite material can be joined with high strength without being eluted.
ここで、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においては、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の前記アルミニウム材および前記積層ろう材の前記アルミニウム部材層の両方が、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、前記積層ろう材が、前記マグネシウム層が前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材と接触するように配置されていることが好ましい。 Here, in the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink of the present invention, both of the aluminum material of the Al-SiC composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material have a silicon content of 0.1 atom. % Of Al—Si alloy, and the laminated brazing material is preferably arranged such that the magnesium layer is in contact with the aluminum material of the Al—SiC composite material.
この場合、上述のセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法の場合と同様に、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料との表面に形成されている酸化被膜をより確実に消失させることができ、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とをより高強度で接合することが可能となる。 In this case, the oxide film formed on the surfaces of the ceramic substrate and the Al-SiC composite material can be more surely eliminated, as in the case of the above-described method for manufacturing a ceramic / Al-SiC composite material joined body. Thus, it becomes possible to bond the ceramic substrate and the Al-SiC composite material with higher strength.
本発明によれば、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを、比較的低温での加熱によって、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料中のアルミニウム材を溶出させずに、かつ高強度で接合することができるセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, a ceramic member and an Al-SiC composite material can be bonded together by heating at a relatively low temperature with high strength without elution of the aluminum material in the Al-SiC composite material. It is possible to provide a method for manufacturing a / Al-SiC composite material joined body and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink.
以下、図面を参照して、本発明のセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法およびヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, with reference to the drawings, a method for manufacturing a ceramic / Al-SiC composite material bonded body and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention will be described. The following embodiments are specifically described in order to better understand the gist of the invention, and do not limit the invention unless otherwise specified. Further, in the drawings used in the following description, in order to facilitate understanding of the features of the present invention, for convenience, there are cases where essential parts are enlarged and shown, and the dimensional ratios of the respective components are the same as the actual ones. Not necessarily.
まず、本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によって得られるヒートシンク付パワーモジュール用基板の構成を、図１と図２を参照して説明する。 First, the configuration of a power module substrate with a heat sink obtained by a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図１において、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１は、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０とを備える。
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）に接合された回路層１２を備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２とヒートシンク２０との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、ＡｌＮで構成されている。セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
In FIG. 1, a power module substrate 1 with a heat sink includes a power module substrate 10 and a heat sink 20.
The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11 and a circuit layer 12 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the heat sink 20, and has excellent insulation and heat dissipation properties such as Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), and Al. It is made of ceramics such as 2 O 3 (alumina). In this embodiment, it is made of AlN. The thickness of the ceramic substrate 11 is set within the range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in this embodiment.
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム部材が接合されることで形成されている。アルミニウム部材としては、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）を用いることができる。本実施形態では、４Ｎアルミニウムの圧延板を用いている。回路層１２の厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．４ｍｍに設定されている。回路層１２とセラミックス基板１１とは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。 The circuit layer 12 is formed by joining an aluminum member made of aluminum or an aluminum alloy to one surface of the ceramic substrate 11. As the aluminum member, aluminum having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum) or aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum) can be used. In this embodiment, a rolled plate of 4N aluminum is used. The thickness of the circuit layer 12 is set within the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.4 mm in this embodiment. The circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 are joined by, for example, an Al-Si based brazing material.
ヒートシンク２０は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものである。このヒートシンク２０には、冷却用の流体が流れるための流路２１が設けられている。 The heat sink 20 is for dissipating heat on the power module substrate 10 side. The heat sink 20 is provided with a flow path 21 through which a cooling fluid flows.
ヒートシンク２０は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）３０で構成されている。Ａｌ−ＳｉＣ複合材料は、ＳｉＣからなる多孔質体３１と、この多孔質体３１に含浸された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材３２とを有する。アルミニウム材３２としては、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等の純アルミニウム、Ａｌ：８０ｍａｓｓ％以上９９．９９ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．０１ｍａｓｓ％以上１３．５ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０３ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、残部：不純物の組成を有するアルミニウム合金を用いることができる。また、ＡＤＣ１２やＡ３５６等のアルミニウム合金を用いることもできる。
Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０はスキン層を有していてもよい。このスキン層は、多孔質体３１となるＳｉＣにアルミニウム材３２を溶融して含浸させてＡｌ−ＳｉＣ複合材料を製造する際に、このアルミニウム材３２の一部が表面に滲み出すことによって形成される層である。従って、スキン層は、アルミニウム材３２と同じ組成となる。スキン層の厚さは、滲み出したアルミニウム材を切削加工することによって調整される。
The heat sink 20 is composed of an Al-SiC composite material (so-called AlSiC) 30. The Al-SiC composite material has a porous body 31 made of SiC and an aluminum material 32 made of aluminum or an aluminum alloy impregnated in the porous body 31. As the aluminum material 32, pure aluminum such as aluminum having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum) or aluminum having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum), Al: 80 mass% or more and 99.99 mass% or less, Si: 0 An aluminum alloy having a composition of 0.01 mass% or more and 13.5 mass% or less, Mg: 0.03 mass% or more and 5.0 mass% or less, and balance: impurities can be used. Alternatively, an aluminum alloy such as ADC12 or A356 can be used.
