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JP2017168509A - Method for manufacturing ceramics/aluminum conjugant and method for manufacturing power module substrate - Google Patents

Method for manufacturing ceramics/aluminum conjugant and method for manufacturing power module substrate Download PDF

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JP2017168509A
JP2017168509A JP2016049862A JP2016049862A JP2017168509A JP 2017168509 A JP2017168509 A JP 2017168509A JP 2016049862 A JP2016049862 A JP 2016049862A JP 2016049862 A JP2016049862 A JP 2016049862A JP 2017168509 A JP2017168509 A JP 2017168509A
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伸幸 寺▲崎▼
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東洋 大橋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a ceramics/aluminum conjugant capable of directly joining a ceramic member and an aluminum member not via a brazing filler material, and obtaining a ceramics/aluminum conjugant with excellent cooling/heating cycle reliability.SOLUTION: A method for manufacturing a ceramics/aluminum conjugant comprises: a laminating step S11 of laminating a ceramic member and an aluminum member made of eutectic aluminum alloy; a heating step S12 of applying a load of not less than 0.29 MPa and not more than 1.47 MPa to the laminated ceramic and aluminum members in a lamination direction, holding the ceramic and aluminum members in a holding temperature of not less than an eutectic temperature of the aluminum alloy and less than a liquidus-line temperature, and forming a solid-liquid coexisting range in a junction interface between the ceramic member and the aluminum member; and a solidifying step S13 of joining the ceramic member and the aluminum member by solidifying the solid-liquid coexisting range.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、セラミックス部材とアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法、セラミックス基板とこのセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic / aluminum bonded body in which a ceramic member and an aluminum member are bonded, and a method for manufacturing a power module substrate including a ceramic substrate and an aluminum plate bonded to the ceramic substrate. is there.

LEDやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
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)、Al(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。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成したものも提供されている。
A semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
In power semiconductor elements for large power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., the amount of heat generated is large. Therefore, for example, AlN (aluminum nitride), Al 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate including a ceramic substrate made of 2 O 3 (alumina) or the like and a circuit layer formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate has been widely used. It is used. As the power joule substrate, a substrate in which a metal layer is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate is also provided.

例えば、特許文献1には、AlN(窒化アルミ)からなるセラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム板がAl−Si系のろう材を介して接合され、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板がAl−Si系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、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して使用される。また、金属層側には、アルミニウムや銅からなるヒートシンクが接合されることもある。
For example, in Patent Document 1, an aluminum plate serving as a circuit layer is bonded to one surface of a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) via an Al—Si brazing material, and a metal is bonded to the other surface of the ceramic substrate. There has been proposed a power module substrate in which an aluminum plate as a layer is bonded via an Al—Si brazing material.
In such a power module substrate, a semiconductor element as a power element is mounted on a circuit layer via a solder layer and used as a power module. Further, a heat sink made of aluminum or copper may be bonded to the metal layer side.

また、特許文献2には、純度が99.5%以上のアルミニウム部材をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触させ、不活性ガス中において620℃〜650℃の温度に加熱することにより、アルミニウム部材をセラミックス基板に直接接合する技術が提案されている。なお、この特許文献2においては、アルミニウム部材をセラミックス基板側に押圧しないか、あるいは、1000Pa以下で押圧することが記載されている。   Patent Document 2 discloses that an aluminum member having a purity of 99.5% or more is brought into contact with at least one surface of a ceramic substrate and heated to a temperature of 620 ° C. to 650 ° C. in an inert gas. There has been proposed a technique for directly bonding a ceramic substrate to a ceramic substrate. In Patent Document 2, it is described that the aluminum member is not pressed to the ceramic substrate side or pressed at 1000 Pa or less.

国際公開第03/090277号International Publication No. 03/090277 特許第3935037号公報Japanese Patent No. 3935037

ところで、特許文献1に記載されたように、ろう材を用いてセラミックス基板とアルミニウム板とを接合した場合には、セラミックス基板とアルミニウム板との接合界面に液相が多量に発生し、ろうこぶやろう染み等の表面異常が生じるおそれがあった。
また、セラミックス基板とアルミニウム板をろう付けした後に、さらにヒートシンク等をフラックスを用いて接合する際に、ろう材が再溶融してフラックス浸食の影響を受けやすくなるといった問題があった。
さらに、セラミックス基板とアルミニウム板との接合界面に、ろう材に起因する異方性の強い層が形成され、接合信頼性が低下してしまうおそれがあった。
By the way, as described in Patent Document 1, when a ceramic substrate and an aluminum plate are bonded using a brazing material, a large amount of a liquid phase is generated at the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum plate, and the solder bump. There was a risk of surface abnormalities such as wax stains.
In addition, after the ceramic substrate and the aluminum plate are brazed, when the heat sink or the like is further joined using a flux, the brazing material is remelted and is easily affected by flux erosion.
Furthermore, a layer having strong anisotropy due to the brazing material is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum plate, and the bonding reliability may be reduced.

また、特許文献2に記載されたように、アルミニウム板をセラミックス基板に直接接合した場合には、積層方向への荷重が低いため、冷熱サイクル負荷時に接合が不十分となるおそれがあった。このように、冷熱サイクル信頼性が低いため、パワーモジュール用基板等に適用することができなかった。   Further, as described in Patent Document 2, when the aluminum plate is directly bonded to the ceramic substrate, the load in the stacking direction is low, so that there is a possibility that the bonding becomes insufficient when the thermal cycle is applied. Thus, since the cooling cycle reliability is low, it could not be applied to a power module substrate or the like.

