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JP4998404B2 - Power module substrate, manufacturing method thereof, and power module - Google Patents

Power module substrate, manufacturing method thereof, and power module Download PDF

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JP4998404B2 JP2008205659A JP2008205659A JP4998404B2 JP 4998404 B2 JP4998404 B2 JP 4998404B2 JP 2008205659 A JP2008205659 A JP 2008205659A JP 2008205659 A JP2008205659 A JP 2008205659A JP 4998404 B2 JP4998404 B2 JP 4998404B2
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Description

本発明は、大電流、大電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュールに関する。   The present invention relates to a power module substrate used in a semiconductor device that controls a large current and a large voltage, a manufacturing method thereof, and a power module.

一般に、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、その発熱量が比較的高いことが知られている。パワーモジュールに搭載されるパワーモジュール用基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のセラミックス基板の表面に回路層を接合し、裏面に金属層を接合して形成されたものがある。この回路層の上には、はんだ材を介して半導体チップ等の電子部品が搭載される。また、金属層はこの電子部品から発せられる熱を効率良く放熱させるための熱伝達層として設けられており、この金属層を介してヒートシンク等の放熱板上にパワーモジュール用基板が接合されるようになっている。   In general, it is known that a power module for supplying power among semiconductor elements has a relatively high calorific value. As a power module substrate mounted on a power module, for example, there is a substrate formed by bonding a circuit layer to the surface of an AlN (aluminum nitride) ceramic substrate and bonding a metal layer to the back surface. On the circuit layer, an electronic component such as a semiconductor chip is mounted via a solder material. In addition, the metal layer is provided as a heat transfer layer for efficiently radiating the heat generated from the electronic component, and the power module substrate is joined to the heat sink such as a heat sink via the metal layer. It has become.

セラミックス基板と金属層（又は回路層）との良好な接合強度を得るために、例えば、特許文献１には、この金属層として、異なる金属材料を積層してなるクラッド材を用いる方法が提案されている。そしてこのクラッド材として、例えば、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕの３層のものが用いられている。   In order to obtain good bonding strength between the ceramic substrate and the metal layer (or circuit layer), for example, Patent Document 1 proposes a method using a clad material formed by laminating different metal materials as the metal layer. ing. And as this clad material, the thing of the three-layer of Al-Ti-Cu is used, for example.

前記Ａｌ層は、この金属層（クラッド材）のセラミックス基板側の面に配置され、前記Ｃｕ層は、セラミックス基板側と反対側の面に配置され、Ｔｉ層は、このＡｌ層とＣｕ層との間に介在して配置されている。そしてこれらセラミックス基板と金属層との各層間がろう付けにより接合されている。このように、金属層として異なる金属材料からなるクラッド材を用いることで、夫々の材料の熱膨張係数の違いを利用し、熱サイクル時における接合信頼性を向上させるようになされている。
特開平１１−９７８０７号公報 The Al layer is disposed on the surface of the metal layer (cladding material) on the ceramic substrate side, the Cu layer is disposed on the surface opposite to the ceramic substrate side, and the Ti layer includes the Al layer and the Cu layer. Between the two. The layers between the ceramic substrate and the metal layer are joined by brazing. Thus, by using a clad material made of different metal materials as the metal layer, the difference in thermal expansion coefficient of each material is utilized to improve the bonding reliability during the thermal cycle.
JP-A-11-97807

しかしながら、前記金属層を、異なる金属材料のクラッド材で形成した場合、それら金属材料間で腐食が発生したり、或いは各金属材料間の接合面の密着性が十分に確保できなかったりして、熱サイクル時にこれら接合面が剥離してしまうという問題があった。  However, when the metal layer is formed of a clad material of a different metal material, corrosion occurs between the metal materials, or the adhesion of the joint surface between the metal materials cannot be sufficiently ensured, There was a problem that these joint surfaces peeled off during thermal cycling.

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであって、熱サイクル時の接合信頼性を向上することができるパワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュールを提供することを目的とする。  This invention is made | formed in view of the subject mentioned above, Comprising: It aims at providing the board | substrate for power modules which can improve the joining reliability at the time of a thermal cycle, its manufacturing method, and a power module.

