JP6432208B2 - Method for manufacturing power module substrate, and method for manufacturing power module substrate with heat sink - Google Patents
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Description
この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。 The present invention, one of the power module substrate circuit layer is formed on the surface of the insulation layer, and a heat sink in the power module substrate is a method for producing a substrate for a power module with a heat sink joined.
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)、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。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層を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. In addition, as a power joule substrate, a substrate having a metal layer formed on the other surface of a ceramic substrate is also provided.
例えば、特許文献1に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にAlからなる回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
そして、パワーモジュール用基板の下側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
For example, in the power module shown in Patent Document 1, a power module substrate in which a circuit layer and a metal layer made of Al are formed on one surface and the other surface of a ceramic substrate, and a solder material is interposed on the circuit layer. And a semiconductor element bonded to each other.
A heat sink is bonded to the lower side of the power module substrate, and heat transmitted from the semiconductor element to the power module substrate side is dissipated to the outside through the heat sink.
ところで、特許文献1に記載されたパワーモジュールのように、回路層及び金属層をAlで構成した場合には、表面にAlの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子やヒートシンクを接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献2に開示されているように、回路層及び金属層の表面に無電解めっき等によってNiめっき膜を形成した上で、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。
また、特許文献3には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて、回路層と半導体素子、及び、金属層とヒートシンクとを接合する技術が提案されている。
By the way, when the circuit layer and the metal layer are made of Al as in the power module described in Patent Document 1, since an Al oxide film is formed on the surface, the semiconductor element and the heat sink are joined by a solder material. Can not do it.
Therefore, conventionally, as disclosed in, for example,
しかしながら、特許文献2に記載されたように、回路層表面及び金属層表面にNiめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子及びヒートシンクを接合するまでの過程においてNiめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子及びヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。また、Niめっき工程では、不要な領域にNiめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層表面及び金属層表面にNiめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
また、特許文献3に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子、及び、金属層とヒートシンクを接合する場合には、Alと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層表面及び金属層表面にAg下地層を形成する必要があった。
However, as described in
In addition, as described in
そこで、特許文献4には、回路層及び金属層を、Al層とCu層の積層構造としたパワーモジュールが提案されている。この場合、回路層及び金属層の表面にはCu層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子及びヒートシンクを良好に接合することができる。また、CuはAlに比べて変形抵抗が大きいことから、このパワーモジュールにヒートサイクルが負荷された際に、回路層表面及び金属層表面が大きく変形することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止して、半導体素子と回路層及びヒートシンクと金属層の接合信頼性を向上させることが可能となる。
なお、特許文献4に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層及び金属層として、Al層とCu層とがTi層を介して接合された接合体が用いられている。ここで、Al層とTi層との間には、拡散層が形成されており、この拡散層は、Al層側から順に、Al−Ti層、Al−Ti−Si層、Al−Ti−Cu層と、を有している。
Therefore, Patent Document 4 proposes a power module in which a circuit layer and a metal layer have a laminated structure of an Al layer and a Cu layer. In this case, since the Cu layer is disposed on the surface of the circuit layer and the metal layer, the semiconductor element and the heat sink can be favorably bonded using a solder material. In addition, since Cu has a larger deformation resistance than Al, when the power cycle is applied to this power module, it is possible to prevent the surface of the circuit layer and the surface of the metal layer from being greatly deformed and to generate cracks in the solder layer. It is possible to improve the bonding reliability of the semiconductor element and the circuit layer, the heat sink and the metal layer.
In the power module described in Patent Document 4, a joined body in which an Al layer and a Cu layer are joined via a Ti layer is used as a circuit layer and a metal layer. Here, a diffusion layer is formed between the Al layer and the Ti layer, and the diffusion layer is formed in order from the Al layer side by an Al-Ti layer, an Al-Ti-Si layer, and an Al-Ti-Cu layer. And a layer.
ところで、特許文献4に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層及び金属層のうちAl層とTi層との接合界面に、硬くて脆い金属間化合物層であるAl−Ti層やAl−Ti−Cu層が形成されているので、ヒートサイクル等が負荷された際にクラックの起点となるといった問題があった。
さらには、Al層上にTi箔を介してCu板等を積層し、Al層とTi箔との界面が溶融する温度にまで加熱する場合、接合界面に液相が生じてコブが生じたり、厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下する問題があった。
By the way, in the power module described in Patent Document 4, an Al—Ti layer or an Al—Ti— which is a hard and brittle intermetallic compound layer is formed at the bonding interface between the Al layer and the Ti layer among the circuit layer and the metal layer. Since the Cu layer is formed, there is a problem that it becomes a starting point of a crack when a heat cycle or the like is applied.
Furthermore, when a Cu plate or the like is laminated on the Al layer via a Ti foil and heated to a temperature at which the interface between the Al layer and the Ti foil is melted, a liquid phase is produced at the bonding interface, resulting in bumps, As the thickness fluctuates, there is a problem that the bonding reliability is lowered.
ここで、特許文献2のNiめっきの代替として、特許文献4に記載されたように、Alからなる回路層及び金属層の表面にTi箔を介してNi板を接合してNi層を形成することも考えられる。さらには、特許文献3の酸化銀ペーストを用いる際に、Alからなる回路層及び金属層の表面にTi箔を介してAg板を接合してAg下地層を形成することも考えられる。
しかしながら、特許文献4に記載された方法で、Ni層やAg層を形成すると、Cu層を形成した場合と同様に、Al層とTi層との接合界面に、Al−Ti層、Al−Ti−Ni層、Al−Ti−Ag層等の硬くて脆い金属間化合物層が形成されたり、接合界面にコブが生じたりすること等によって、接合信頼性が低下するおそれがあった。
以上のように、従来は、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材とを良好に接合することができず、接合信頼性に優れた接合体を得ることはできなかった。
Here, as an alternative to the Ni plating of
However, when the Ni layer or the Ag layer is formed by the method described in Patent Document 4, an Al—Ti layer, an Al—Ti layer is formed at the bonding interface between the Al layer and the Ti layer, as in the case where the Cu layer is formed. There is a possibility that the bonding reliability may be lowered due to formation of a hard and brittle intermetallic compound layer such as a Ni layer or an Al-Ti-Ag layer, or formation of bumps at the bonding interface.
As described above, conventionally, an aluminum member and a metal member made of any one of copper, nickel, and silver cannot be satisfactorily bonded, and a bonded body having excellent bonding reliability cannot be obtained. .
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、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好なパワーモジュール用基板を得ることができるパワーモジュール用基板の製造方法、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-described circumstances, and an aluminum member and a metal member made of copper, nickel, or silver are bonded satisfactorily, and cracks in the bonded portion when a heat cycle is applied. can the generation control, a method of manufacturing a substrate for Rupa word module can joining reliability obtain substrate for good power modules, and an object of the invention to provide a method of manufacturing a power module substrate with a heat sink.
前述の課題を解決するために、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層は、アルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体からなり、前記アルミニウム部材の接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とし、前記絶縁層の一方の面に前記アルミニウム部材を積層し、前記アルミニウム部材と前記金属部材との間にTi材を介在させ、前記アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記絶縁層と前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム部材を接合するとともに、前記アルミニウム部材とTi材、及び、前記Ti材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合することにより、前記回路層を形成する構成とされており、前記絶縁層と前記アルミニウム部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ti材との固相拡散接合と、前記Ti材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施することを特徴としている。
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層は、アルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体からなり、前記アルミニウム部材の接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とし、前記絶縁層の他方の面に前記アルミニウム部材を積層し、前記アルミニウム部材と前記金属部材との間にTi材を介在させ、前記アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記絶縁層と前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム部材を接合するとともに、前記アルミニウム部材とTi材、及び、前記Ti材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合することにより、前記金属層を形成する構成とされており、前記絶縁層と前記アルミニウム部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ti材との固相拡散接合と、前記Ti材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施することを特徴としている。
なお、本発明において、アルミニウム部材は純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとし、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されたものとしている。
In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a power module substrate according to the present invention includes an insulating layer and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer. The circuit layer comprises a joined body in which an aluminum layer, which is an aluminum member made of aluminum, and a metal member layer, which is a metal member made of copper, nickel, or silver, are joined. The Si concentration at the joint surface is in the range of 0.03 mass% or more and 1.0 mass% or less, the aluminum member is laminated on one surface of the insulating layer, and a Ti material is interposed between the aluminum member and the metal member. Interposing, laminating the aluminum member and the metal member, heating the laminated insulating layer, the aluminum member and the metal member, and And thereby joining the aluminum member, the aluminum member and the Ti material, and, by each solid phase diffusion bonding between the metal member and the Ti material, which is configured to form the circuit layer, the insulation The bonding of the layer and the aluminum member, the solid phase diffusion bonding of the aluminum member and the Ti material, and the solid phase diffusion bonding of the Ti material and the metal member are performed simultaneously .