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アルミニウム部材とをろう材を介さずに直接接合でき、かつ、冷熱サイクル信頼性に優れたセラミックス/アルミニウム接合体を得ることが可能なセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法、及び、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 circumstances described above, and obtains a ceramic / aluminum bonded body capable of directly bonding a ceramic member and an aluminum member without using a brazing material and having excellent thermal cycle reliability. It is an object to provide a method for manufacturing a ceramic / aluminum bonded body and a method for manufacturing a power module substrate.

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/アルミニウム接合体の製造方法は、セラミックス部材と、共晶系のアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法であって、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材を積層方向に0.29MPa以上1.47MPa以下の荷重を負荷するとともに、前記アルミニウム合金の共晶温度以上液相線温度未満の保持温度で保持し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成する加熱工程と、前記固液共存領域を凝固させて前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合する凝固工程と、を備えていることを特徴としている。   In order to solve the above problems and achieve the above object, a method for producing a ceramic / aluminum bonded body according to the present invention is a ceramic in which a ceramic member and an aluminum member made of a eutectic aluminum alloy are bonded. / A manufacturing method of an aluminum joined body, wherein a lamination step of laminating the ceramic member and the aluminum member, and a load of 0.29 MPa to 1.47 MPa in the laminating direction of the laminated ceramic member and the aluminum member A heating step of forming a solid-liquid coexistence region at a bonding interface between the ceramic member and the aluminum member, and holding the solid alloy at a bonding temperature between the eutectic temperature of the aluminum alloy and lower than the liquidus temperature, The ceramic member and the aluminum member are solidified by coagulating the liquid coexistence region. It is characterized in that it comprises a multiplexer solidifying step.

この構成のセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法によれば、前記アルミニウム合金の共晶温度以上液相線温度未満の保持温度で保持し、固液共存領域を形成して前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合しているので、液相が多量に生成することがなく、ろうこぶやろう染みのような表面異常が発生するおそれがない。
また、ろう材を用いていないので、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合界面に、ろう材に起因した異方性の強い層が形成されず、接合信頼性に優れている。
さらに、接合時において、積層された前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材を積層方向に0.29MPa以上1.47MPa以下の荷重を負荷しているので、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とが確実に接合されており、冷熱サイクル信頼性に優れたセラミックス/アルミニウム接合体を得ることができる。
According to the method for manufacturing a ceramic / aluminum bonded body having this structure, the ceramic member and the aluminum member are formed by holding a solid-liquid coexistence region by holding at a holding temperature not lower than the eutectic temperature of the aluminum alloy and lower than the liquidus temperature. Are bonded to each other, so that a large amount of liquid phase is not generated, and there is no possibility of occurrence of surface abnormalities such as wax bumps and wax stains.
In addition, since no brazing material is used, a strong anisotropic layer due to the brazing material is not formed at the joining interface between the ceramic member and the aluminum member, and the joining reliability is excellent.
Furthermore, since the load is 0.29 MPa or more and 1.47 MPa or less in the laminating direction at the time of joining, the ceramic member and the aluminum member are securely joined together. Therefore, it is possible to obtain a ceramic / aluminum bonded body excellent in cooling cycle reliability.

ここで、本発明のセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法においては、前記アルミニウム合金は、添加元素としてSi,Cu,Ag,Mgから選択される1種又は2種以上を含有していることが好ましい。
この場合、添加元素としてSi,Cu,Ag,Mgといった元素を含有することで、アルミニウム合金の共晶温度が低くなるため、低温条件で前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合することが可能となる。
Here, in the method for producing a ceramic / aluminum bonded body according to the present invention, the aluminum alloy preferably contains one or more selected from Si, Cu, Ag, and Mg as additive elements. .
In this case, since the eutectic temperature of the aluminum alloy is lowered by containing elements such as Si, Cu, Ag, and Mg as additive elements, the ceramic member and the aluminum member can be joined under low temperature conditions. Become.

また、本発明のセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法においては、前記アルミニウム合金は、共晶温度が530℃以上、かつ、液相線温度が640℃以下とされていることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム合金の共晶温度が530℃以上とされているので、セラミックスとアルミニウム部材との界面反応が十分に進行する温度で確実に液相を生じさせることにより、強固なセラミックス/アルミニウム接合体を得ることができる。また、前記アルミニウム合金の液相線温度が640℃以上とされているので、液相の過剰な発生によるアルミニウム部材の変形や表面変質を確実に抑制可能である。
In the method for producing a ceramic / aluminum bonded body according to the present invention, the aluminum alloy preferably has a eutectic temperature of 530 ° C. or higher and a liquidus temperature of 640 ° C. or lower.
In this case, since the eutectic temperature of the aluminum alloy is 530 ° C. or higher, a strong ceramic / aluminum can be obtained by reliably generating a liquid phase at a temperature at which the interface reaction between the ceramic and the aluminum member proceeds sufficiently. A joined body can be obtained. Further, since the liquidus temperature of the aluminum alloy is 640 ° C. or higher, it is possible to reliably suppress deformation and surface alteration of the aluminum member due to excessive generation of the liquid phase.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記アルミニウム板は、アルミニウム合金からなり、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを上述のセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。   The method for producing a power module substrate of the present invention is a method for producing a power module substrate comprising a ceramic substrate and an aluminum plate bonded to the ceramic substrate, wherein the aluminum plate is made of an aluminum alloy, The aluminum plate and the ceramic substrate are bonded together by the above-described method for manufacturing a ceramic / aluminum bonded body.

パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面あるいは他方の面にアルミニウム板を接合することにより、回路層あるいは金属層が形成される。ここで、回路層あるいは金属層を構成するアルミニウム板が上述のセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法によってセラミックス基板に接合されることにより、冷熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュール用基板を得ることができる。また、回路層あるいは金属層の表面変質を抑制することができる。   In a power module substrate, a circuit layer or a metal layer is formed by bonding an aluminum plate to one surface or the other surface of a ceramic substrate. Here, the aluminum plate constituting the circuit layer or the metal layer is bonded to the ceramic substrate by the above-described method for manufacturing a ceramic / aluminum bonded body, whereby a power module substrate having excellent cooling cycle reliability can be obtained. . Further, the surface alteration of the circuit layer or the metal layer can be suppressed.

本発明によれば、セラミックス部材とアルミニウム部材とをろう材を介さずに直接接合でき、かつ、冷熱サイクル信頼性に優れたセラミックス/アルミニウム接合体を得ることが可能なセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法、及び、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 / aluminum joined body capable of directly joining a ceramic member and an aluminum member without using a brazing material and capable of obtaining a ceramic / aluminum joined body excellent in cooling cycle reliability. It is possible to provide a method and a method for manufacturing a power module substrate.

本発明の実施形態である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 power module substrate manufactured by the manufacturing method of the power module substrate which is embodiment of this invention. 本発明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フロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention. 本発明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 embodiment of this invention. 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining method of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention, and a heat sink. 本発明の実施形態である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他の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 other power modules manufactured by the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is embodiment of this invention. AlとSiの2元状態図である。It is a binary phase diagram of Al and Si.

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。本実施形態であるセラミックス/アルミニウム接合体は、セラミックス部材としてセラミックス基板11、アルミニウム部材としてアルミニウム板22が接合されてなる回路層12及びアルミニウム板23が接合されてなる金属層13を備えたパワーモジュール用基板10とされている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The ceramic / aluminum bonded body according to this embodiment includes a ceramic substrate 11 as a ceramic member, a circuit layer 12 in which an aluminum plate 22 is bonded as an aluminum member, and a metal layer 13 in which an aluminum plate 23 is bonded. The substrate 10 is used.

図1に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板10を用いたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、回路層12及び金属層13が配設されたパワーモジュール用基板10と、回路層12の一方の面(図1において上面)にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、金属層13の他方の面(図1において下面)に接合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、Niめっき層(図示なし)が設けられている。
FIG. 1 shows a power module 1 using a power module substrate 10 according to an embodiment of the present invention.
The power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are disposed, and a semiconductor element bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a solder layer 2. 3 and a heat sink 40 bonded to the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the metal layer 13.
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、本実施形態では、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
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 composed of AlN (aluminum nitride) having high insulation in this embodiment. In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.

回路層12は、セラミックス基板11の一方の面に導電性を有する金属板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、図3に示すように、回路層12は、共晶系のアルミニウム合金の圧延板からなるアルミニウム板22がセラミックス基板11に接合されることによって形成されている。この回路層12には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面されている。ここで、回路層12(アルミニウム板22)の厚さは0.01mm以上1mm未満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。なお、回路層12の厚さは、0.05mm以上0.6mm未満であることが好ましいが、これに限定されることはない。
なお、回路層12としては、導電率が45%IACS以上であることが好ましい。また、ビッカース硬さが70Hv以下であることが好ましい。
The circuit layer 12 is formed by bonding a conductive metal plate to one surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the circuit layer 12 is formed by joining an aluminum plate 22 made of a rolled plate of a eutectic aluminum alloy to the ceramic substrate 11. A circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted. Here, the thickness of the circuit layer 12 (aluminum plate 22) is set within a range of 0.01 mm or more and less than 1 mm, and is set to 0.4 mm in the present embodiment. In addition, although it is preferable that the thickness of the circuit layer 12 is 0.05 mm or more and less than 0.6 mm, it is not limited to this.
The circuit layer 12 preferably has a conductivity of 45% IACS or higher. Moreover, it is preferable that Vickers hardness is 70 Hv or less.

金属層13は、セラミックス基板11の他方の面に熱伝導性に優れた金属板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、図3に示すように、金属層13は、アルミニウム合金の圧延板からなるアルミニウム板23がセラミックス基板11に接合されることによって形成されている。ここで、金属層13(アルミニウム板23)の厚さは0.01mm以上3mm未満の範囲内に設定されており、本実施形態では0.04mmに設定されている。金属層13の厚さは、0.05mm以上2mm未満であることが好ましいが、これに限定されることはない。
The metal layer 13 is formed by bonding a metal plate having excellent thermal conductivity to the other surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of an aluminum alloy to the ceramic substrate 11. Here, the thickness of the metal layer 13 (aluminum plate 23) is set within a range of 0.01 mm or more and less than 3 mm, and is set to 0.04 mm in the present embodiment. The thickness of the metal layer 13 is preferably 0.05 mm or more and less than 2 mm, but is not limited thereto.

ここで、回路層12(アルミニウム板22)及び金属層13(アルミニウム板23)を構成するアルミニウム合金としては、添加元素としてSi,Cu,Ag,Mgから選択される1種又は2種以上を含有していることが好ましい。
また、アルミニウム合金の共晶温度が530℃以上、かつ、液相線温度が640℃以上とされていることが好ましい。
Here, the aluminum alloy constituting the circuit layer 12 (aluminum plate 22) and the metal layer 13 (aluminum plate 23) contains one or more selected from Si, Cu, Ag, and Mg as additive elements. It is preferable.
Moreover, it is preferable that the eutectic temperature of the aluminum alloy is 530 ° C. or higher and the liquidus temperature is 640 ° C. or higher.