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。すなわち本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の表面に回路層が配置され、裏面に金属層が配置される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、アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満の第１層と、アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上の第２層とを含む２以上の層を積層してなるクラッド材により形成されており、前記クラッド材の前記第１層を、前記セラミックス基板側と反対側の面として、これらセラミックス基板と金属層とを、互いにろう付けにより接合することを特徴とする。また、本発明に係るパワーモジュールは、前記パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールであって、前記回路層の表面に半導体チップが接合され、前記第１層の裏面にヒートシンクが接合されていることを特徴とする。  In order to achieve the above object, the present invention proposes the following means. That is, the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a circuit layer is disposed on the front surface of a ceramic substrate and a metal layer is disposed on the back surface. The clad material is formed by laminating two or more layers including a first layer having a purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt% and a second layer having an aluminum purity of 99.99 wt% or more, The ceramic substrate and the metal layer are joined to each other by brazing with the first layer of material as the surface opposite to the ceramic substrate side. The power module according to the present invention is a power module using the power module substrate, wherein a semiconductor chip is bonded to the surface of the circuit layer, and a heat sink is bonded to the back surface of the first layer. It is characterized by.

この発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュールによれば、前記金属層が、同一金属（アルミニウム）の２以上の層を積層してなるクラッド材により形成されているので、各層の間に異種金属材料に起因する腐食が発生する虞がなく、接合面の密着性が十分に確保される。また、前記クラッド材は、そのセラミックス基板側と反対側の面がアルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満で形成される高硬度・高強度の第１層とされているので、この第１層が、後工程においてこの層の裏面に接合される高熱膨張係数のヒートシンクの熱膨張・熱収縮を効果的に拘束し、熱サイクル時における接合信頼性を向上することができる。  According to the method for manufacturing a power module substrate and the power module according to the present invention, the metal layer is formed of a clad material formed by laminating two or more layers of the same metal (aluminum). In addition, there is no risk of corrosion due to the dissimilar metal material, and the adhesion of the joint surface is sufficiently ensured. In addition, the clad material is a first layer of high hardness and high strength in which the surface opposite to the ceramic substrate side is formed with an aluminum purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt%. One layer effectively restrains the thermal expansion / shrinkage of the heat sink having a high thermal expansion coefficient that is bonded to the back surface of this layer in a later step, and can improve the bonding reliability during the thermal cycle.

また、前記第１層の前記セラミックス基板側がアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上で形成される低硬度・低耐力の第２層とされているので、熱サイクル時において、この第２層が、高熱膨張係数のヒートシンクと低熱膨張係数のセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因して発生する応力を緩和する緩衝材の役割を果たし、これらの接合信頼性をより向上させることができる。  Moreover, since the ceramic substrate side of the first layer is a second layer having a low hardness and a low yield strength formed with an aluminum purity of 99.99 wt% or more, the second layer has a high thermal expansion during a thermal cycle. It serves as a buffer material that relieves stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink having a coefficient and the ceramic substrate having a low coefficient of thermal expansion, and the bonding reliability of these can be further improved.

本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、前記金属層として、前記第１層と第２層とを含む計３層からなるクラッド材を用いることとしてもよい。これによれば、前記クラッド材の表面・裏面が夫々アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満で形成される高硬度・高強度の層とされ、これらの層に接合されるヒートシンク及びセラミックス基板の熱膨張・熱収縮を効果的に拘束することができる。またこれら２つの層の間がアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上で形成される低硬度・低耐力の層とされるので、この層が熱サイクル時においてこの積層体に発生する応力を緩和し、接合信頼性をより向上させることができる。また、種々の用途に応じて、多様に対応可能なパワーモジュール用基板を提供することができる。   In the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, a clad material including a total of three layers including the first layer and the second layer may be used as the metal layer. According to this, the surface and the back surface of the clad material are high hardness and high strength layers formed with an aluminum purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt%, respectively, and the heat sink and ceramics bonded to these layers The thermal expansion / shrinkage of the substrate can be effectively restrained. In addition, since the layer between these two layers is a low hardness and low proof stress layer formed with an aluminum purity of 99.99 wt% or more, this layer relieves the stress generated in this laminate during thermal cycling, and bonds Reliability can be further improved. Further, it is possible to provide a power module substrate that can be used in various ways according to various applications.