The method for manufacturing a power module substrate of the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer. A method for manufacturing a power module substrate, wherein the metal layer is an aluminum layer made of aluminum and a metal member layer made of copper, nickel, or silver. The aluminum member is laminated on the other surface of the insulating layer, the Si concentration in the joining surface of the aluminum member is within the range of 0.03 mass% to 1.0 mass%, and the aluminum member and the metal Ti material is interposed between the members, the aluminum member and the metal member are laminated, and the laminated insulating layer, the aluminum member, and the metal member are laminated. Heated, said with joining the aluminum member and the insulating layer, wherein the aluminum member and the Ti material, and, by each solid phase diffusion bonding between the metal member and the Ti material, to form the metal layer structure And simultaneously performing bonding between the insulating layer and the aluminum member, solid phase diffusion bonding between the aluminum member and the Ti material, and solid phase diffusion bonding between the Ti material and the metal member. It is characterized in that.
In the present invention, the aluminum member is made of pure aluminum or an aluminum alloy, and the metal member is made of copper or a copper alloy, nickel or a nickel alloy, or silver or a silver alloy.
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記アルミニウム部材の接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とし、このアルミニウム部材と前記金属部材との間にTi材を介在させた状態で加熱しているので、Ti材によって、アルミニウム部材中のAlと金属部材中のCu、Ni又はAgとが相互拡散することを抑制でき、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。
また、前記アルミニウム部材とTi材とが固相拡散接合する際に、アルミニウム部材の表面のSiによってTi材中のTi原子がアルミニウム部材側に必要以上に拡散することを抑制でき、AlとTiとの金属間化合物が厚く形成されることを抑制できる。
よって、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好なパワーモジュール用基板を得ることができる。
また、回路層をアルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体とした場合には、回路層を構成するアルミニウム層と金属部材層との接合部に、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止でき、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制できる。
ここで、絶縁層の一方の面に比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層を形成した場合には、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をアルミニウム層が吸収し、絶縁層に割れが発生することを抑制できる。
さらに、アルミニウム層に接合される金属部材層として銅又は銅合金からなるCu層が形成されている場合には、Cu層はアルミニウム層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に回路層の変形が抑制され、半導体素子と回路層を接合するはんだ層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。また、熱伝導率の良好なCu層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
また、アルミニウム層に接合される金属部材層としてニッケル又はニッケル合金からなるNi層が形成されている場合には、はんだ付け性が良好となり、半導体素子との接合信頼性が向上する。
また、アルミニウム層に接合される金属部材層として銀又は銀合金からなるAg層が形成されている場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子を接合する際に、酸化銀が還元された銀とAg層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。また、熱伝導率の良好なAg層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
また、金属層をアルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体とした場合には、金属層を構成するアルミニウム層と金属部材層との接合部に、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止でき、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制できる。
ここで、絶縁層の他方の面に比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層を形成した場合には、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をアルミニウム層が吸収し、絶縁層に割れが発生することを抑制できる。
さらに、アルミニウム層に接合される金属部材層として銅又は銅合金からなるCu層が形成されている場合には、Cu層はアルミニウム層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に金属層の変形が抑制され、ヒートシンクと金属層を接合するはんだ層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
また、アルミニウム層に接合される金属部材層としてニッケル又はニッケル合金からなるNi層が形成されている場合には、はんだ付け性が良好となり、ヒートシンクとの接合信頼性が向上する。
また、アルミニウム層に接合される金属部材層として銀又は銀合金からなるAg層が形成されている場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いてヒートシンクを接合する際に、酸化銀が還元された銀とAg層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。
According to the method for manufacturing a power module substrate having this configuration, the Si concentration in the joint surface of the aluminum member is in the range of 0.03 mass% or more and 1.0 mass% or less, and between the aluminum member and the metal member. Since heating is performed with the Ti material interposed, the Ti material can suppress interdiffusion between Al in the aluminum member and Cu, Ni, or Ag in the metal member, and a hard and brittle intermetallic compound is formed. Thick formation can be prevented.
Further, when the aluminum member and the Ti material are solid-phase diffusion bonded, it is possible to suppress the Ti atoms in the Ti material from diffusing more than necessary to the aluminum member side by Si on the surface of the aluminum member, and Al and Ti It is possible to suppress the formation of a thick intermetallic compound.
Therefore, when a heat cycle is loaded, the generation of cracks at the joint can be suppressed, and a power module substrate with good joint reliability can be obtained.
In addition, when the circuit layer is a joined body in which an aluminum layer that is an aluminum member made of aluminum and a metal member layer that is a metal member made of copper, nickel, or silver are joined, the circuit layer is configured. It is possible to prevent a hard and brittle intermetallic compound from being formed thick at the joint between the aluminum layer and the metal member layer, and to suppress the occurrence of cracks at the joint when a heat cycle is applied.
Here, when an aluminum layer having a relatively small deformation resistance is formed on one surface of the insulating layer, the aluminum layer absorbs the thermal stress generated when the heat cycle is loaded, and the insulating layer is cracked. This can be suppressed.
Furthermore, when a Cu layer made of copper or a copper alloy is formed as a metal member layer to be bonded to the aluminum layer, the Cu layer has a larger deformation resistance than the aluminum layer, so that the heat cycle is loaded. In this case, the deformation of the circuit layer is suppressed, the deformation of the solder layer for bonding the semiconductor element and the circuit layer is suppressed, and the bonding reliability can be improved. In addition, since the Cu layer having a good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer, the heat from the semiconductor element can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate side.
In addition, when a Ni layer made of nickel or a nickel alloy is formed as the metal member layer to be bonded to the aluminum layer, the solderability is good and the bonding reliability with the semiconductor element is improved.
When an Ag layer made of silver or a silver alloy is formed as a metal member layer bonded to the aluminum layer, for example, a semiconductor element using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance In joining, since the silver in which silver oxide is reduced and the Ag layer are joined between the same kind of metals, the joining reliability can be improved. In addition, since the Ag layer having good thermal conductivity is formed on one side of the circuit layer, the heat from the semiconductor element can be spread and efficiently transmitted to the power module substrate side.
When the metal layer is a joined body in which an aluminum layer that is an aluminum member made of aluminum and a metal member layer that is a metal member made of copper, nickel, or silver are joined, the metal layer is configured. It is possible to prevent a hard and brittle intermetallic compound from being formed thick at the joint between the aluminum layer and the metal member layer, and to suppress the occurrence of cracks at the joint when a heat cycle is applied.
Here, when an aluminum layer having a relatively small deformation resistance is formed on the other surface of the insulating layer, the aluminum layer absorbs the thermal stress generated when the heat cycle is loaded, and the insulating layer is cracked. This can be suppressed.
Furthermore, when a Cu layer made of copper or a copper alloy is formed as a metal member layer to be bonded to the aluminum layer, the Cu layer has a larger deformation resistance than the aluminum layer, so that the heat cycle is loaded. In this case, deformation of the metal layer is suppressed, deformation of the solder layer that joins the heat sink and the metal layer can be suppressed, and bonding reliability can be improved.
In addition, when a Ni layer made of nickel or a nickel alloy is formed as the metal member layer to be bonded to the aluminum layer, the solderability is good and the bonding reliability with the heat sink is improved.
Further, when an Ag layer made of silver or a silver alloy is formed as a metal member layer bonded to the aluminum layer, for example, a heat sink is made using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance. At the time of joining, the silver whose silver oxide has been reduced and the Ag layer are joined between the same kind of metals, so that the joining reliability can be improved.
なお、接合面におけるSi濃度が0.03mass%未満の場合には、Tiの拡散を抑制する作用効果が不十分となり、接合部に形成されるAlとTiとの金属間化合物が厚く形成されてしまうおそれがある。一方、Si濃度が1.0mass%を超える場合には、融点が低下して液相が生じ、コブが生じたり厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下するおそれがあった。
よって、本発明では、接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内に規定している。
When the Si concentration at the joint surface is less than 0.03 mass%, the effect of suppressing the diffusion of Ti is insufficient, and the intermetallic compound of Al and Ti formed at the joint is formed thick. There is a risk that. On the other hand, when the Si concentration exceeds 1.0 mass%, the melting point is lowered and a liquid phase is generated, and bumps are formed or the thickness is changed.
Therefore, in this invention, Si density | concentration in a joint surface is prescribed | regulated in the range of 0.03 mass% or more and 1.0 mass% or less.