The Al-SiC composite material 30 may have a skin layer. This skin layer is formed by leaching a part of the aluminum material 32 onto the surface when the aluminum material 32 is melted and impregnated into SiC to be the porous body 31 to produce an Al-SiC composite material. It is a layer. Therefore, the skin layer has the same composition as the aluminum material 32. The thickness of the skin layer is adjusted by cutting the exuded aluminum material.
ヒートシンク２０の厚さは０．５ｍｍ〜５．０ｍｍとすることができる。なお、ヒートシンク２０の厚さはスキン層が形成されている場合はそのスキン層の厚さを含んだ厚さである。また、スキン層の片面当たりの厚さは、ヒートシンク２０の厚さの０．０１倍〜０．１倍とすることが好ましい。
なお、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１において、ヒートシンク２０の面積は、セラミックス基板１１の面積と同じか、又は、大きくなるように設定されている。
The thickness of the heat sink 20 can be 0.5 mm to 5.0 mm. The thickness of the heat sink 20 includes the thickness of the skin layer when the skin layer is formed. Further, the thickness of the skin layer per one side is preferably 0.01 to 0.1 times the thickness of the heat sink 20.
In the power module substrate 1 with a heat sink of the present embodiment, the area of the heat sink 20 is set to be the same as or larger than the area of the ceramic substrate 11.
ここで、セラミックス基板１１とヒートシンク２０との接合部分の構造について、図２を用いて説明する。 Here, the structure of the joint portion between the ceramic substrate 11 and the heat sink 20 will be described with reference to FIG.
図２において、セラミックス基板１１とヒートシンク２０であるＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とは、接合層４０を介して接合されている。なお、図２の（ａ）は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０がスキン層３３を有する場合であり、（ｂ）は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０がスキン層３３を有しない場合である。 In FIG. 2, the ceramic substrate 11 and the Al—SiC composite material 30 that is the heat sink 20 are bonded via a bonding layer 40. 2A shows the case where the Al—SiC composite material 30 has the skin layer 33, and FIG. 2B shows the case where the Al—SiC composite material 30 does not have the skin layer 33.
接合層４０は、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む。接合層４０は、後述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において、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との間に積層ろう材を介して積層した積層体を加熱することによって生成した、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む固液共存領域が凝固して成形された層である。 The bonding layer 40 contains aluminum, magnesium, and silicon. The bonding layer 40 is generated by heating a laminated body that is laminated between the ceramics substrate 11 and the Al—SiC composite material 30 via a brazing filler metal in a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink described below. It is a layer formed by solidifying a solid-liquid coexisting region containing aluminum, magnesium and silicon.
接合層４０には、マグネシウム酸化物４１が析出している。マグネシウム酸化物４１は、セラミックス基板１１と接合層４０との接合界面近傍や、接合層４０とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０（スキン層３３）との界面近傍に析出している。なお、マグネシウム酸化物４１は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０（スキン層３３）のうち、接合層４０とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０（スキン層３３）との界面近傍に析出している場合もある。マグネシウム酸化物４１は、通常、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）およびこれらの複合物である。マグネシウム酸化物４１は、後述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において、セラミックス基板１１の表面と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０の表面とにそれぞれ存在していた酸化被膜と、固液共存領域中のマグネシウムが反応することによって生成した生成物である。また、接合層４０にはさらに、Ｍｇ２Ｓｉが析出している場合もある。 Magnesium oxide 41 is deposited on the bonding layer 40. The magnesium oxide 41 is deposited near the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the bonding layer 40, and near the interface between the bonding layer 40 and the Al—SiC composite material 30 (skin layer 33). The magnesium oxide 41 may be deposited near the interface between the bonding layer 40 and the Al-SiC composite material 30 (skin layer 33) in the Al-SiC composite material 30 (skin layer 33). Magnesium oxide 41 is typically magnesium oxide (MgO), spinel (MgAl 2 O 4 ) and composites thereof. Magnesium oxide 41 is contained in the solid-liquid coexisting region and the oxide film existing on the surface of the ceramic substrate 11 and the surface of the Al—SiC composite material 30 in the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink described later. It is a product produced by the reaction of magnesium of. In addition, Mg 2 Si may be further deposited on the bonding layer 40.
次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１の製造方法について、図３と図４を参照して説明する。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１の製造方法は、図３に示すように、回路層接合工程Ｓ０１とヒートシンク接合工程Ｓ０２とを有する。 Next, a method of manufacturing the power module substrate 1 with a heat sink according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. As shown in FIG. 3, the method for manufacturing the power module substrate 1 with a heat sink according to the present embodiment includes a circuit layer bonding step S01 and a heat sink bonding step S02.
（回路層接合工程Ｓ０１）
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となるアルミニウム部材５１を、ろう材５２を介して積層する。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板１１に回路層１２を接合する。
以上の回路層接合工程Ｓ０１により、本実施形態におけるパワーモジュール用基板１０が製造される。
(Circuit layer joining step S01)
First, as shown in FIG. 4, an aluminum member 51 to be the circuit layer 12 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 with a brazing material 52 interposed therebetween. Next, the circuit layer 12 is bonded to the ceramic substrate 11 by heating while applying pressure in the stacking direction.
Through the circuit layer bonding step S01 described above, the power module substrate 10 in this embodiment is manufactured.