また、本発明に係るパワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４の内、いずれかの材料で形成されていることとしてもよい。 In the power module substrate according to the present invention, the ceramic substrate may be formed of any one of AlN, Al 2 O 3 , and Si 3 N 4 .

本発明に係るパワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュールによれば、熱サイクル時の接合信頼性を向上することができる。   According to the power module substrate, the manufacturing method thereof, and the power module according to the present invention, it is possible to improve the bonding reliability during the thermal cycle.

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第一実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図、図２は本発明の第二実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a power module according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a power module according to a second embodiment of the present invention.

本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール１０（１０ａ）は、図１に示すように、セラミックス基板１を有するパワーモジュール用基板４と、該パワーモジュール用基板４の表面に搭載された半導体チップ５と、パワーモジュール用基板４の裏面に接合されたヒートシンク７とから構成されている。   As shown in FIG. 1, a power module 10 (10 a) according to the first embodiment of the present invention includes a power module substrate 4 having a ceramic substrate 1 and a semiconductor chip mounted on the surface of the power module substrate 4. 5 and a heat sink 7 bonded to the back surface of the power module substrate 4.

パワーモジュール用基板４は、セラミックス基板１の表面側に回路層２が積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝達層となる金属層３が積層された構成である。セラミックス基板１は、例えばＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物系セラミックス、若しくはＡｌ２Ｏ３等の酸化物系セラミックスにより形成される。また回路層２は純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムの単層により形成されている。また金属層３は、純度の異なる２層のアルミニウムが予めクラッドされるクラッド材であり、そのセラミックス基板１側と反対側の面が純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウムの第１層３ａとされ、そのセラミックス基板１側の面が純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムの第２層３ｂとされている。これら第１層３ａ及び第２層３ｂは、夫々約０．１〜１．５ｍｍの厚みで形成されている。 The power module substrate 4 has a configuration in which the circuit layer 2 is laminated on the front surface side of the ceramic substrate 1 and the metal layer 3 serving as a heat transfer layer for heat dissipation is laminated on the back surface side. The ceramic substrate 1 is formed of, for example, nitride ceramics such as AlN or Si 3 N 4 or oxide ceramics such as Al 2 O 3 . The circuit layer 2 is formed of a single layer of aluminum having a purity of 99.99 wt% or more. The metal layer 3 is a clad material in which two layers of aluminum having different purities are clad in advance, and the first surface of aluminum having a purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt% on the surface opposite to the ceramic substrate 1 side. The surface on the ceramic substrate 1 side is a second layer 3b made of aluminum having a purity of 99.99 wt% or more. The first layer 3a and the second layer 3b are each formed with a thickness of about 0.1 to 1.5 mm.

セラミックス基板１、回路層２、金属層３の相互間、及び金属層３とヒートシンク７との間は、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を介してろう付け接合されている。また、回路層２と半導体チップ５との間は、はんだ材によってはんだ接合されている。図中符号６は、このはんだ材の接合層を示している。   The ceramic substrate 1, the circuit layer 2, and the metal layer 3, and the metal layer 3 and the heat sink 7 are brazed and joined via an Al—Si brazing material. Further, the circuit layer 2 and the semiconductor chip 5 are soldered together by a solder material. Reference numeral 6 in the figure indicates a bonding layer of this solder material.

ヒートシンク７は、Ａｌ合金の押し出し成形によって形成された扁平な筒体８内に、この筒体８の押し出し方向に沿って形成される複数のフィン９が幅方向に並べられて配置されている。そして、各フィン９間に複数の微細流路１１が形成されている。   In the heat sink 7, a plurality of fins 9 formed along the extrusion direction of the cylinder 8 are arranged in the width direction in a flat cylinder 8 formed by extrusion molding of an Al alloy. A plurality of fine channels 11 are formed between the fins 9.