ここで、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法においては、前記固相拡散接合により、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部に、前記金属部材側に位置するTi層と、前記Ti層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Al3TiにSiが固溶したAl−Ti−Si層と、を形成することが好ましい。
この場合、アルミニウム部材と金属部材との接合部に、Ti層と、Al−Ti−Si層とが形成されており、硬くて脆いAl−Ti層、Al−Ti−Cu(Ni,Ag)層等の金属間化合物層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制でき、アルミニウム部材と金属部材との接合信頼性を向上できる。
Here, in the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, a Ti layer located on the metal member side at the joint between the aluminum member and the metal member by the solid phase diffusion bonding, and the Ti layer It is preferable to form an Al—Ti—Si layer in which Si is dissolved in Al 3 Ti.
In this case, a Ti layer and an Al—Ti—Si layer are formed at the joint between the aluminum member and the metal member, and the hard and brittle Al—Ti layer or Al—Ti—Cu (Ni, Ag) layer is formed. Since the intermetallic compound layer such as is not formed, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the joint when a heat cycle is applied, and the joining reliability between the aluminum member and the metal member can be improved.
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法においては、前記Al−Ti−Si層は、前記Ti層側に形成された第一Al−Ti−Si層と、前記アルミニウム部材側に形成され、前記第一Al−Ti−Si層よりもSi濃度の低い第二Al−Ti−Si層と、を備えていることが好ましい。
この場合、前記Ti層側に形成された第一Al−Ti−Si層が、アルミニウム部材側に形成された第二Al−Ti−Si層のSi濃度よりも高いので、Si濃度が高い第一Al−Ti−Si層によってTi原子がアルミニウム部材側に拡散することが抑制され、第一Al−Ti−Si層及び第二Al−Ti−Si層の厚さを薄くすることができ、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制可能となる。
In the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, the Al-Ti-Si layer is formed on the first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side and on the aluminum member side, It is preferable to include a second Al—Ti—Si layer having a lower Si concentration than the first Al—Ti—Si layer.
In this case, since the first Al—Ti—Si layer formed on the Ti layer side is higher than the Si concentration of the second Al—Ti—Si layer formed on the aluminum member side, the first Si concentration is high. The Al—Ti—Si layer suppresses Ti atoms from diffusing to the aluminum member side, and the thickness of the first Al—Ti—Si layer and the second Al—Ti—Si layer can be reduced. It is possible to suppress the occurrence of cracks in the joint portion when a load is applied.
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、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層及び前記ヒートシンクのいずれか一方がアルミニウムからなるアルミニウム部材とされ、前記金属層及び前記ヒートシンクのいずれか他方が銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とされており、前記アルミニウム部材の接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とし、前記絶縁層の他方の面に前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材を積層し、前記金属部材又は前記アルミニウム部材からなる前記ヒートシンクとの間に、Ti材を介在させ、前記アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材を接合するともに、前記アルミニウム部材とTi材、及び、前記Ti材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとを接合する構成とされており、前記絶縁層と前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ti材との固相拡散接合と、前記Ti材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施することを特徴としている。 The method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, and the metal A power module substrate with a heat sink comprising: a heat sink bonded to a layer, wherein one of the metal layer and the heat sink is an aluminum member made of aluminum, and the metal layer and the heat sink One of the other is a metal member made of copper, nickel, or silver, and the Si concentration in the joint surface of the aluminum member is in the range of 0.03 mass% to 1.0 mass%, and the other of the insulating layers Laminating the aluminum member or the metal member to be the metal layer on a surface, and from the metal member or the aluminum member Ti material is interposed between the heat sink, the aluminum member and the metal member are laminated, the laminated aluminum member and the metal member are heated, and the insulating layer and the metal layer are formed. A structure in which the metal layer and the heat sink are bonded together by bonding the aluminum member or the metal member, and solid-phase diffusion bonding the aluminum member and the Ti material, and the Ti material and the metal member, respectively. The aluminum member or the metal member to be the insulating layer and the metal layer, the solid phase diffusion bonding between the aluminum member and the Ti material, and the solid material between the Ti material and the metal member. The phase diffusion bonding is performed at the same time .
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記アルミニウム部材の接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とし、このアルミニウム部材と前記金属部材との間にTi材を介在させた状態で加熱しているので、Ti材によって、アルミニウム部材中のAlと金属部材中のCu、Ni又はAgとが相互拡散することを抑制でき、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。
また、前記アルミニウム部材とTi材とが固相拡散接合する際に、アルミニウム部材の表面のSiによってTi材中のTi原子がアルミニウム部材側に必要以上に拡散することを抑制でき、AlとTiとの金属間化合物が厚く形成されることを抑制できる。
よって、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好なヒートシンク付パワーモジュール用基板を得ることができる。
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、前記固相拡散接合により、前記アルミニウム部材と前記金属部材との接合部に、前記金属部材側に位置するTi層と、前記Ti層と前記アルミニウム部材との間に位置し、Al 3 TiにSiが固溶したAl−Ti−Si層と、を形成することが好ましい。
また、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−Ti−Si層は、前記Ti層側に形成された第一Al−Ti−Si層と、前記アルミニウム部材側に形成され、前記第一Al−Ti−Si層よりもSi濃度の低い第二Al−Ti−Si層と、を備えていることが好ましい。
According to the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink having this configuration, the Si concentration in the joint surface of the aluminum member is in the range of 0.03 mass% to 1.0 mass%, and the aluminum member and the metal member Since heating is performed with a Ti material interposed therebetween, the Ti material can suppress interdiffusion between Al in the aluminum member and Cu, Ni or Ag in the metal member, and between hard and brittle metals It is possible to prevent the compound from being formed thick.
Further, when the aluminum member and the Ti material are solid-phase diffusion bonded, it is possible to suppress the Ti atoms in the Ti material from diffusing more than necessary to the aluminum member side by Si on the surface of the aluminum member, and Al and Ti It is possible to suppress the formation of a thick intermetallic compound.
Therefore, when a heat cycle is loaded, the generation of cracks at the joint can be suppressed, and a power module substrate with a heat sink with good joining reliability can be obtained.
Here, in the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention, the Ti layer located on the metal member side at the joint between the aluminum member and the metal member by the solid phase diffusion bonding, It is preferable to form an Al—Ti—Si layer that is located between the Ti layer and the aluminum member and in which Si is dissolved in Al 3 Ti.
In the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink according to the present invention, the Al-Ti-Si layer is formed on the first Al-Ti-Si layer formed on the Ti layer side and on the aluminum member side. And a second Al—Ti—Si layer having a lower Si concentration than the first Al—Ti—Si layer.
本発明によれば、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好な接合体を得ることができるパワーモジュール用基板の製造方法、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, an aluminum member and a metal member made of copper, nickel, or silver are bonded satisfactorily, and when a heat cycle is loaded, generation of cracks at the bonded portion can be suppressed, and bonding reliability is good. method of manufacturing a substrate for Rupa word module can get Do conjugate, and it is possible to provide a method of manufacturing a power module substrate with a heat sink.