添加元素としてSiを含有するAl−Si合金の場合には、Siの含有量を0.3mass%以上2.4mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
添加元素としてCuを含有するAl−Cu合金の場合には、Cuの含有量を0.7mass%以上7.0mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
添加元素としてAgを含有するAl−Ag合金の場合には、Agの含有量を3.1mass%以上15.9mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
添加元素としてMgを含有するAl−Mg合金の場合には、Mgの含有量を0.6mass%以上4.5mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
In the case of an Al—Si alloy containing Si as an additive element, the Si content is preferably in the range of 0.3 mass% to 2.4 mass%.
In the case of an Al—Cu alloy containing Cu as an additive element, the Cu content is preferably in the range of 0.7 mass% or more and 7.0 mass% or less.
In the case of an Al—Ag alloy containing Ag as an additive element, the Ag content is preferably within the range of 3.1 mass% to 15.9 mass%.
In the case of an Al—Mg alloy containing Mg as an additive element, the Mg content is preferably in the range of 0.6 mass% to 4.5 mass%.

添加元素としてSiとMgを含有するAl−Si−Mg合金の場合には、Siの含有量を0.3mass%以上0.8mass%以下の範囲内、Mgの含有量を0.5mass%以上1.2mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
添加元素としてCuとAgを含有するAl−Cu−Ag合金の場合には、Cuの含有量を0.7mass%以上2.0mass%以下の範囲内、Agの含有量を2.5mass%以上4.5mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
In the case of an Al-Si-Mg alloy containing Si and Mg as additive elements, the Si content is in the range of 0.3 mass% to 0.8 mass%, and the Mg content is 0.5 mass% to 1 It is preferable to be within the range of 0.2 mass% or less.
In the case of an Al—Cu—Ag alloy containing Cu and Ag as additive elements, the Cu content is within the range of 0.7 mass% to 2.0 mass%, and the Ag content is 2.5 mass% to 4 mass%. It is preferable to be in the range of not more than 0.5 mass%.

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る。本実施形態であるヒートシンク40は、図1に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱板とされている。
本実施形態においては、ヒートシンク40とパワーモジュール用基板10とは、KAlFを主成分とするフラックスを用いたろう付けによって接合されている。
The heat sink 40 is for cooling the power module substrate 10 described above. As shown in FIG. 1, the heat sink 40 according to the present embodiment is a heat radiating plate made of aluminum or an aluminum alloy.
In the present embodiment, the heat sink 40 and the power module substrate 10 are joined by brazing using a flux whose main component is KAlF 4 .

次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板10の製造方法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。   Next, the manufacturing method of the power module substrate 10 and the manufacturing method of the power module 1 according to the present embodiment described above will be described with reference to FIGS.

(回路層及び金属層形成工程S01)
まず、アルミニウム板22,23をセラミックス基板11に接合し、本実施形態であるパワーモジュール用基板10を製造する。
この回路層及び金属層形成工程S01においては、後述する積層工程S11、加熱工程S12、凝固工程S13を備えている。
(Circuit layer and metal layer forming step S01)
First, the aluminum plates 22 and 23 are bonded to the ceramic substrate 11 to manufacture the power module substrate 10 according to this embodiment.
The circuit layer and metal layer forming step S01 includes a laminating step S11, a heating step S12, and a solidifying step S13, which will be described later.

積層工程S11においては、図3に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図3において上面)にアルミニウム板22を積層し、セラミックス基板11の他方の面(図3において下面)に、アルミニウム板23を積層する。   In the lamination step S11, as shown in FIG. 3, an aluminum plate 22 is laminated on one surface (upper surface in FIG. 3) of the ceramic substrate 11, and aluminum is formed on the other surface (lower surface in FIG. 3) of the ceramic substrate 11. The plates 23 are stacked.

次に、加熱工程S12においては、積層されたセラミックス基板11とアルミニウム板22,23を積層方向に0.29MPa以上1.47MPa以下の荷重を負荷するとともに、アルミニウム板22,23を構成するアルミニウム合金の共晶温度以上液相線温度未満の保持温度で保持し、セラミックス基板11とアルミニウム板22,23との接合界面に固液共存領域を形成する。   Next, in the heating step S12, the laminated ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 are loaded with a load of 0.29 MPa or more and 1.47 MPa or less in the lamination direction, and the aluminum alloy constituting the aluminum plates 22 and 23 is used. The solid-liquid coexistence region is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23.

ここで、積層方向に加圧する際の荷重が0.29MPa未満の場合には、セラミックス基板11とアルミニウム板22,23とが十分に密着せず、接合が不十分となるおそれがある。一方、積層方向に加圧する際の荷重が1.47MPaを超えると、アルミニウム板の形状を維持できなくなるおそれがある。このため、本実施形態では、積層方向に加圧する際の荷重を0.29MPa以上1.47MPa以下の範囲内に設定している。
なお、セラミックス基板11とアルミニウム板22,23とをさらに密着させるためには、積層方向に加圧する際の荷重の下限を0.49MPa以上とすることが好ましく、0.79MPa以上とすることがさらに好ましい。また、アルミニウム板の形状を確実に維持するためには、積層方向に加圧する際の荷重の上限を1.2MPa以下とすることが好ましく、0.98MPa以下とすることがさらに好ましい。
Here, when the load at the time of pressurizing in the laminating direction is less than 0.29 MPa, the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 are not sufficiently adhered to each other, and the bonding may be insufficient. On the other hand, if the load applied in the laminating direction exceeds 1.47 MPa, the shape of the aluminum plate may not be maintained. For this reason, in this embodiment, the load at the time of pressurizing to the lamination direction is set in the range of 0.29 MPa or more and 1.47 MPa or less.
In order to make the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 more closely contact each other, the lower limit of the load when pressing in the stacking direction is preferably 0.49 MPa or more, and more preferably 0.79 MPa or more. preferable. Moreover, in order to maintain the shape of an aluminum plate reliably, it is preferable to make the upper limit of the load at the time of pressurizing in a lamination direction into 1.2 MPa or less, and it is further more preferable to set it as 0.98 MPa or less.