（ヒートシンク接合工程Ｓ０２）
次に、パワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１と、ヒートシンク２０となるＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを接合して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１を製造する。このヒートシンク接合工程Ｓ０２は、図３に示すように、積層工程Ｓ２１と接合工程Ｓ２２とを有する。
(Heat sink joining step S02)
Next, the ceramics substrate 11 of the power module substrate 10 and the Al-SiC composite material 30 serving as the heat sink 20 are bonded together to manufacture the power module substrate 1 with a heat sink. The heat sink joining step S02 includes a laminating step S21 and a joining step S22, as shown in FIG.
積層工程Ｓ２１において、図４に示すように、パワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１と、ヒートシンク２０となるＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０を、積層ろう材５３を介して積層して積層体を得る。 In the laminating step S21, as shown in FIG. 4, the ceramic substrate 11 of the power module substrate 10 and the Al—SiC composite material 30 to be the heat sink 20 are laminated via the laminating brazing material 53 to obtain a laminated body.
積層ろう材５３は、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部材層５４と、このアルミニウム部材層５４の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層５５とを有する。マグネシウム層５５は、アルミニウム部材層５４の表裏面の両面に配設されていてもよい。積層ろう材５３は、アルミニウム部材層５４とマグネシウム層５５とが分離した構造を有するので、マグネシウム層５５のマグネシウム濃度を高くできる。従来のＭｇ含有Ａｌ−Ｓｉ系ろう材やＭｇ含有合金を皮材としたクラッド材ではマグネシウム濃度を高くすると圧延性が低下し、ろう材として使用可能な形状に成形することが困難となる。このため、本実施形態においては、上記の積層ろう材５３を用いている。
なお、マグネシウム層５５を形成する方法としては、マグネシウムターゲットを用いたスパッタ法あるいはマグネシウム粉末のペーストを塗布して乾燥する方法や蒸着法を用いることができる。
The brazing material 53 has an aluminum member layer 54 made of aluminum or an aluminum alloy, and a magnesium layer 55 formed on at least one of the front and back surfaces of the aluminum member layer 54. The magnesium layer 55 may be provided on both front and back surfaces of the aluminum member layer 54. Since the laminated brazing material 53 has a structure in which the aluminum member layer 54 and the magnesium layer 55 are separated, the magnesium concentration of the magnesium layer 55 can be increased. In the case of a conventional Mg-containing Al—Si brazing material or a clad material using a Mg-containing alloy as a skin material, if the magnesium concentration is increased, the rolling property is deteriorated, and it becomes difficult to form a shape usable as a brazing material. Therefore, in the present embodiment, the above-mentioned laminated brazing material 53 is used.
As a method of forming the magnesium layer 55, a sputtering method using a magnesium target, a method of applying a paste of magnesium powder and drying, or a vapor deposition method can be used.
積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４の材料としては、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）、ケイ素含有量が０．１原子％以上のＡｌ−Ｓｉ合金を用いることができる。Ａｌ−Ｓｉ合金としては、例えば、Ａｌ−７．５〜１２．５ｍａｓｓ％（７．２〜１２．１原子％）Ｓｉ合金を用いることができる。アルミニウム部材層５４の厚さは、３〜５０μｍの範囲にあることが好ましい。 Aluminum (4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more and an Al—Si alloy having a silicon content of 0.1 atom% or more can be used as the material of the aluminum member layer 54 of the laminated brazing material 53. As the Al-Si alloy, for example, an Al-7.5 to 12.5 mass% (7.2 to 12.1 atomic%) Si alloy can be used. The thickness of the aluminum member layer 54 is preferably in the range of 3 to 50 μm.
積層ろう材５３のマグネシウム層５５は、マグネシウム純度が８０原子％以上であることが好ましく、９０原子％以上であることが特に好ましい。マグネシウム層５５のマグネシウム濃度が８０原子％以上であると、後述の接合工程Ｓ２２において固液共存領域が生成し易くなり、また固液共存領域中にＭｇ２Ｓｉが生成し易くなる。 The magnesium layer 55 of the laminated brazing material 53 preferably has a magnesium purity of 80 atomic% or higher, and particularly preferably 90 atomic% or higher. When the magnesium concentration of the magnesium layer 55 is 80 atomic% or more, a solid-liquid coexistence region is likely to be generated in the bonding step S22 described later, and Mg 2 Si is likely to be generated in the solid-liquid coexistence region.
また、マグネシウム層５５の厚さは、１．０〜５．０μｍ（両面に配設される場合は、合計の厚さ）とすることが好ましい。マグネシウム層５５の厚さが薄くなりすぎると、積層体の加熱時に生成するＭｇ２Ｓｉの量が少なくなり、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との接合強度が低下するおそれがある。一方、マグネシウム層５５の厚さが厚くなりすぎると、後述の接合工程Ｓ２２においてＡｌ−Ｍｇ合金の液相が過剰に生成して、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との接合性が低下するおそれがある。 Further, the thickness of the magnesium layer 55 is preferably 1.0 to 5.0 μm (total thickness when arranged on both sides). If the thickness of the magnesium layer 55 is too thin, the amount of Mg 2 Si produced during heating of the laminated body will be small, and the bonding strength between the ceramic substrate 11 and the Al—SiC composite material 30 may be reduced. On the other hand, if the thickness of the magnesium layer 55 becomes too thick, the liquid phase of the Al-Mg alloy is excessively generated in the bonding step S22, which will be described later, and the bondability between the ceramic substrate 11 and the Al-SiC composite material 30 deteriorates. May occur.