(第一実施形態)
以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
図1に、本発明の第一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、パワーモジュール用基板10と、このパワーモジュール用基板10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、を備えている。
(First embodiment)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
In FIG. 1, the power module 1 using the board |
The power module 1 includes a
本実施形態に係るパワーモジュール用基板10は、絶縁層を構成するセラミックス基板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。
The
セラミックス基板11は、絶縁性の高いAlN(窒化アルミニウム)、Si3N4(窒化ケイ素)、Al2O3(アルミナ)等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたAlN(窒化アルミニウム)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
回路層12は、図1に示すように、セラミックス基板11の一方の面に配設されたAl層12Aと、このAl層12Aの一方の面にTi層15を介して積層されたCu層12B(金属部材層)と、を有している。すなわち、本実施形態においては、この回路層12が、アルミニウム部材(Al層)と金属部材(Cu層)とが接合されてなる接合体とされている。
As shown in FIG. 1, the
Al層12Aは、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板22A(アルミニウム部材)が接合されることにより形成されている。接合されるアルミニウム板22A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。
Cu層12Bは、Al層12Aの一方の面(図1において上面)に、Ti層15を介して銅又は銅合金からなる銅板22B(金属部材)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、Cu層12Bは、無酸素銅の圧延板がAl層12A(アルミニウム板22B)に、チタン箔25を介して固相拡散接合されることにより形成されている。なお、接合される銅板22Bの厚さは0.1mm以上6.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1.0mmに設定されている。
As shown in FIG. 5, the
The
Ti層15は、Al層12Aと銅板22Bとがチタン箔25を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。ここで、チタン箔25の純度は99mass%以上とされている。また、チタン箔25の厚さは3μm以上40μm以下に設定されており、本実施形態では、10μmに設定されている。
そして、Al層12AとTi層15との接合界面には、図2に示すように、Al3TiにSiが固溶したAl−Ti−Si層16が形成されている。
The
As shown in FIG. 2, an Al—Ti—
Al−Ti−Si層16は、Al層12AのAl原子と、Ti層15のTi原子とが相互拡散することによって形成されるものである。Al−Ti−Si層16の厚さは、0.5μm以上10μm以下に設定されており、本実施形態においては3μmとされている。
このAl−Ti−Si層16は、図2に示すように、Ti層15側に形成された第一Al−Ti−Si層16Aと、Al層12A側に形成された第二Al−Ti−Si層16Bとを備えている。すなわち、Al層12AとCu層12Bとの接合部には、Ti層15と、第一Al−Ti−Si層16Aと、第二Al−Ti−Si層16Bとが形成されているのである。
The Al—Ti—
As shown in FIG. 2, the Al—Ti—
これら、第一Al−Ti−Si層16Aと第二Al−Ti−Si層16Bは、Al3TiにSiが固溶したAl−Ti−Si相からなり、第二Al−Ti−Si層16BのSi濃度が、第一Al−Ti−Si層16AのSi濃度よりも低くなっている。なお、本実施形態において、第一Al−Ti−Si層16A及び第二Al−Ti−Si層16Bに含まれるSiは、アルミニウム板22Aの接合面に存在するSiがAl−Ti−Si層16中に拡散し、濃化したものである。
第一Al−Ti−Si層16AのSi濃度は、10at%以上30at%以下とされており、本実施形態では20at%とされている。第二Al−Ti−Si層16BのSi濃度は、1at%以上10at%以下とされており、本実施形態では3at%とされている。
The first Al—Ti—
The Si concentration of the first Al—Ti—
金属層13は、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層13は、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。なお、金属層13となるアルミニウム板の厚さは0.1mm以上3.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、1.6mmに設定されている。
The
半導体素子3は、Si等の半導体材料で構成されている。この半導体素子3と回路層12は、はんだ層2を介して接合されている。
はんだ層2は、例えばSn−Ag系、Sn−Cu系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とされており、パワーモジュール用基板10と半導体素子3とを接合するものである。
The
The
次に、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3から図5を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the
(アルミニウム板Si濃度調整工程S01)
まず、Al層12Aとなるアルミニウム板22Aを準備する。本実施形態では、図4に示すように、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなる圧延板22Aa、22Abを2枚準備し、この2枚の圧延板22Aa、22Abを、Si材27を介して積層し、加圧した状態で加熱する。すると、Si材27から4Nアルミニウムからなる圧延板22Aa、22Ab側へSiが拡散することになる。その後、この2枚の圧延板22Aa、22Abを分離し、2枚のアルミニウム板22A,22Aが得られる。このアルミニウム板22Aにおいては、Si材27に接した面におけるSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とされている。
(Aluminum plate Si concentration adjusting step S01)
First, an
ここで、加圧の荷重は0.3MPa以上1.5MPa以下の範囲内、加熱温度は450℃以上576℃未満の範囲内、保持時間が5min以上150min以下の範囲内とされており、液相を生じさせずにSiを固相拡散させている。
また、Si材としては、Al−Si合金箔を用いてもよいし、Siを蒸着等によって固着してもよい。本実施形態では、厚さ20μmのAl−10mass%Si合金箔を介在させた。
なお、加熱温度、保持時間、Si材27のSi量を調整することにより、アルミニウム板22Aの接合面におけるSi濃度を制御することができる。
ここで、加圧の荷重を0.3MPa以上としているので、Si材と圧延板が確実に密着し、Siの拡散が均一かつ十分に行われる。また、荷重を1.5MPa以下としているので、2枚の圧延板が接合されることなく確実に分離することが可能である。
さらに、加熱温度を450℃以上としているので、Siの拡散速度が遅くなることが無く生産性を向上させることができる。また、加熱温度を576℃未満としているので、圧延板が溶融することが無い。
また、保持時間が5min以上とされているので、Siを十分に拡散させることができ、後述する回路層及び金属層形成工程S03において、接合部に形成されるAlとTiとの金属間化合物を薄く形成することが可能である。また、保持時間が150min以下としているので、Siが過剰に拡散されることが無く、圧延板が溶融することが無い。
Here, the pressure load is in the range of 0.3 MPa to 1.5 MPa, the heating temperature is in the range of 450 ° C. to less than 576 ° C., and the holding time is in the range of 5 min to 150 min. Si is solid-phase diffused without causing the above.
Further, as the Si material, an Al—Si alloy foil may be used, or Si may be fixed by vapor deposition or the like. In this embodiment, an Al-10 mass% Si alloy foil having a thickness of 20 μm is interposed.
It should be noted that by adjusting the heating temperature, holding time, and the amount of Si in the
Here, since the pressurization load is set to 0.3 MPa or more, the Si material and the rolled plate are in close contact with each other, and Si is diffused uniformly and sufficiently. Moreover, since the load is 1.5 MPa or less, the two rolled sheets can be reliably separated without being joined.
Furthermore, since the heating temperature is set to 450 ° C. or higher, productivity can be improved without slowing the diffusion rate of Si. Moreover, since the heating temperature is less than 576 ° C., the rolled plate does not melt.
In addition, since the holding time is set to 5 min or more, Si can be sufficiently diffused, and an intermetallic compound of Al and Ti formed at the junction in the circuit layer and metal layer forming step S03 described later. It can be formed thin. Further, since the holding time is set to 150 min or less, Si is not excessively diffused, and the rolled sheet does not melt.
(アルミニウム板及び銅板積層工程S02)
次に、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、Al層12Aとなるアルミニウム板22Aを積層し、さらにその上にチタン箔25を介してCu層12Bとなる銅板22Bを積層する。このとき、アルミニウム板22AのうちSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とされた面を、銅板22Bとの接合面とした。
一方、セラミックス基板11の他方の面には、金属層13となるアルミニウム板23を積層する。ここで、本実施形態においては、アルミニウム板22A、23とセラミックス基板11との間には、Al−Si系のろう材箔26を介して積層した。
(Aluminum plate and copper plate lamination step S02)
Next, as shown in FIG. 5, an
On the other hand, an
(回路層及び金属層形成工程S03)
次いで、積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板22Aとセラミックス基板11及びセラミックス基板11とアルミニウム板23を接合するとともに、アルミニウム板22Aとチタン箔25、及び銅板22Bとチタン箔25を固相拡散接合し、回路層12及び金属層13を形成する。
(Circuit layer and metal layer forming step S03)
Next, the
ここで、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上643℃以下、保持時間は30分以上180分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、630℃以上643℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に12kgf/cm2の圧力を負荷し、加熱温度640℃、保持時間60分の条件で実施した。
なお、アルミニウム板22A、チタン箔25、及び銅板22Bの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板10が製造される。
Here, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, the heating temperature is set to 600 ° C. to 643 ° C., and the holding time is set in the range of 30 minutes to 180 minutes. It is preferable. A more preferable heating temperature is in the range of 630 ° C. or more and 643 ° C. or less. In this embodiment, a pressure of 12 kgf / cm 2 was applied in the stacking direction, and the heating temperature was 640 ° C. and the holding time was 60 minutes.