次に、このような積層構造とされるパワーモジュール用基板４並びにパワーモジュール１０を製造する方法について説明する。パワーモジュール用基板４を製造するには、まず、セラミックス基板１の両面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を配置し、その表面に回路層２、裏面に金属層３を夫々配置する。そして、これらセラミックス基板１、ろう材箔、回路層２、金属層３からなる積層体を、真空雰囲気中において積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材箔を溶融させることによって、このセラミックス基板１の表面に回路層２、裏面に金属層３がろう付け接合されたパワーモジュール用基板４が製造されるようになっている。  Next, a method for manufacturing the power module substrate 4 and the power module 10 having such a laminated structure will be described. In order to manufacture the power module substrate 4, first, an Al—Si brazing material foil is disposed on both surfaces of the ceramic substrate 1, and the circuit layer 2 is disposed on the front surface and the metal layer 3 is disposed on the back surface. Then, the ceramic substrate 1, the brazing material foil, the circuit layer 2, and the metal layer 3 are heated in a state of being pressurized in the laminating direction in a vacuum atmosphere, and the brazing material foil is melted to thereby melt the ceramic. A power module substrate 4 in which a circuit layer 2 is brazed and a metal layer 3 is brazed and bonded to the front surface of the substrate 1 is manufactured.

また、パワーモジュール１０を製造するには、前述のようにしてパワーモジュール用基板４を製造した後、このパワーモジュール用基板４に、表面の脱脂、エッチング、ディマット処理し、ダブルジンケート処理を施し、めっき浴により１〜７μｍ程度のＮｉ−Ｐめっき膜を形成する。次に、このパワーモジュール用基板４の回路層２表面に、半導体チップ５をはんだ材６によりはんだ接合し、金属層３の裏面にヒートシンク７をはんだ接合又はろう付け接合して、パワーモジュール１０が製造される。  In order to manufacture the power module 10, after manufacturing the power module substrate 4 as described above, the power module substrate 4 is subjected to surface degreasing, etching, dematting treatment, double zincate processing, A Ni—P plating film of about 1 to 7 μm is formed by a plating bath. Next, the semiconductor chip 5 is soldered to the surface of the circuit layer 2 of the power module substrate 4 with a solder material 6, and the heat sink 7 is soldered or brazed to the back surface of the metal layer 3. Manufactured.

前述のように構成されたパワーモジュール１０は、パワーモジュール用基板４の金属層３を同一金属（アルミニウム）からなる積層構造とすることにより、このパワーモジュール用基板４とヒートシンク７との接合界面における腐食・剥離の発生を有効に防止することができるものである。また、本発明の実施形態によれば、金属層３の、セラミックス基板１側と反対側の面がアルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満で形成される高硬度・高強度の第１層３ａとされ、この第１層３ａが、その裏面に接合される高熱膨張係数のヒートシンク７の熱膨張・熱収縮を効果的に拘束し、熱サイクル時における接合信頼性を向上することができる。  In the power module 10 configured as described above, the metal layer 3 of the power module substrate 4 has a laminated structure made of the same metal (aluminum), so that the power module substrate 4 and the heat sink 7 can be bonded at the interface. It can effectively prevent the occurrence of corrosion and peeling. In addition, according to the embodiment of the present invention, the metal layer 3 has a first surface with a high hardness and a high strength in which the surface opposite to the ceramic substrate 1 side is formed with an aluminum purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt%. This first layer 3a effectively constrains the thermal expansion / shrinkage of the heat sink 7 having a high thermal expansion coefficient bonded to the back surface thereof, and can improve the bonding reliability during the thermal cycle. .