積層工程Ｓ２１においては、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを、積層ろう材５３のマグネシウム層５５と接触するＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２および積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されているように積層する。本実施形態では、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２および積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４の両方が、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、積層ろう材５３が、マグネシウム層５５がＡｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材３２と接触するように配置されている。 In the laminating step S21, the ceramic substrate 11 and the Al-SiC composite material 30 are in contact with the magnesium layer 55 of the brazing material 53, the aluminum material 32 of the Al-SiC material 30 and the aluminum member layer 54 of the brazing material 53. At least one of them is laminated so as to be composed of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more. In the present embodiment, both the aluminum material 32 of the Al—SiC composite material 30 and the aluminum member layer 54 of the laminated brazing material 53 are made of an Al—Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more. The laminated brazing material 53 is arranged so that the magnesium layer 55 contacts the aluminum material 32 of the Al—SiC composite material.
次に、接合工程Ｓ２２では、得られた積層体を積層方向に加圧しながら、５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲にて加熱する。この加熱によって、マグネシウム層５５のマグネシウムがＡｌ−Ｓｉ合金層の表面に存在する酸化被膜を除去するとともに、拡散して、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０との間に、アルミニウムと、マグネシウムと、ケイ素と、拡散してきたマグネシウムとケイ素との反応によって形成されたＭｇ２Ｓｉとによって、固液共存領域が生成される。なお、この時に、固液共存領域に存在するマグネシウムによって、セラミックス基板１１やＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０の表面の酸化被膜が除去される。そして、固液共存領域が凝固することによって、図２に示すようにセラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とが、アルミニウムとマグネシウムとケイ素を含む接合層４０を介して接合される。なお、マグネシウム酸化物４１はこれらの酸化被膜とマグネシウムの反応によって生じる。また、接合温度が高い場合や保持時間が長い場合では、接合層４０にＭｇ２Ｓｉがほとんど観察されない場合もある。なお、固液共存領域の凝固は、冷却による凝固であってもよいし、マグネシウムの拡散等によって固液共存領域中の液相の融点が上昇して、加熱温度を保ったまま凝固する、いわゆる等温凝固によるものであってもよい。 Next, in the joining step S22, the obtained laminated body is heated in a temperature range of 550 ° C. or higher and 575 ° C. or lower while being pressed in the laminating direction. By this heating, the magnesium of the magnesium layer 55 removes the oxide film existing on the surface of the Al—Si alloy layer, and diffuses, so that the aluminum and the magnesium are separated between the ceramic substrate 11 and the Al—SiC composite material 30. And silicon, and Mg 2 Si formed by the reaction of the diffused magnesium and silicon form a solid-liquid coexisting region. At this time, the oxide film on the surface of the ceramic substrate 11 and the Al—SiC composite material 30 is removed by magnesium existing in the solid-liquid coexisting region. Then, as the solid-liquid coexistence region is solidified, the ceramics substrate 11 and the Al—SiC composite material 30 are joined together via the joining layer 40 containing aluminum, magnesium, and silicon as shown in FIG. The magnesium oxide 41 is generated by the reaction of these oxide films with magnesium. Further, when the bonding temperature is high or the holding time is long, Mg 2 Si may hardly be observed in the bonding layer 40 in some cases. The solidification of the solid-liquid coexistence region may be solidification by cooling, or the melting point of the liquid phase in the solid-liquid coexistence region is increased by diffusion of magnesium or the like, and solidification is performed while maintaining the heating temperature, so-called It may be by isothermal coagulation.
本実施形態では、上記の接合体の接合条件として、積層方向の荷重を０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以（１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内、接合温度を５５０℃以上５７５℃以下の範囲内、保持時間を１５分以上１８０分以下の範囲内とされている。接合温度が低くなりすぎると固液共存領域が生成しないおそれがある。一方、接合温度が高くなりすぎると、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０の母材の溶融が生じるおそれがある。なお、接合温度は、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２の流出を抑えるために、アルミニウム材３２の融点よりも低い温度であることが好ましい。
また、付与する荷重が低くなりすぎると、固液共存領域がＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０に接触しにくくなり、接合不良となるおそれがある。付与する荷重が高くなりすぎると、回路層１２、セラミックス基板１１又はＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０に亀裂や破損が生じるおそれがある。
In the present embodiment, as the joining conditions for the above conjugate, in the range of 3.5MPa or more than 0.1MPa the load in the stacking direction (1 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less), the bonding temperature 550 ° C. or higher 575 It is set within the range of 0 ° C. or lower, and the holding time is within the range of 15 minutes or longer and 180 minutes or shorter. If the bonding temperature becomes too low, the solid-liquid coexisting region may not be generated. On the other hand, if the joining temperature becomes too high, the base material of the Al—SiC composite material 30 may melt. The joining temperature is preferably lower than the melting point of the aluminum material 32 in order to suppress the outflow of the aluminum material 32 of the Al-SiC composite material 30.
Further, if the applied load becomes too low, the solid-liquid coexistence region is less likely to come into contact with the Al—SiC composite material 30, and there is a risk of poor bonding. If the applied load becomes too high, the circuit layer 12, the ceramic substrate 11, or the Al-SiC composite material 30 may be cracked or damaged.