Each surface to which the
As described above, the
(半導体素子接合工程S04)
次に、回路層12の一方の面(表面)に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール1が製造される。
(Semiconductor element bonding step S04)
Next, the
As described above, the power module 1 according to the present embodiment is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板10の製造方法によれば、回路層12がAl層12AとCu層12Bの接合体で構成されており、Al層12Aとなるアルミニウム板22Aの銅板22Bとの接合面におけるSi濃度が0.03mass%以上1.0 mass%以下の範囲内とされ、このアルミニウム板22Aと銅板22Bがチタン箔25を介して積層され、アルミニウム板22Aとチタン箔25及び銅板22Bとチタン箔25を固相拡散接合しているので、チタン箔25によって、アルミニウム板22A中のAlと銅板22B中のCuとが相互拡散することを抑制でき、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。
また、アルミニウム板22Aとチタン箔25とが固相拡散接合する際に、アルミニウム板22Aの接合面に存在するSiによってチタン箔25中のTi原子がアルミニウム板22A側に必要以上に拡散することを抑制でき、接合部に形成されるAlとTiとの金属間化合物層を薄くすることが可能となる。
According to the method for manufacturing the
Further, when the
さらに、本実施形態では、アルミニウム板Si濃度調整工程S01において、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなる圧延板22Aa,22Abを2枚準備し、この2枚の圧延板22Aa,22Abを、Si材27を介して積層し、加圧した状態で加熱し、Si材27から4Nアルミニウムからなる圧延板22Aa,22Ab側へSiを拡散させているので、接合面のSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下とされたアルミニウム板22Aを得ることができる。なお、このアルミニウム板22Aにおいては、Si以外の不純物量が少なく(例えばFeの含有量が20massppm以下)、かつ、Siが接合面に濃化しており、形成されたAl層12Aの変形抵抗を小さくすることができ、熱応力を十分に吸収することが可能となる。
Further, in the present embodiment, in the aluminum plate Si concentration adjusting step S01, two rolled plates 22Aa and 22Ab made of 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more are prepared, and the two rolled plates 22Aa and 22Ab are prepared as Si. Since the Si is diffused from the
また、本実施形態では、回路層12において、Al層12AとCu層12Bとの接合部に、Ti層15と、Al−Ti−Si層16とが形成されており、硬くて脆いAl−Ti層、Al−Ti−Cu層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、接合部にクラックが発生することを抑制し、Al層12AとCu層12Bとの接合信頼性を向上できる。
In the present embodiment, in the
また、本実施形態では、Ti層15側に形成された第一Al−Ti−Si層16AのSi濃度が、Al層12A側に形成された第二Al−Ti−Si層16BのSi濃度よりも高いので、Si濃度が高い第一Al−Ti−Si層16AによってTi原子がAl層12A側に拡散することが抑制され、Al−Ti−Si層16の厚さを薄くすることができる。そして、このようにAl−Ti−Si層16の厚さを薄くすることで、ヒートサイクルが負荷された際にAl層12AとCu層12Bとの接合部に割れが発生することを抑制可能となる。
In the present embodiment, the Si concentration of the first Al—Ti—
また、Al層12A側に形成された第二Al−Ti−Si層16Bに含まれるSi濃度が1at%以上10at%以下とされているので、Al原子がTi層15側に過剰に拡散することが抑制され、第二Al−Ti−Si層16Bの厚さを薄くすることができる。
さらには、Ti層15側に形成された第一Al−Ti−Si層16Aに含まれるSi濃度が10at%以上30at%以下とされているので、Ti原子がAl層12A側に過剰に拡散することが抑制され、第一Al−Ti−Si層16Aの厚さを薄くすることができる。
Further, since the Si concentration contained in the second Al—Ti—
Furthermore, since the Si concentration contained in the first Al—Ti—
また、本実施形態においては、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板22A、チタン箔25、銅板22B、及びアルミニウム板23を一度に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
Moreover, in this embodiment, since it is set as the structure which joins the
また、セラミックス基板11の一方の面に比較的変形抵抗の小さいAl層12Aが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をAl層12Aが吸収し、セラミックス基板11に割れが発生することを抑制できる。
さらに、Al層12Aの一方の面には、比較的変形抵抗の大きいCu層12Bが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に回路層12の変形が抑制され、半導体素子3と回路層12を接合するはんだ層2の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
また、熱伝導率の良好なCu層12Bが回路層12の一方側に形成されているので、半導体素子3からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板10側に伝達することができる。
Further, since the
Furthermore, since the
In addition, since the
また、本実施形態においては、Al層12A(アルミニウム板22A)とチタン箔25、及び銅板22Bとチタン箔25との固相拡散接合は、積層方向へ1〜35kgf/cm2の圧力をかけられた状態で600℃以上643℃以下に保持することで行われる構成とされているので、Al層とTi層の界面で液相を生成させることなく、Al層12A及び銅板22B中にTi原子を拡散させ、チタン箔25中にAl原子及びCu原子を固相拡散させて固相拡散接合し、Al層12A、チタン箔25、及び銅板22Bを確実に接合することができる。
In the present embodiment, the solid phase diffusion bonding of the
固相拡散接合する際の温度が600℃以上の場合には、Al原子、Ti原子、及びCu原子の拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、643℃以下の場合には、アルミニウムの溶融による液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚さが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度範囲は、上記の範囲に設定されている。 When the temperature at the time of solid phase diffusion bonding is 600 ° C. or higher, the diffusion of Al atoms, Ti atoms, and Cu atoms is promoted, and solid phase diffusion can be sufficiently achieved in a short time. Moreover, in the case of 643 degrees C or less, it can suppress that the liquid phase by melting | fusing of aluminum arises, a bump is produced in a joining interface, or thickness changes. Therefore, the preferable temperature range of solid phase diffusion bonding is set to the above range.
また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、本実施形態では、アルミニウム板22A、銅板22B、及びチタン箔25の接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して確実に接合することが可能である。
Further, when there are scratches on the surfaces to be joined when solid phase diffusion bonding is performed, gaps may be generated during solid phase diffusion bonding. In this embodiment, the
(第二実施形態)
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図6に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板130を備えたパワーモジュール101を示す。
このパワーモジュール101は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板130と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板130の一方の面(図6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、を備えている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板130は、パワーモジュール用基板110と、パワーモジュール用基板110の下側にはんだ層135を介して接合されたヒートシンク131と、を備えている。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing of the same structure as 1st embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and described, and detailed description is abbreviate | omitted.
FIG. 6 shows a
The
The
ヒートシンク131は、パワーモジュール用基板110側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク131は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。
はんだ層135は、例えばSn−Ag系、Sn−Cu系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材(いわゆる鉛フリーはんだ材)とされている。
The
The
パワーモジュール用基板110は、絶縁層を構成するセラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図6において上面)に配設された回路層112と、セラミックス基板11の他方の面に配設された金属層113(接合体)と、を備えている。
The
回路層112は、図9に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板122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、回路層112は、純度が99mass%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)の圧延板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。なお、回路層112となるアルミニウム板122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、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 9, the
金属層113は、図1に示すように、セラミックス基板11の他方の面に配設されたAl層113A(アルミニウム部材)と、このAl層113Aのうちセラミックス基板11が接合された面と反対側の面にTi層115を介して積層されたCu層113B(金属部材層)と、を有している。
As shown in FIG. 1, the
Al層113Aは、図9に示すように、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板123A1、123A2(アルミニウム部材)が接合されることにより形成されている。接合されるアルミニウム板アルミニウム板123A1、123A2の合計厚さは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。
Cu層113Bは、Al層113Aの他方の面に、Ti層115を介して銅又は銅合金からなる銅板123B(金属部材)が接合されることにより形成されている。
As shown in FIG. 9, the
The
そして、Al層113AとTi層115との接合界面には、図7に示すように、Al3TiにSiが固溶したAl−Ti−Si層116が形成されている。
Al−Ti−Si層116は、第一の実施形態におけるAl−Ti−Si層16と同様の構成とされ、Ti層115側に形成された第一Al−Ti−Si層116Aと、Al層113A側に形成された第二Al−Ti−Si層116Bとを備えている。
As shown in FIG. 7, an Al—Ti—
The Al—Ti—
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130の製造方法について、図8から図10を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the
(アルミニウム板積層工程S101)
まず、図9に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、回路層112となるアルミニウム板122を、Al−Si系のろう材箔26を介して積層した。
また、セラミックス基板11の他方の面に、Al層113Aとなる2枚のアルミニウム板123A1,123A2を積層する。このとき、セラミックス基板11とアルミニウム板123A1との間にAl−Si系のろう材箔26を介在させた。また、アルミニウム板123A1とアルミニウム板123A2との間にはSi材127を介在させた。Si材127としては、Si又はAl−Si合金等のSi合金の板や箔を用いることができる。さらに、Si又はSi合金の粉末をSi材127として用いることもできる。また、アルミニウム板にSiを蒸着させることでSi材127を形成してもよい。なお、Si材127としては、厚さ:1μm〜20μm、Si濃度:1mass%〜12mass%のAl−Si合金箔が好適に用いられる。
本実施形態では、Si材127として、厚さ10μmのAl−7mass%Si合金箔を介在させた。また、2枚のアルミニウム板123A1,123A2として、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムの圧延板を用いた。
(Aluminum plate lamination step S101)
First, as shown in FIG. 9, an
Also, two aluminum plates 123A 1 and 123A 2 to be the
In this embodiment, an Al-7 mass% Si alloy foil having a thickness of 10 μm is interposed as the
(回路層及びAl層形成工程S102)
そして、積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板122とセラミックス基板11を接合し、回路層112を形成する。また、セラミックス基板11とアルミニウム板123A1、及び、アルミニウム板123A1とアルミニウム板123A2を接合し、Al層113Aを形成する。
このとき、Si材127中のSiがアルミニウム板123A2内に拡散することにより、Al層113Aの他方の面(銅板123Bとの接合面)におけるSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とされる。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上640℃以下、保持時間は5分以上180分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
(Circuit layer and Al layer forming step S102)
And it arrange | positions and heats in a vacuum heating furnace in the state (pressure 1-35kgf / cm < 2 >) pressurized in the lamination direction, the
At this time, by the Si in the
Here, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, the heating temperature is set to 600 ° C. to 640 ° C., and the holding time is set in the range of 5 minutes to 180 minutes. It is preferable.