また、保持温度がアルミニウム板22,23を構成するアルミニウム合金の共晶温度未満の場合には、液相が形成されず、セラミックス基板11とアルミニウム板22,23とを接合することができない。一方、保持温度がアルミニウム板22,23を構成するアルミニウム合金の液相線温度以上の場合には、アルミニウム板22、23が溶融して形状を維持できなくなるおそれがある。このため、本実施形態では、保持温度を、アルミニウム板22,23を構成するアルミニウム合金の共晶温度以上液相線温度未満の範囲内に設定している。   Further, when the holding temperature is lower than the eutectic temperature of the aluminum alloy constituting the aluminum plates 22 and 23, the liquid phase is not formed, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 cannot be joined. On the other hand, when the holding temperature is equal to or higher than the liquidus temperature of the aluminum alloy constituting the aluminum plates 22 and 23, the aluminum plates 22 and 23 may be melted and cannot maintain their shapes. For this reason, in this embodiment, holding temperature is set in the range more than the eutectic temperature of the aluminum alloy which comprises the aluminum plates 22 and 23, and less than liquidus temperature.

例えば、回路層12(アルミニウム板22)及び金属層13(アルミニウム板23)を構成するアルミニウム合金として、Al−1.9mass%Siを用いた場合、図6の状態図に示すように、共晶温度は577℃、液相線温度は648℃となる。よって、保持温度は、Al−1.9mass%Siを用いた場合、577℃以上648℃未満の範囲内で設定されることとなる。   For example, when Al-1.9 mass% Si is used as the aluminum alloy constituting the circuit layer 12 (aluminum plate 22) and the metal layer 13 (aluminum plate 23), as shown in the state diagram of FIG. The temperature is 577 ° C. and the liquidus temperature is 648 ° C. Therefore, when Al-1.9 mass% Si is used, the holding temperature is set within a range of 579 ° C. or more and less than 648 ° C.

なお、セラミックス基板11とアルミニウム板22,23とを確実に接合するためには、保持温度の下限を、前記アルミニウム合金の共晶温度+5℃以上とすることが好ましく、共晶温度+15℃以上とすることがさらに好ましい。また、アルミニウム板の形状を確実に維持するためには、保持温度の上限を前記アルミニウム合金の液相線温度−5℃以下とすることが好ましく、液相線温度−10℃以下とすることがさらに好ましい。   In order to securely bond the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23, the lower limit of the holding temperature is preferably the eutectic temperature of the aluminum alloy + 5 ° C or higher, and the eutectic temperature + 15 ° C or higher. More preferably. In order to reliably maintain the shape of the aluminum plate, the upper limit of the holding temperature is preferably set to the liquidus temperature of the aluminum alloy of −5 ° C. or lower, and the liquidus temperature of −10 ° C. or lower. Further preferred.

次に、凝固工程S13においては、アルミニウム板22、23とセラミックス基板11との界面にそれぞれに形成された固液共存領域を凝固させることにより、セラミックス基板11とアルミニウム板22及びアルミニウム板23とを接合する。
これにより、セラミックス基板11に回路層12及び金属層13が形成されたパワーモジュール用基板10が製造される。
Next, in the solidification step S13, the ceramic substrate 11, the aluminum plate 22, and the aluminum plate 23 are solidified by solidifying the solid-liquid coexistence regions formed at the interfaces between the aluminum plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11, respectively. Join.
Thereby, the power module substrate 10 in which the circuit layer 12 and the metal layer 13 are formed on the ceramic substrate 11 is manufactured.

(ヒートシンク接合工程S02)
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の他方の面側に、ヒートシンク40を接合する。
具体的には、パワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク40との間に、Al−Si系ろう材箔27と、KAlFを主成分とするフラックス(図示なし)とを介在させる。
(Heat sink joining step S02)
Next, as shown in FIG. 4, a heat sink 40 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the power module substrate 10.
Specifically, between the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the heat sink 40, an Al—Si brazing material foil 27 and a flux (not shown) containing KAlF 4 as a main component are interposed.

次に、積層されたパワーモジュール用基板10、ヒートシンク40を積層方向に加圧(圧力0〜10kgf/cm)した状態で、雰囲気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を形成する。そして、上述の溶融金属領域が凝固することにより、パワーモジュール用基板10の金属層13とヒートシンク40とが接合される。このとき、金属層13、ヒートシンク40の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去される。このとき、フラックス成分が液化、気化して、セラミックス基板11側へと移動することになる。 Next, in a state where the laminated power module substrate 10 and the heat sink 40 are pressurized in the laminating direction (pressure 0 to 10 kgf / cm 2 ), they are placed in an atmosphere heating furnace and heated, and the metal layer 13 and the heat sink are heated. 40 to form a molten metal region. And the metal layer 13 and the heat sink 40 of the board | substrate 10 for power modules are joined by solidifying the above-mentioned molten metal area | region. At this time, oxide films are formed on the surfaces of the metal layer 13 and the heat sink 40, but these oxide films are removed by the above-described flux. At this time, the flux component is liquefied and vaporized, and moves to the ceramic substrate 11 side.