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板１の製造方法によれば、ヒートシンク接合工程Ｓ０２において、パワーモジュール用基板１０のセラミックス基板１１とヒートシンク２０となるＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを、固液共存領域を形成させて接合しているので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０中のアルミニウム材３２を溶出させずに、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とを高強度で接合することができる。また、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料中のアルミニウム材が溶出しないので、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材が流出することによる空隙（ボイド）の発生や、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のひび割れを抑制することができる。 According to the method of manufacturing the power module substrate 1 with a heat sink having the above-described configuration according to the present embodiment, in the heat sink bonding step S02, the ceramic substrate 11 of the power module substrate 10 and the Al-SiC to be the heat sink 20 are formed. Since the composite material 30 and the composite material 30 are joined together by forming a solid-liquid coexisting region, the ceramic substrate 11 and the Al-SiC composite material 30 are made high without elution of the aluminum material 32 in the Al-SiC composite material 30. Can be joined with strength. Further, since the aluminum material in the Al-SiC composite material does not elute, it is possible to suppress the generation of voids (voids) due to the outflow of the aluminum material of the Al-SiC composite material and the cracking of the Al-SiC composite material. .
さらに、本実施形態では、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２および積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４の両方がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、積層ろう材５３が、マグネシウム層５５がＡｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材３２と接触するように配置されているので、生成するＭｇ２Ｓｉの量が少なくなることを防止し、セラミックス基板１１とＡｌ−ＳｉＣ複合材料３０とをより確実に接合することが可能となる。 Further, in the present embodiment, both the aluminum material 32 of the Al—SiC composite material 30 and the aluminum member layer 54 of the laminated brazing material 53 are made of Al—Si alloy, and the laminated brazing material 53 and the magnesium layer 55 are Since it is arranged so as to come into contact with the aluminum material 32 of the Al-SiC composite material, it is possible to prevent the amount of generated Mg 2 Si from decreasing, and to more reliably secure the ceramic substrate 11 and the Al-SiC composite material 30. It becomes possible to join.
従って、本実施形態での製造方法によって得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板１は、セラミックス基板１１とヒートシンク２０（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０）との接合強度が高く、また、ヒートシンク中の空隙（ボイド）が少ないので、ヒートサイクル信頼性が優れたものとなる。 Therefore, the power module substrate 1 with a heat sink obtained by the manufacturing method according to the present embodiment has a high bonding strength between the ceramic substrate 11 and the heat sink 20 (Al-SiC composite material 30), and also has a void ( Since the number of voids is small, the heat cycle reliability is excellent.
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、本実施形態では、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス部材とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合したセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体であればよい。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately modified without departing from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, the power module substrate with a heat sink has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and a ceramic / Al-SiC composite material in which a ceramic member and an Al-SiC composite material are joined together is used. It may be a bonded body.
また、本実施形態では、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２および積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４の両方がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、積層ろう材５３が、マグネシウム層５５がＡｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材３２と接触するように配置されている例を説明したが、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０のアルミニウム材３２および積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４のうちの少なくとも一方がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていればよい。また、積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４がＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている場合は、積層ろう材５３のマグネシウム層５５とＡｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材３２と接触させる必要なく、積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４とＡｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材３２と接触させてもよい。但し、積層ろう材５３のアルミニウム部材層５４のケイ素含有量が０．１原子％未満である場合は、積層ろう材５３のマグネシウム層５５とＡｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材３２と接触させることが必要である。 Further, in the present embodiment, both the aluminum material 32 of the Al—SiC composite material 30 and the aluminum member layer 54 of the laminated brazing material 53 are made of Al—Si alloy, and the laminated brazing material 53 and the magnesium layer 55 are Although the example in which the aluminum material 32 of the Al-SiC composite material is arranged to be in contact with the aluminum material 32 has been described, at least one of the aluminum material 32 of the Al-SiC composite material 30 and the aluminum member layer 54 of the laminated brazing material 53 is provided. It may be made of Al-Si alloy. When the aluminum member layer 54 of the brazing material 53 is made of an Al-Si alloy, it is not necessary to contact the magnesium layer 55 of the brazing material 53 and the aluminum material 32 of the Al-SiC composite material and the brazing material is laminated. The aluminum member layer 54 of the material 53 and the aluminum material 32 of the Al—SiC composite material may be brought into contact with each other. However, when the silicon content of the aluminum member layer 54 of the laminated brazing material 53 is less than 0.1 atomic%, the magnesium layer 55 of the laminated brazing material 53 and the aluminum material 32 of the Al—SiC composite material may be brought into contact with each other. is necessary.