(Cu層形成工程S103)
次に、Al層113Aの他方の面側に、チタン箔125を介してCu層113Bとなる銅板123Bを積層する。
そして、積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Al層113Aとチタン箔125、及びチタン箔125と銅板123Bとを固相拡散接合し、接合体からなる金属層113を形成する。
ここで、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は600℃以上640℃以下、保持時間は30分以上180分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、Al層113A、チタン箔125、及び銅板123Bの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板110が製造される。
(Cu layer forming step S103)
Next, a
And it arrange | positions and heats in a vacuum heating furnace in the state (pressure 1-35kgf / cm < 2 >) in the lamination direction, and solid-phase diffusion of
Here, the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, the heating temperature is set to 600 ° C. to 640 ° C., and the holding time is set in the range of 30 minutes to 180 minutes. It is preferable.
The respective surfaces to which the
As described above, the
(ヒートシンク接合工程S104)
次に、パワーモジュール用基板110の金属層113に、はんだ材を介してヒートシンク131を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板130が製造される。
(Heat sink joining step S104)
Next, a
In this manner, the power module substrate with
(半導体素子接合工程S105)
次いで、回路層112の一方の面(表面)に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール101が製造される。
(Semiconductor element bonding step S105)
Next, the
As described above, the
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板110の製造方法によれば、金属層113がAl層113AとCu層113Bの接合体で構成されており、Al層113Aの銅板123Bとの接合面におけるSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とされ、Al層113Aと銅板123Bがチタン箔125を介して積層され、Al層113Aとチタン箔125及びチタン箔125と銅板123Bとを固相拡散接合しているので、チタン箔125によって、Al層113A中のAlと銅板123B中のCuとが相互拡散することを抑制でき、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。
また、Al層113Aとチタン箔125とが固相拡散接合する際に、Al層113Aの接合面に存在するSiによってチタン箔125中のTi原子がAl層113A側に必要以上に拡散することを抑制でき、接合界面に形成されるAlとTiとの金属間化合物層を薄くすることが可能となる。
According to the method for manufacturing the
Further, when the
さらに、本実施形態では、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムの圧延板からなる2枚のアルミニウム板123A1,123A2を、Si材127を介して積層し、Si材127からアルミニウム板123A2へSiを拡散させているので、銅板123Bとの接合面のSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下とされたAl層113Aを形成することができる。なお、このAl層113Aにおいては、Si以外の不純物量が少なく(例えばFeの含有量が20massppm以下)、Al層113Aの変形抵抗が低く抑えられている。
Further, in the present embodiment, two aluminum plates 123A 1 and 123A 2 made of 4N aluminum rolled plates having a purity of 99.99 mass% or more are stacked via the
(第三実施形態)
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図10に、本発明の第三実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板230を備えたパワーモジュール201を示す。
このパワーモジュール201は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板230と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板230の一方の面(図10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、を備えている。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing of the same structure as 1st embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and described, and detailed description is abbreviate | omitted.
In FIG. 10, the
The
ヒートシンク付パワーモジュール用基板230は、パワーモジュール用基板210と、このパワーモジュール用基板210の下側にTi層215を介して積層されたヒートシンク231(金属部材)と、を備えている。
The
パワーモジュール用基板210は、図10に示すように、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10において上面)に配設された回路層212と、セラミックス基板11の他方の面(図10において下面)に配設された金属層213と、を備えている。
As shown in FIG. 10, the
回路層212は、図13に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、導電性を有するアルミニウム板222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、回路層212は、純度99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)の圧延板を接合することで形成されている。なお、接合されるアルミニウム板222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、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 13, the
金属層213は、図13に示すように、セラミックス基板11の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板223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、金属層213は、純度99.99mass%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)にSiを0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲で添加したアルミニウム合金の圧延板を接合することで形成されている。なお、接合されるアルミニウム板223の厚さは0.1mm以上3.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 13, the
ヒートシンク231は、パワーモジュール用基板210側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク231は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。このヒートシンク231には、冷却用の流体が流れるための流路232が設けられている。
そして、これら金属層213(アルミニウム部材)とヒートシンク231(金属部材)とが、Ti層215を介して接合されている。
The
The metal layer 213 (aluminum member) and the heat sink 231 (metal member) are joined via the
Ti層215は、アルミニウムからなる金属層213と、銅からなるヒートシンク231とがチタン箔225を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。
そして、金属層213とTi層215との接合界面には、図11に示すように、Al3TiにSiが固溶したAl−Ti−Si層216が形成されている。
Al−Ti−Si層216は、第一の実施形態におけるAl−Ti−Si層16と同様の構成とされ、Ti層215側に形成された第一Al−Ti−Si層216Aと、金属層213側に形成された第二Al−Ti−Si層216Bとを備えている。
The
As shown in FIG. 11, an Al—Ti—
The Al—Ti—
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230の製造方法について、図12、図13を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the
(アルミニウム板及びヒートシンク積層工程S201)
まず、図13に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、Al−Si系のろう材箔26を介して、回路層212となるアルミニウム板222を積層する。また、セラミックス基板11の他方の面に、ろう材箔26を介して金属層213となるアルミニウム板223を積層する。
そして、アルミニウム板223の他方の面側に、チタン箔225を介してヒートシンク231を積層する。
(Aluminum plate and heat sink lamination step S201)
First, as shown in FIG. 13, an
Then, a
(アルミニウム板及びヒートシンク接合工程S202)
次いで、アルミニウム板222、223、セラミックス基板11、及びヒートシンク231の積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、回路層212及び金属層213を形成するとともに、金属層213とチタン箔225、及びヒートシンク231とチタン箔225を固相拡散接合し、金属層213とヒートシンク231とを接合する。
(Aluminum plate and heat sink joining step S202)
Next, the
(半導体素子接合工程S203)
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板230(回路層212)の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子3を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール201が製造される。
(Semiconductor element bonding step S203)
Next, the
As described above, the
以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板230の製造方法によれば、金属層213のうちヒートシンク231との接合面におけるSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とされ、金属層213とヒートシンク231がチタン箔225を介して積層され、金属層213とチタン箔225及びチタン箔225とヒートシンク231とを固相拡散接合しているので、チタン箔225によって、金属層213中のAlとヒートシンク231中のCuとが相互拡散することを抑制でき、硬くて脆い金属間化合物が厚く形成されることを防止できる。
また、金属層213とチタン箔225とが固相拡散接合する際に、金属層213の接合面に存在するSiによってチタン箔225中のTi原子が金属層213側に必要以上に拡散することを抑制でき、接合界面に形成されるAlとTiとの金属間化合物層を薄くすることが可能となる。
According to the method for manufacturing the power module substrate with
Further, when the
さらに、本実施形態では、純度99.99mass%以上の4NアルミニウムにSiを添加したアルミニウム板223を用いて金属層213が形成されているので、ヒートシンクとの接合面のSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下とされた金属層213を形成することができる。なお、この金属層213においては、Si以外の不純物量が少なく(例えばFeの含有量が20massppm以下)、変形抵抗が低く抑えられている。
Furthermore, in this embodiment, since the
また、本実施形態においては、セラミックス基板11の一方の面及び他方の面に、回路層212及び金属層213を形成し、さらに金属層213とヒートシンク231とを同時に接合することができるので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、金属層をアルミニウム、ヒートシンクを銅により形成したが、金属層を銅としヒートシンクをアルミニウムとすることもできる。この場合ヒートシンクは、Si濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下とされたアルミニウム合金を用いることや、純度99.99mass%以上の4NアルミニウムにSiを添加し、金属層との接合面のSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下とされたアルミニウムを用いることができる。 In this embodiment, the metal layer is made of aluminum and the heat sink is made of copper. However, the metal layer can be made of copper and the heat sink can be made of aluminum. In this case, the heat sink is made of an aluminum alloy having a Si concentration of 0.03 mass% or more and 1.0 mass% or less, or Si is added to 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more, so that the bonding surface with the metal layer Aluminum whose Si concentration is 0.03 mass% or more and 1.0 mass% or less can be used.
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、上記実施の形態では、Al層と、金属部材層として銅からなるCu層とが接合される場合について説明したが、Cu層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるNi層、もしくは銀又は銀合金からなるAg層が接合されても良い。
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 above embodiment, the case where the Al layer and the Cu layer made of copper as the metal member layer are joined has been described. However, instead of the Cu layer, a Ni layer made of nickel or a nickel alloy, or silver or An Ag layer made of a silver alloy may be bonded.