(半導体素子接合工程S03)
また、回路層12の一方の面に第1はんだ層2を介して半導体素子3を接合する。これにより、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 S03)
Further, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 via the first solder layer 2. Thereby, 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であるパワーモジュール用基板10の製造方法によれば、加熱工程S12において、回路層12及び金属層13(アルミニウム板22,23)を構成するアルミニウム合金の共晶温度以上液相線温度未満の保持温度で保持し、固液共存領域を形成し、セラミックス基板11とアルミニウム板22,23とを接合しているので、接合界面に液相が多量に生成することがなく、ろうこぶやろう染みのような表面異常が発生するおそれがない。   According to the method for manufacturing the power module substrate 10 of the present embodiment configured as described above, in the heating step S12, the aluminum alloy constituting the circuit layer 12 and the metal layer 13 (aluminum plates 22, 23) is made. Holding at a holding temperature not lower than the eutectic temperature and lower than the liquidus temperature, forming a solid-liquid coexistence region, and bonding the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23, so that a large amount of liquid phase is generated at the bonding interface. There is no risk of surface abnormalities such as wax bumps and wax stains.

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板10の製造方法によれば、ろう材を用いていないので、セラミックス基板11と回路層12及び金属層13との接合界面に、ろう材に起因した異方性の強い層が形成されず、接合信頼性に優れている。
さらに、ヒートシンク接合工程S02において、フラックスを使用した場合であっても、フラックスの影響によってセラミックス基板11と回路層12及び金属層13との接合信頼性が低下するおそれがない。
また、接合時において、積層されたセラミックス基板11とアルミニウム板22,23を積層方向に0.29MPa以上1.47MPa以下の荷重を負荷しているので、セラミックス基板11とアルミニウム板22,23とが確実に接合されており、冷熱サイクル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。
In addition, according to the method for manufacturing the power module substrate 10 of the present embodiment, no brazing material is used, and therefore, the bonding interface between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 and the metal layer 13 is different due to the brazing material. A highly anisotropic layer is not formed, and the bonding reliability is excellent.
Furthermore, even if a flux is used in the heat sink bonding step S02, there is no possibility that the bonding reliability between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13 is lowered due to the influence of the flux.
In addition, since a load of 0.29 MPa or more and 1.47 MPa or less is applied to the laminated ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 in the lamination direction at the time of joining, the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 are It is possible to manufacture the power module substrate 10 that is reliably bonded and has excellent thermal cycle reliability.

また、本実施形態では、回路層12及び金属層13(アルミニウム板22,23)を構成するアルミニウム合金が、添加元素としてSi,Cu,Ag,Mgから選択される1種又は2種以上を含有する共晶系合金とされているので、アルミニウム合金の共晶温度が低くなり、低温条件でセラミックス基板11とアルミニウム板22,23とを接合することが可能となる。   Moreover, in this embodiment, the aluminum alloy which comprises the circuit layer 12 and the metal layer 13 (aluminum plates 22 and 23) contains the 1 type (s) or 2 or more types selected from Si, Cu, Ag, and Mg as an additional element. Therefore, the eutectic temperature of the aluminum alloy is lowered, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plates 22 and 23 can be bonded under low temperature conditions.

さらに、本実施形態では、回路層12及び金属層13(アルミニウム板22,23)を構成するアルミニウム合金として、共晶温度が530℃以上とされたものを用いているので、セラミックス基板11とアルミニウム板22,23の界面反応が十分に進行する温度で確実に液相を生じさせることにより、強固なパワーモジュール用基板10を得ることができる。
また、回路層12及び金属層13(アルミニウム板22,23)を構成するアルミニウム合金として、液相線温度が640℃以上とされたものを用いているので、液相の過剰な発生によるアルミニウム板22,23の変形や表面変質を確実に抑制可能である。
Furthermore, in this embodiment, as the aluminum alloy constituting the circuit layer 12 and the metal layer 13 (aluminum plates 22 and 23), one having a eutectic temperature of 530 ° C. or higher is used. A solid power module substrate 10 can be obtained by reliably generating a liquid phase at a temperature at which the interfacial reaction between the plates 22 and 23 sufficiently proceeds.
Further, as the aluminum alloy constituting the circuit layer 12 and the metal layer 13 (aluminum plates 22, 23), an aluminum plate having a liquidus temperature of 640 ° C. or higher is used. Deformation and surface alteration of 22 and 23 can be reliably suppressed.

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、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、アルミニウム合金からなるアルミニウム部材とを接合してなるセラミックス/アルミニウム接合体であればよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, the power module substrate has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the ceramic / aluminum bonded body is formed by bonding a ceramic member and an aluminum member made of an aluminum alloy. If it is.

また、本実施形態では、回路層及び金属層を、アルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することで形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、回路層又は金属層のいずれか一方が、アルミニウム合金からなるアルミニウム板で構成されていればよい。
具体的には、金属層がアルミニウム合金からなるアルミニウム板で構成されている場合であれば、回路層は、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなるアルミニウム板、銅又は銅合金からなる銅板、アルミニウムと銅との積層板等で構成してもよい。また、回路層がアルミニウム合金からなるアルミニウム板で構成されている場合であれば、金属層は、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなるアルミニウム板等の他の金属や複合材料で構成してもよい。
In the present embodiment, the circuit layer and the metal layer have been described as formed by bonding an aluminum plate made of an aluminum alloy. However, the present invention is not limited to this, and either the circuit layer or the metal layer is used. One side should just be comprised with the aluminum plate which consists of aluminum alloys.
Specifically, if the metal layer is composed of an aluminum plate made of an aluminum alloy, the circuit layer is made of an aluminum plate made of 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more, a copper plate made of copper or a copper alloy, You may comprise with the laminated board etc. of aluminum and copper. If the circuit layer is made of an aluminum plate made of an aluminum alloy, the metal layer is made of another metal such as an aluminum plate made of 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more, or a composite material. Also good.