また、本実施形態では、回路層１２を４Ｎアルミニウムの圧延板が接合されることで形成したが、これに限らず、銅又は銅合金板をセラミックス基板１１に接合することで、銅又は銅合金からなる回路層（厚さ０．１ｍｍ〜３．０ｍｍ）を形成してもよい。この場合、銅又は銅合金板をセラミックス基板１１に接合する場合には、Ａｇ−Ｃｕ−ＴｉやＡｇ−Ｔｉろう材による、活性金属ろう付け法が好適に用いられる。
さらに、回路層が、アルミニウムと銅（若しくはそれらの合金）の積層体から構成されていてもよい。この場合、セラミックス基板上にアルミニウム層が形成され、アルミニウム層上に銅層が形成されている。
In addition, in the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining a rolled plate of 4N aluminum, but the present invention is not limited to this, and by joining a copper or copper alloy plate to the ceramic substrate 11, copper or a copper alloy is formed. You may form the circuit layer (thickness 0.1 mm-3.0 mm) which consists of. In this case, when a copper or copper alloy plate is bonded to the ceramic substrate 11, an active metal brazing method using Ag-Cu-Ti or Ag-Ti brazing material is preferably used.
Further, the circuit layer may be composed of a laminated body of aluminum and copper (or an alloy thereof). In this case, the aluminum layer is formed on the ceramic substrate, and the copper layer is formed on the aluminum layer.
また、本実施形態の製造方法において、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、かつ、ろう材５２として積層ろう材５３を用いる場合、回路層とセラミックス基板の接合（回路層接合工程Ｓ０１）とセラミックス基板とヒートシンク２０（Ａｌ−ＳｉＣ複合材料３０）の接合（ヒートシンク接合工程Ｓ０２）を同時に行うことも可能である。 In the manufacturing method of this embodiment, when the circuit layer is made of aluminum or an aluminum alloy and the laminated brazing material 53 is used as the brazing material 52, the circuit layer and the ceramic substrate are bonded (circuit layer bonding step S01). The ceramic substrate and the heat sink 20 (Al-SiC composite material 30) can be joined at the same time (heat sink joining step S02).
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。 A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
［本発明例１〜２３、従来例１〜４、比較例１〜４］
表１に示すように、回路層形成用金属板と、セラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３の場合：厚さ０．６３５ｍｍ、ＳｉＮの場合：０．３２ｍｍ）と、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ＡｌＳｉＣ）の板材（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ５ｍｍ（スキン層が有る場合：スキン層は両面、片面の厚さは０．２ｍｍ））と、ろう材とを準備した。
なお、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材の融点は、ＡＤＣ１２が５７０℃、４Ｎアルミニウムが６６０℃、２Ｎアルミニウムが６５０℃である。
[Invention Examples 1 to 23, Conventional Examples 1 to 4, Comparative Examples 1 to 4]
As shown in Table 1, a circuit layer-forming metal plate, a ceramic substrate (40 mm × 40 mm, AlN and Al 2 O 3 : thickness 0.635 mm, SiN: 0.32 mm), and Al-SiC A composite material (AlSiC) plate material (50 mm × 60 mm × thickness 5 mm (when there is a skin layer: both sides of the skin layer, the thickness of one side is 0.2 mm)) and a brazing material were prepared.
The melting point of the aluminum material of the Al-SiC composite material is 570 ° C for ADC12, 660 ° C for 4N aluminum, and 650 ° C for 2N aluminum.
回路層形成用金属板とセラミックス基板とを下記のようにして接合して、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。
回路層形成用金属板が４Ｎ−Ａｌの場合、セラミックス基板の一方の面に、回路層形成用金属板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を、ろう材（Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ、厚さ：１２μｍ）を介して積層した。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板に回路層形成用金属板を接合し、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。なお、積層方向の荷重は０．６ＭＰａ、接合温度は６４５℃、保持時間は４５分とした。
回路層形成用金属板がＣｕの場合、セラミックス基板の一方の面に無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）を、ろう材（Ａｇ−９．８ｍａｓｓ％Ｔｉ）を介して積層し、荷重０．６ＭＰａ、接合温度８３０℃、保持時間３０分の条件で接合し、回路層が形成されたセラミックス基板を得た。
The metal plate for forming the circuit layer and the ceramics substrate were joined together as described below to obtain a ceramics substrate on which the circuit layer was formed.
When the circuit layer forming metal plate is 4N-Al, the circuit layer forming metal plate (37 mm × 37 mm × thickness 0.4 mm) is provided on one surface of the ceramic substrate with a brazing material (Al-7.5 mass% Si). , Thickness: 12 μm). Then, the metal plate for forming a circuit layer was joined to the ceramic substrate by heating while applying pressure in the stacking direction to obtain a ceramic substrate on which the circuit layer was formed. The load in the stacking direction was 0.6 MPa, the joining temperature was 645 ° C., and the holding time was 45 minutes.
When the circuit layer forming metal plate is Cu, a copper plate (37 mm × 37 mm × thickness 0.6 mm) made of oxygen-free copper is provided on one surface of the ceramic substrate through a brazing material (Ag-9.8 mass% Ti). And laminated under a load of 0.6 MPa, a joining temperature of 830 ° C., and a holding time of 30 minutes to obtain a ceramic substrate having a circuit layer formed thereon.
次に、回路層が形成されたセラミックス基板の他方の面に、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料（ヒートシンク）を、表１に示すろう材を介し積層した。次いで、積層方向に加圧しながら加熱することによって、セラミックス基板にＡｌ−ＳｉＣ複合材料（ヒートシンク）を接合して、評価用試料（ヒートシンク付パワーモジュール用基板）を作製した。接合条件は表１に記載の通りとした。なお、従来例１〜４では、積層ろう材ではなく、表１に記載のろう材箔を用いた。 Next, an Al-SiC composite material (heat sink) was laminated on the other surface of the ceramic substrate on which the circuit layer was formed, with the brazing material shown in Table 1 interposed therebetween. Then, the Al-SiC composite material (heat sink) was bonded to the ceramic substrate by heating while applying pressure in the stacking direction, and an evaluation sample (substrate for power module with heat sink) was produced. The joining conditions were as shown in Table 1. In Conventional Examples 1 to 4, the brazing material foil shown in Table 1 was used instead of the laminated brazing material.