Cu層に代えてNi層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、半導体素子やヒートシンクとの接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってNi層を形成する場合には、無電解めっき等でNiめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ni層の厚さは1μm以上30μm以下とすることが望ましい。Ni層の厚さが1μm未満の場合には半導体素子やヒートシンクとの接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、30μmを超える場合にはNi層が熱抵抗体となり効率的に熱を伝達できなくなるおそれがある。また、固相拡散接合によってNi層を形成する場合、固相拡散接合は、前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。 When the Ni layer is formed instead of the Cu layer, the solderability becomes good and the bonding reliability with the semiconductor element and the heat sink can be improved. Further, when the Ni layer is formed by solid phase diffusion bonding, the masking process performed when forming the Ni plating film by electroless plating or the like is not necessary, so that the manufacturing cost can be reduced. In this case, the thickness of the Ni layer is preferably 1 μm or more and 30 μm or less. If the thickness of the Ni layer is less than 1 μm, the effect of improving the reliability of bonding with the semiconductor element or the heat sink may be lost. If the thickness exceeds 30 μm, the Ni layer becomes a thermal resistor and efficiently transfers heat. There is a risk that it will not be possible. When the Ni layer is formed by solid phase diffusion bonding, the solid phase diffusion bonding can be formed under the same conditions as in the above-described embodiment.
Cu層に代えてAg層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子やヒートシンクを接合する際に、酸化銀が還元された銀とAg層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。さらには、熱伝導率の良好なAg層が形成されるので、熱を面方向に拡げて効率的に伝達することができる。この場合、Ag層の厚さは1μm以上20μm以下とすることが望ましい。Ag層の厚さが1μm未満の場合には半導体素子やヒートシンクとの接合信頼性を向上の効果が無くなるおそれがあり、20μmを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。また、固相拡散接合によってAg層を形成する場合、固相拡散接合は、前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。 When an Ag layer is formed instead of the Cu layer, for example, when a semiconductor element or a heat sink is bonded using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic material, the silver oxide is reduced. Since the Ag layer and the Ag layer are bonded to each other, the bonding reliability can be improved. Furthermore, since an Ag layer having a good thermal conductivity is formed, heat can be spread efficiently by spreading in the surface direction. In this case, the thickness of the Ag layer is preferably 1 μm or more and 20 μm or less. When the thickness of the Ag layer is less than 1 μm, there is a risk that the effect of improving the bonding reliability with the semiconductor element or the heat sink may be lost, and when it exceeds 20 μm, the effect of improving the bonding reliability is not observed, and the cost Incurs an increase. Further, when forming the Ag layer by solid phase diffusion bonding, the solid phase diffusion bonding can be formed under the same conditions as in the above-described embodiment.
さらに、上記実施の形態では、セラミックス基板11の一方の面に、Al−Si系のろう材箔を介して、Al層となるアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介してCu層となる銅板を積層し、加圧加熱することで接合体を形成したが、チタン箔及び銅板の代わりにTi/Cuからなるクラッド材を用いることができる。また、アルミニウム板、チタン箔及び銅板の代わりに、Al−Si/Ti/Cuの3層からなるクラッド材を用いることもできる。
また、Cu層に代えてNi層を形成する場合、Ti/Niからなるクラッド材やAl−Si/Ti/Niからなるクラッド材を用いることができる。
さらに、Cu層に代えてAg層を形成する場合、Ti/Agからなるクラッド材やAl−Si/Ti/Agからなるクラッド材を用いることができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, an aluminum plate to be an Al layer is laminated on one surface of the
Moreover, when forming a Ni layer instead of a Cu layer, a clad material made of Ti / Ni or a clad material made of Al—Si / Ti / Ni can be used.
Furthermore, when an Ag layer is formed instead of the Cu layer, a clad material made of Ti / Ag or a clad material made of Al—Si / Ti / Ag can be used.
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
本発明例1〜6及び比較例1、2のパワーモジュールを次のようにして製造した。
表1記載のセラミックス基板の一方の面に、Al層となるアルミニウム板(厚さ0.6mm)を積層し、さらにその上にチタン箔を介して表1記載の金属板(金属部材)を積層する。また、セラミックス基板の他方の面には、金属層となる純度99.99mass%以上の4Nアルミニウム板(厚さ0.6mm)を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板とは、Al−Si系のろう材箔を介して積層した。次いで、表1に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にAl層及び金属層を形成するとともに、Al層、チタン箔、金属部材からなる板を固相拡散接合して回路層を形成した。そして、回路層の一方の面にはんだ材を介して半導体素子を接合した。
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
The power modules of Invention Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were produced as follows.
An aluminum plate (thickness 0.6 mm) to be an Al layer is laminated on one surface of the ceramic substrate described in Table 1, and further a metal plate (metal member) described in Table 1 is laminated on the titanium plate via a titanium foil. To do. Further, a 4N aluminum plate (thickness 0.6 mm) having a purity of 99.99 mass% or more, which becomes a metal layer, is laminated on the other surface of the ceramic substrate. Here, the aluminum plate and the ceramic substrate were laminated via an Al—Si brazing material foil. Next, heat treatment is performed under the conditions shown in Table 1 to form an Al layer and a metal layer on one surface and the other surface of the ceramic substrate, and a plate made of the Al layer, titanium foil, and metal member is solid phase diffusion bonded Thus, a circuit layer was formed. And the semiconductor element was joined to one side of the circuit layer via the solder material.
ここで、Al層となるアルミニウム板については、第一の実施形態で説明したように、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムからなる圧延板を2枚準備し、この2枚の圧延板を、Al−Siろう材箔を介して積層し、加圧した状態で加熱した。その後、この2枚の圧延板を分離し、2枚のアルミニウム板を得た。このとき、加熱温度及び保持時間を調整することにより、アルミニウム板のAl−Siろう材箔に接した面(接合面)におけるSi濃度を調整した。Si濃度は、前記アルミニウム板の接合面をEPMAの定量分析で5点測定し、その平均値とした。なお、Si濃度はAlとSiの合計量を100とした時の濃度とした。 Here, for the aluminum plate to be the Al layer, as described in the first embodiment, two rolled plates made of 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more are prepared, and the two rolled plates are It laminated | stacked through Al-Si brazing material foil and it heated in the pressurized state. Thereafter, the two rolled plates were separated to obtain two aluminum plates. At this time, by adjusting the heating temperature and the holding time, the Si concentration on the surface (joint surface) in contact with the Al—Si brazing foil of the aluminum plate was adjusted. The Si concentration was determined by measuring the joint surface of the aluminum plate at five points by EPMA quantitative analysis, and taking the average value. The Si concentration was the concentration when the total amount of Al and Si was 100.
このようにして製造されたパワーモジュールの回路層におけるAl層と金属部材層との接合部を断面観察し、Al−Ti−Si層の有無を確認した。さらに、パワーモジュールに対して、ヒートサイクル試験を行い、試験後のAl層と金属部材層との接合部の接合率を測定した。また、Al層と金属部材層との接合部の初期の接合率(ヒートサイクル試験前の接合率)も測定した。評価の具体的手順を以下に示す。 The cross section of the joint between the Al layer and the metal member layer in the circuit layer of the power module thus manufactured was observed to confirm the presence or absence of the Al—Ti—Si layer. Furthermore, the heat cycle test was done with respect to the power module, and the joining rate of the joined part between the Al layer and the metal member layer after the test was measured. Moreover, the initial joining rate (joining rate before a heat cycle test) of the junction part of Al layer and a metal member layer was also measured. The specific procedure for evaluation is shown below.
(断面観察)
回路層の断面をクロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製SM−09010)を用いて、イオン加速電圧:5kV、加工時間:14時間、遮蔽板からの突出量:100μmでイオンエッチングした後に、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてAl層(アルミニウム部材)と金属部材層(金属部材)との接合部の観察を行った。また、EPMA分析装置を用いて、接合部の組成分析を行い、Ti層とAl層との間の接合界面に、Al3TiにSiが固溶したAl−Ti−Si層が形成されているかどうかを確認した。
(Cross section observation)
The cross section of the circuit layer was subjected to ion etching using a cross section polisher (SM-09010 manufactured by JEOL Ltd.) with an ion acceleration voltage of 5 kV, a processing time of 14 hours, and a protrusion amount from the shielding plate of 100 μm, and then a scanning The joining part of the Al layer (aluminum member) and the metal member layer (metal member) was observed using an electron microscope (SEM). Also, the composition of the joint is analyzed using an EPMA analyzer, and an Al—Ti—Si layer in which Si is dissolved in Al 3 Ti is formed at the joint interface between the Ti layer and the Al layer. I confirmed.