また、本実施形態では、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面にそれぞれ回路層12、金属層13が形成されているものとして説明したが、図5に示すように、金属層を形成することなく、セラミックス基板11の一方の面に回路層12のみが形成されているパワーモジュール用基板110であってもよい。この図5に示すパワーモジュール101においては、上述のパワーモジュール用基板110の回路層12とは反対側の面にヒートシンク40が接合されている。   In the present embodiment, the circuit layer 12 and the metal layer 13 are formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate 11, respectively. However, as shown in FIG. 5, the metal layer is formed. Instead, the power module substrate 110 in which only the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11 may be used. In the power module 101 shown in FIG. 5, the heat sink 40 is bonded to the surface of the power module substrate 110 opposite to the circuit layer 12.

また、本実施形態では、セラミックス基板11として、窒化アルミ(AlN)を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ(Al)、窒化珪素(Si)等の他のセラミックスで構成されたものであってもよい。
さらに、回路層及び金属層のはんだ接合を行う面にNiめっき層を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Agペースト等の他の手段によって下地層を構成してもよい。
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。例えば、内部に冷却媒体の流路が形成されたヒートシンクであってもよい。また、放熱フィンを有するヒートシンクであってもよい。
In the present embodiment, the ceramic substrate 11 has been described by taking aluminum nitride (AlN) as an example. However, the present invention is not limited to this, and alumina (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) is not limited thereto. ) And other ceramics.
Furthermore, although it demonstrated as what forms a Ni plating layer in the surface which performs a solder joint of a circuit layer and a metal layer, it is not limited to this, Even if it comprises an underlayer by other means, such as Ag paste Good.
Further, the heat sink is not limited to the one exemplified in this embodiment, and the structure of the heat sink is not particularly limited. For example, a heat sink having a cooling medium flow path formed therein may be used. Moreover, the heat sink which has a radiation fin may be sufficient.

さらに、アルミニウム板を接合することによって回路層を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板の表面にアルミニウムの小片を配線パターン状に接合したものであってもよい。この場合、回路層をエッチングして配線パターンを形成する工程を省略することが可能となる。   Furthermore, although it demonstrated as what forms a circuit layer by joining an aluminum plate, it is not limited to this, You may join the small piece of aluminum on the surface of the ceramic substrate in the shape of a wiring pattern. . In this case, the step of etching the circuit layer to form a wiring pattern can be omitted.

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。
回路層及び金属層を構成するアルミニウム板として、表1に示す組成のアルミニウム合金の圧延板(48mm×58mm×厚さ0.4mm)を準備した。
また、表1に示すセラミックス基板(50mm×60mm×厚さ0.635mm)を準備した。
A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
As an aluminum plate constituting the circuit layer and the metal layer, an aluminum alloy rolled plate (48 mm × 58 mm × thickness 0.4 mm) having the composition shown in Table 1 was prepared.
Moreover, the ceramic substrate (50 mm x 60 mm x thickness 0.635 mm) shown in Table 1 was prepared.

本発明例及び比較例においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板を直接積層し、これらを積層方向に表2に示す荷重で加圧するとともに、表2に示す雰囲気下で、表2に示す保持温度及び保持時間で保持し、その後、Nフローによって冷却した。これにより、パワーモジュール用基板を製造した。
なお、本発明例9〜11については、セラミックス基板の一方の面のみにアルミニウム板を接合した。
In the present invention example and the comparative example, aluminum plates were directly laminated on one surface and the other surface of the ceramic substrate, and these were pressed with the load shown in Table 2 in the lamination direction, and under the atmosphere shown in Table 2, and held at the holding temperature and holding time shown in Table 2, then cooled by N 2 flow. Thereby, the board | substrate for power modules was manufactured.
For inventive examples 9 to 11, an aluminum plate was bonded to only one surface of the ceramic substrate.

(回路層の変形)
回路層の変形については、回路層の面積が接合前のアルミニウム板の面積に対して10%以上増加した場合を×、5%以上10%未満の場合を○、5%未満の場合を◎と評価した。
(Deformation of circuit layer)
Regarding the deformation of the circuit layer, the case where the area of the circuit layer is increased by 10% or more with respect to the area of the aluminum plate before joining is ×, the case where it is 5% or more and less than 10% is ○ evaluated.

(初期接合率)
回路層とセラミックス基板との接合率を評価した。具体的には、パワーモジュール用基板において、回路層とセラミックス基板との界面の接合率について超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)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、すなわち回路層の面積(48mm×58mm)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剥離面積とした。評価結果を表2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 joining rate)
The bonding rate between the circuit layer and the ceramic substrate was evaluated. Specifically, in the power module substrate, the bonding rate at the interface between the circuit layer and the ceramic substrate was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200 manufactured by Hitachi Power Solutions 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 of the circuit layer (48 mm × 58 mm). In the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, the peeling is indicated by the white portion in the joint portion. Therefore, the area of the white portion is defined as the peeling area. The evaluation results are shown in Table 2.
(Joining rate) = {(initial joining area) − (non-joining area)} / (initial joining area) × 100

(冷熱サイクル後の接合率)
冷熱サイクル後の接合率は、冷熱衝撃試験機エスペック社製TSB−51を使用し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、液相(フロリナート)で、−40℃×10分←→150℃×10分の3000サイクルを実施し、上述した方法と同じ方法で接合率を評価した。評価結果を表2に示す。
(Joint rate after thermal cycle)
The joint ratio after the thermal cycle is -40 ° C x 10 minutes ← → 150 ° C x in the liquid phase (Fluorinert) with respect to the power module substrate with heat sink using TSB-51 manufactured by ESP Co., Ltd. 3000 cycles of 10 minutes were carried out, and the joining rate was evaluated by the same method as described above. The evaluation results are shown in Table 2.