（初期接合性）
得られた評価用試料を用いて、セラミックス基板とヒートシンクとの接合率を測定して、初期接合性を評価した。
具体的には、超音波探傷装置（インサイト社製ＩＮＳＩＧＨＴ−３００）を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわちセラミックス基板の面積（４０ｍｍ×４０ｍｍ）とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を非接合部面積とした。評価結果を表１に示す。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
(Initial bondability)
Using the obtained evaluation sample, the bonding ratio between the ceramic substrate and the heat sink was measured to evaluate the initial bonding property.
Specifically, it was evaluated using an ultrasonic flaw detector (INSIGHT-300 manufactured by Insight Co., Ltd.) and calculated from the following formula. Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area (40 mm × 40 mm) of the ceramic substrate. In the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, peeling is shown by a white portion in the joint portion, and thus the area of this white portion was defined as the non-joint portion area. Table 1 shows the evaluation results.
(Joining rate) = {(initial joining area)-(non-joint area)} / (initial joining area) x 100
（冷熱サイクル後の接合性）
冷熱サイクル後の接合性は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、上述の評価用試料に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×１０分←→１７５℃×１０分の２０００サイクルを実施し、上述した方法と同じ方法で接合率を測定して、評価した。評価結果を表１に示す。
(Jointness after cooling / heating cycle)
As for the bondability after the thermal cycle, the thermal shock tester TSB-51 manufactured by ESPEC Co., Ltd. was used, and the above-mentioned evaluation sample was in a liquid phase (Florinate) at −40 ° C. × 10 minutes ← → 175 ° C. × 10. 2000 cycles per minute were performed, and the bonding rate was measured and evaluated by the same method as described above. Table 1 shows the evaluation results.
（母材溶融の評価）
得られた評価用試料のＡｌ−ＳｉＣ複合材料表面を目視で観察し、母材溶融によるアルミニウムの流出や割れが確認された試料を「×」、確認されなかった試料を「○」と評価した。なお、図５は、母材溶融が発生したＡｌ−ＳｉＣ複合材料の一例の側面の写真であり、（ａ）は、母材溶融によるアルミニウムの流出が生じたＡｌ−ＳｉＣ複合材料の側面写真であり、（ｂ）は、母材溶融による割れが生じたＡｌ−ＳｉＣ複合材料の角部の側面写真である。図５（ａ）に示すように、母材溶融によるアルミニウムの流出が生じた場合、アルミニウムはＡｌ−ＳｉＣ複合材料表面に玉状になって存在する。
(Evaluation of base material melting)
The surface of the obtained Al-SiC composite material of the evaluation sample was visually observed, and the sample in which the outflow or cracking of aluminum due to the melting of the base material was confirmed was evaluated as "x", and the sample which was not confirmed was evaluated as "○". . Note that FIG. 5 is a photograph of a side surface of an example of the Al-SiC composite material in which the base material has melted, and (a) is a side surface photograph of the Al-SiC composite material in which aluminum has flowed out due to the melting of the base material. Yes, (b) is a side surface photograph of a corner portion of the Al—SiC composite material in which a crack was generated due to melting of the base material. As shown in FIG. 5 (a), when aluminum flows out due to melting of the base material, the aluminum exists in the form of balls on the surface of the Al—SiC composite material.
セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料とを、Ａｌ−Ｓｉろう材箔やＡｌ−Ｓｉ―Ｍｇろう材箔を用い、６１０℃で接合した従来例１及び従来例２では、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の母材溶融が確認された。一方、５６０℃で接合した従来例３及び従来例４では、接合率が低かった。
また、積層ろう材のマグネシウム層と接触しているＡｌ−Ｓｉ層のＳｉ含有量が０．１原子％未満とされた比較例１、加熱温度が５５０℃未満であった比較例２、積層ろう材のマグネシウム層がセラミック基板と４Ｎ−アルミニウムとの間に配置された比較例４では接合率が低かった。加熱温度が５７５℃を超えた比較例３では、Ａｌ−ＳｉＣ複合材料の母材溶融が確認された。
In the conventional example 1 and the conventional example 2 in which the ceramic substrate and the Al-SiC composite material are joined at 610 ° C. using the Al-Si brazing material foil or the Al-Si-Mg brazing material foil, the mother material of the Al-SiC composite material is used. Material melting was confirmed. On the other hand, in the conventional example 3 and the conventional example 4 which were joined at 560 ° C, the joining rate was low.
Further, Comparative Example 1 in which the Si content of the Al-Si layer in contact with the magnesium layer of the laminated brazing material was less than 0.1 atom%, Comparative Example 2 in which the heating temperature was less than 550 ° C. In Comparative Example 4 in which the magnesium layer of the material was disposed between the ceramic substrate and 4N-aluminum, the bonding rate was low. In Comparative Example 3 in which the heating temperature exceeded 575 ° C., the base material melting of the Al—SiC composite material was confirmed.