(ヒートサイクル試験)
ヒートサイクル試験は、パワーモジュールに対して、−40℃←→125℃のヒートサイクルを負荷することにより行う。本実施例では、このヒートサイクルを4000回実施した。
このヒートサイクル試験前後における、Al層と金属部材層との界面における接合率を測定した。
(Heat cycle test)
The heat cycle test is performed by applying a heat cycle of −40 ° C. ← → 125 ° C. to the power module. In this example, this heat cycle was performed 4000 times.
The bonding rate at the interface between the Al layer and the metal member layer before and after the heat cycle test was measured.
(Al層と金属部材層との接合部の接合率評価)
ヒートサイクル試験前後のパワーモジュールに対して、Al層と金属部材層との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、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Al層の面積とした。超音波探傷像において剥離は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。
接合率(%)={(初期接合面積)−(剥離面積)}/(初期接合面積)×100
以上の評価の結果を表1に示す。
(Joint rate evaluation of the joint between the Al layer and the metal member layer)
The power module before and after the heat cycle test was evaluated using an ultrasonic flaw detector for the joint ratio of the joint between the Al layer and the metal member layer, 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 Al layer. Since peeling is indicated by a white part in the ultrasonic flaw detection image, the area of the white part is defined as a peeling area.
Bonding rate (%) = {(initial bonding area) − (peeling area)} / (initial bonding area) × 100
The results of the above evaluation are shown in Table 1.
接合面のSi濃度が0.01mass%と本発明の範囲よりも低かった比較例1においては、Al−Ti−Si層が形成されておらず、ヒートサイクル試験後の接合率が大幅に低下した。一方、接合面のSi濃度が2.0mass%と本発明の範囲よりも高かった比較例2においては、ヒートサイクル試験後の接合率が大幅に低下した。
これに対して、接合面のSi濃度が0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とされた本発明例1〜6では、初期接合率は98%以上と高く、ヒートサイクル試験後の接合率も高いままであり、接合信頼性の高いパワーモジュールであることが確認された。
In Comparative Example 1 in which the Si concentration on the bonding surface was 0.01 mass%, which was lower than the range of the present invention, the Al-Ti-Si layer was not formed, and the bonding rate after the heat cycle test was greatly reduced. . On the other hand, in Comparative Example 2 in which the Si concentration on the bonding surface was 2.0 mass%, which was higher than the range of the present invention, the bonding rate after the heat cycle test was significantly reduced.
On the other hand, in Examples 1 to 6 of the present invention in which the Si concentration on the bonding surface was within the range of 0.03 mass% or more and 1.0 mass% or less, the initial bonding rate was as high as 98% or more, and after the heat cycle test The bonding rate remained high, and it was confirmed that the power module had high bonding reliability.
10、110、210 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層(接合体)
12A Al層(アルミニウム部材)
12B Cu層(金属部材)
15、115、215 Ti層
16、116、216 Al−Ti−Si層
16A、116A、216A 第一Al−Ti−Si層
16B、116B、216B 第二Al−Ti−Si層
25、125、225 チタン箔(Ti材)
113 金属層(接合体)
113A Al層(アルミニウム部材)
113B Cu層(金属部材)
213 金属層(アルミニウム部材)
231 ヒートシンク(金属部材)
10, 110, 210
12 Circuit layer (joint)
12A Al layer (aluminum member)
12B Cu layer (metal member)
15, 115, 215
113 Metal layer (joint)
113A Al layer (aluminum member)
113B Cu layer (metal member)
213 Metal layer (aluminum member)
231 Heat sink (metal member)
Claims (7)
前記回路層は、アルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体からなり、
前記アルミニウム部材の接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とし、
前記絶縁層の一方の面に前記アルミニウム部材を積層し、前記アルミニウム部材と前記金属部材との間にTi材を介在させ、前記アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、
積層した前記絶縁層と前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム部材を接合するとともに、前記アルミニウム部材とTi材、及び、前記Ti材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合することにより、前記回路層を形成する構成とされており、前記絶縁層と前記アルミニウム部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ti材との固相拡散接合と、前記Ti材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施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: an insulating layer; and a circuit layer formed on one surface of the insulating layer,
The circuit layer is composed of a joined body in which an aluminum layer that is an aluminum member made of aluminum and a metal member layer that is a metal member made of copper, nickel, or silver are joined,
The Si concentration at the joint surface of the aluminum member is in the range of 0.03 mass% to 1.0 mass%,
Laminating the aluminum member on one surface of the insulating layer, interposing a Ti material between the aluminum member and the metal member, laminating the aluminum member and the metal member,
The laminated insulating layer, the aluminum member, and the metal member are heated to join the insulating layer and the aluminum member, and the aluminum member and the Ti material, and the Ti material and the metal member are fixed. The circuit layer is formed by phase diffusion bonding , the bonding between the insulating layer and the aluminum member, the solid phase diffusion bonding between the aluminum member and the Ti material, and the Ti material. A method for manufacturing a power module substrate, wherein solid phase diffusion bonding with the metal member is simultaneously performed .
前記金属層は、アルミニウムからなるアルミニウム部材であるアルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材である金属部材層と、が接合された接合体からなり、
前記アルミニウム部材の接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とし、
前記絶縁層の他方の面に前記アルミニウム部材を積層し、前記アルミニウム部材と前記金属部材との間にTi材を介在させ、前記アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、
積層した前記絶縁層と前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム部材を接合するとともに、前記アルミニウム部材とTi材、及び、前記Ti材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合することにより、前記金属層を形成する構成とされており、前記絶縁層と前記アルミニウム部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ti材との固相拡散接合と、前記Ti材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施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 of manufacturing a power module substrate comprising: an insulating layer; a circuit layer formed on one surface of the insulating layer; and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer,
The metal layer is composed of a joined body in which an aluminum layer that is an aluminum member made of aluminum and a metal member layer that is a metal member made of copper, nickel, or silver are joined,
The Si concentration at the joint surface of the aluminum member is in the range of 0.03 mass% to 1.0 mass%,
Laminating the aluminum member on the other surface of the insulating layer, interposing the Ti material between the aluminum member and the metal member, laminating the aluminum member and the metal member,
The laminated insulating layer, the aluminum member, and the metal member are heated to join the insulating layer and the aluminum member, and the aluminum member and the Ti material, and the Ti material and the metal member are fixed. The metal layer is formed by phase diffusion bonding , the bonding between the insulating layer and the aluminum member, the solid phase diffusion bonding between the aluminum member and the Ti material, and the Ti material. A method for manufacturing a power module substrate, wherein solid phase diffusion bonding with the metal member is simultaneously performed .
前記金属層及び前記ヒートシンクのいずれか一方がアルミニウムからなるアルミニウム部材とされ、前記金属層及び前記ヒートシンクのいずれか他方が銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とされており、
前記アルミニウム部材の接合面におけるSi濃度を0.03mass%以上1.0mass%以下の範囲内とし、
前記絶縁層の他方の面に前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材を積層し、前記金属部材又は前記アルミニウム部材からなる前記ヒートシンクとの間に、Ti材を介在させ、前記アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、
積層した前記アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記絶縁層と前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材を接合するともに、前記アルミニウム部材とTi材、及び、前記Ti材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとを接合する構成とされており、前記絶縁層と前記金属層となる前記アルミニウム部材又は前記金属部材との接合と、前記アルミニウム部材と前記Ti材との固相拡散接合と、前記Ti材と前記金属部材との固相拡散接合と、を同時に実施することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。 A power with a heat sink comprising: an insulating layer; a circuit layer formed on one surface of the insulating layer; a metal layer formed on the other surface of the insulating layer; and a heat sink bonded to the metal layer. A method of manufacturing a module substrate,
One of the metal layer and the heat sink is an aluminum member made of aluminum, and the other of the metal layer and the heat sink is a metal member made of copper, nickel, or silver,
The Si concentration at the joint surface of the aluminum member is in the range of 0.03 mass% to 1.0 mass%,
The aluminum member or the metal member to be the metal layer is laminated on the other surface of the insulating layer, a Ti material is interposed between the metal member or the heat sink made of the aluminum member, and the aluminum member and Laminating the metal member,
The laminated aluminum member and the metal member are heated to join the aluminum member or the metal member to be the insulating layer and the metal layer, and the aluminum member and the Ti material, and the Ti material and the metal It is configured to join the metal layer and the heat sink by solid-phase diffusion bonding each of the members, the bonding of the insulating layer and the aluminum member or the metal member to be the metal layer, A method for manufacturing a substrate for a power module with a heat sink , wherein a solid phase diffusion bonding between an aluminum member and the Ti material and a solid phase diffusion bonding between the Ti material and the metal member are simultaneously performed .
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