(回路層の硬度)
上述の冷熱サイクル試験前のパワーモジュール用基板において、回路層の表面に対して、JIS Z 2244に準拠してマイクロビッカース硬さ試験機にて測定を行った。評価結果を表2に示す。
(Circuit layer hardness)
In the power module substrate before the thermal cycle test described above, the surface of the circuit layer was measured with a micro Vickers hardness tester in accordance with JIS Z 2244. The evaluation results are shown in Table 2.

(回路層の表面変質)
接合後のパワーモジュール用基板において、回路層のうちセラミックス基板とは反対側の面(回路層表面)を目視にて観察し、表面変質(ろう染み)の発生状況を以下の基準で評価した。評価結果を表2に示す。
◎:表面変質が回路層表面の面積の10%未満
○:表面変質が回路層表面の面積の10%以上25%未満
×:表面変質が回路層表面の面積の25%以上
(Surface alteration of circuit layer)
In the power module substrate after bonding, the surface of the circuit layer opposite to the ceramic substrate (circuit layer surface) was visually observed, and the occurrence of surface alteration (wax stain) was evaluated according to the following criteria. The evaluation results are shown in Table 2.
A: Surface alteration is less than 10% of the circuit layer surface area B: Surface alteration is 10% or more and less than 25% of the circuit layer surface area X: Surface alteration is 25% or more of the circuit layer surface area

Figure 2017168509
Figure 2017168509

Figure 2017168509
Figure 2017168509

アルミニウム合金の共晶温度未満で接合した比較例1,3では、液相が形成されず、接合することができなかった。なお、比較例1,3では、接合することができなかったため、冷熱サイクル後の接合率は測定していない。
保持温度を液相線以上とした比較例2,4では、回路層の変形や表面変質が生じた。
接合時の荷重を0.29MPa未満とした比較例5では、冷熱サイクル後の接合率が低くかった。
接合時の荷重が1.47MPaを超えた比較例6では、回路層の変形が確認された。
一方、本発明例のパワーモジュール用基板は、回路層の変形や表面変質のなく、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板が得られることが確認された。
In Comparative Examples 1 and 3 bonded at a temperature lower than the eutectic temperature of the aluminum alloy, a liquid phase was not formed, and bonding was not possible. In Comparative Examples 1 and 3, since the bonding could not be performed, the bonding rate after the thermal cycle was not measured.
In Comparative Examples 2 and 4 in which the holding temperature was equal to or higher than the liquidus, the circuit layer was deformed and the surface was deteriorated.
In Comparative Example 5 in which the load during bonding was less than 0.29 MPa, the bonding rate after the thermal cycle was low.
In Comparative Example 6 in which the load during bonding exceeded 1.47 MPa, deformation of the circuit layer was confirmed.
On the other hand, it was confirmed that the power module substrate of the example of the present invention provides a power module substrate with high bonding reliability without deformation of the circuit layer and surface alteration.

10 パワーモジュール用基板(セラミックス/アルミニウム接合体)
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層
13 金属層
22 アルミニウム板(アルミニウム部材)
23 アルミニウム板(アルミニウム部材)
10 Power module substrate (ceramic / aluminum bonded body)
11 Ceramic substrate (ceramic member)
12 circuit layer 13 metal layer 22 aluminum plate (aluminum member)
23 Aluminum plate (aluminum member)

Claims (4)

セラミックス部材と、共晶系のアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法であって、
前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材を積層方向に0.29MPa以上1.47MPa以下の荷重を負荷するとともに、前記アルミニウム合金の共晶温度以上液相線温度未満の保持温度で保持し、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面に固液共存領域を形成する加熱工程と、
前記固液共存領域を凝固させて前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材とを接合する凝固工程と、
を備えていることを特徴とするセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法。
A method for producing a ceramic / aluminum joined body in which a ceramic member and an aluminum member made of a eutectic aluminum alloy are joined,
A laminating step of laminating the ceramic member and the aluminum member;
The laminated ceramic member and the aluminum member are loaded with a load of 0.29 MPa or more and 1.47 MPa or less in the lamination direction, and held at a holding temperature that is equal to or higher than the eutectic temperature of the aluminum alloy and lower than the liquidus temperature, A heating step of forming a solid-liquid coexistence region at the bonding interface between the ceramic member and the aluminum member;
A solidification step of solidifying the solid-liquid coexistence region to join the ceramic member and the aluminum member;
A method for producing a ceramic / aluminum joined body comprising:
前記アルミニウム合金は、添加元素としてSi,Cu,Ag,Mgから選択される1種又は2種以上を含有し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/アルミニウム接合体の製造方法。   2. The method for producing a ceramic / aluminum bonded body according to claim 1, wherein the aluminum alloy contains one or more selected from Si, Cu, Ag, and Mg as additive elements. 前記アルミニウム合金は、共晶温度が530℃以上、かつ、液相線温度が640℃以上とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法。   3. The method for producing a ceramic / aluminum bonded body according to claim 1, wherein the aluminum alloy has a eutectic temperature of 530 ° C. or higher and a liquidus temperature of 640 ° C. or higher. . セラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記アルミニウム板は、アルミニウム合金からなり、
前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のセラミックス/アルミニウム接合体の製造方法によって接合する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 manufacturing a power module substrate comprising a ceramic substrate and an aluminum plate bonded to the ceramic substrate,
The aluminum plate is made of an aluminum alloy,
The said aluminum plate and the said ceramic substrate are joined by the manufacturing method of the ceramic / aluminum joined body as described in any one of Claims 1-3, The manufacturing method of the board | substrate for power modules characterized by the above-mentioned.
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