一方、本発明例で得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板は、いずれも母材溶融が生じることもなく、セラミックス基板とＡｌ−ＳｉＣ複合材料（ヒートシンク）との接合率も高い値を示すことが確認された。 On the other hand, in the power module substrate with a heat sink obtained in the present invention example, no base material melting occurs, and the bonding rate between the ceramic substrate and the Al—SiC composite material (heat sink) also shows a high value. confirmed.
１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
２０ ヒートシンク
２１ 流路
３０ Ａｌ−ＳｉＣ複合材料
３１ 多孔質体
３２ アルミニウム材
３３ スキン層
４０ 接合層
４１ マグネシウム酸化物
５１ アルミニウム部材
５２ ろう材
５３ 積層ろう材
５４ アルミニウム部材層
５５ マグネシウム層
1 Power Module Substrate with Heat Sink 10 Power Module Substrate 11 Ceramics Substrate 12 Circuit Layer 20 Heat Sink 21 Flow Path 30 Al-SiC Composite Material 31 Porous Body 32 Aluminum Material 33 Skin Layer 40 Bonding Layer 41 Magnesium Oxide 51 Aluminum Member 52 Brazing material 53 Laminated brazing material 54 Aluminum member layer 55 Magnesium layer
Claims (4)
前記ろう材が、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部材層と、このアルミニウム部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層とを有する積層ろう材であり、
前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、
前記セラミックス部材と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを、前記積層ろう材を介して積層して、前記積層ろう材の前記マグネシウム層と接触する前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている積層体を得る工程と、
前記積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、前記セラミックス部材と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する工程と、
を備えていることを特徴とするセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法。 Ceramics / Al-SiC composite material in which a ceramic member and an Al-SiC composite material having a porous body made of SiC and an aluminum material made of aluminum or an aluminum alloy impregnated in the porous body are joined using a brazing material A method of manufacturing a bonded body,
The brazing material is a laminated brazing material having an aluminum member layer made of aluminum or an aluminum alloy, and a magnesium layer formed on at least one of the front and back surfaces of the aluminum member layer,
At least one of the aluminum member of the Al-SiC composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material is composed of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more,
The ceramic member and the Al-SiC composite material are laminated via the laminated brazing material, and the aluminum material of the Al-SiC composite material and the laminated brazing material which are in contact with the magnesium layer of the laminated brazing material. At least one of the aluminum member layers, a step of obtaining a laminate composed of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more;
Heating the laminated body in a temperature range of 550 ° C. or higher and 575 ° C. or lower to bond the ceramic member and the Al—SiC composite material;
A method for manufacturing a ceramic / Al-SiC composite material joined body, comprising:
前記積層ろう材が、前記マグネシウム層が前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材と接触するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス／Ａｌ−ＳｉＣ複合材料接合体の製造方法。 Both the aluminum material of the Al-SiC composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material are composed of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more,
The ceramic / Al-SiC composite material joined body according to claim 1, wherein the laminated brazing material is arranged so that the magnesium layer contacts the aluminum material of the Al-SiC composite material. Method.
前記ろう材が、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部材層と、このアルミニウム部材層の表裏面の少なくとも一方の面に形成されたマグネシウム層とを有する積層ろう材であり、
前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されていて、
前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを、前記積層ろう材を介して積層して、前記積層ろう材の前記マグネシウム層と接触する前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材および前記積層ろう材のアルミニウム部材層のうちの少なくとも一方は、ケイ素含有量が０．１原子％以上であるＡｌ−Ｓｉ合金で構成されている積層体を得る工程と、
前記積層体を５５０℃以上５７５℃以下の温度範囲で加熱することによって、前記セラミックス基板と前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料とを接合する工程と、
を備えていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 From the ceramic substrate of a power module substrate having a ceramic substrate and a circuit layer bonded to one surface of the ceramic substrate, a porous body made of SiC, and aluminum or aluminum alloy impregnated into the porous body. A method of manufacturing a substrate for a power module with a heat sink, which comprises joining a heat sink made of an Al-SiC composite material having the following aluminum material with a brazing material,
The brazing material is a laminated brazing material having an aluminum member layer made of aluminum or an aluminum alloy, and a magnesium layer formed on at least one of the front and back surfaces of the aluminum member layer,
At least one of the aluminum member of the Al-SiC composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material is composed of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more,
The ceramic substrate and the Al—SiC composite material are laminated via the laminating brazing material, and the aluminum material of the Al—SiC composite material and the laminating brazing material in contact with the magnesium layer of the laminating brazing material. At least one of the aluminum member layers, a step of obtaining a laminate composed of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more;
Heating the laminate in a temperature range of 550 ° C. or higher and 575 ° C. or lower to bond the ceramic substrate and the Al—SiC composite material to each other;
A method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, comprising:
前記積層ろう材が、前記マグネシウム層が前記Ａｌ−ＳｉＣ複合材料のアルミニウム材と接触するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 Both the aluminum material of the Al-SiC composite material and the aluminum member layer of the laminated brazing material are composed of an Al-Si alloy having a silicon content of 0.1 atomic% or more,
The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to claim 3, wherein the laminated brazing material is arranged such that the magnesium layer is in contact with the aluminum material of the Al-SiC composite material.
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