また、第１層３ａのセラミックス基板１側がアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上で形成される低硬度・低耐力の第２層３ｂとされているので、熱サイクル時において、この第２層３ｂが、高熱膨張係数のヒートシンク７と低熱膨張係数のセラミックス基板１との熱膨張係数の差に起因して発生する応力を緩和する緩衝材の役割を果たし、これらの接合信頼性をより向上させることができる。  Moreover, since the ceramic substrate 1 side of the first layer 3a is the second layer 3b having a low hardness and a low yield strength formed with an aluminum purity of 99.99 wt% or more, the second layer 3b during the thermal cycle is It plays the role of a buffer material that relieves the stress generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the heat sink 7 having a high thermal expansion coefficient and the ceramic substrate 1 having a low thermal expansion coefficient, and it is possible to further improve the bonding reliability of these. .

次に、本発明の第二実施形態について、図２を用いて説明する。尚、前述の第一実施形態と同様の部位には、同一の符号を付しその説明を省略する。
図２において、パワーモジュール１０（１０ｂ）は、その金属層３が３層のアルミニウムのクラッド材からなり、そのセラミックス基板１側と反対側の面が純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウムの第１層３ａとされ、第１層３ａに隣接するセラミックス基板１側の層が純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムの第２層３ｂとされている。また、この第２層３ｂのセラミックス基板１側が、純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満のアルミニウムの第３層３ｃとされている。これら第１層３ａ、第２層３ｂ、第３層３ｃは、夫々約０．１〜１．５ｍｍの厚みで形成されている。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part similar to above-mentioned 1st embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
In FIG. 2, the power module 10 (10b) has a metal layer 3 made of a three-layer aluminum clad material, and the surface opposite to the ceramic substrate 1 side has a purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt%. The first layer 3a is made of aluminum, and the layer on the ceramic substrate 1 side adjacent to the first layer 3a is made the second layer 3b of aluminum having a purity of 99.99 wt% or more. The ceramic substrate 1 side of the second layer 3b is an aluminum third layer 3c having a purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt%. The first layer 3a, the second layer 3b, and the third layer 3c are each formed with a thickness of about 0.1 to 1.5 mm.

また、セラミックス基板１、回路層２、金属層３の相互間、及び金属層３とヒートシンク７との間は、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を介してろう付け接合されている。  The ceramic substrate 1, the circuit layer 2, and the metal layer 3, and the metal layer 3 and the heat sink 7 are brazed and joined via an Al—Si brazing material.

本発明の第二実施形態によれば、金属層３を形成する３層からなるクラッド材の表面・裏面が夫々アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満で形成される高硬度・高強度の第１層３ａ、第３層３ｃとされているので、これらの層に接合されるヒートシンク７及びセラミックス基板１の熱膨張・熱収縮を有効に拘束することができる。またこれら２つの層３ａ，３ｃの間の層がアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上で形成される低硬度・低耐力の第２層３ｂとされるので、この層が熱サイクル時においてこの積層体に発生する応力を緩和し、熱サイクル時における接合信頼性をより向上させることができる。また、種々の用途に応じて、多様に対応可能なパワーモジュール用基板４を提供することができる。  According to the second embodiment of the present invention, the front and back surfaces of the three-layer clad material forming the metal layer 3 are formed with aluminum purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt%, respectively, with high hardness and high strength. Therefore, the thermal expansion and contraction of the heat sink 7 and the ceramic substrate 1 bonded to these layers can be effectively restrained. Further, since the layer between these two layers 3a and 3c is the second layer 3b having a low hardness and a low yield strength formed with an aluminum purity of 99.99 wt% or more, this layer is formed on the laminate during thermal cycling. The generated stress can be relieved and the bonding reliability during thermal cycling can be further improved. Further, it is possible to provide the power module substrate 4 that can be used in various ways according to various applications.

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態では回路層２を純度９９．９９ｗｔ％以上のアルミニウムの単層により形成されるとしたがこれに限らず、回路層２を金属層３の積層構造と同様にアルミニウムの２又は３層からなるクラッド材を用いて形成し、セラミックス基板１を対称面として、金属層３の積層構造と面対称に配置して構成してもよい。  In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, in the present embodiment, the circuit layer 2 is formed of a single aluminum layer having a purity of 99.99 wt% or more. However, the circuit layer 2 is not limited to this. The clad material may be formed using a three-layer clad material, and the ceramic substrate 1 may be arranged symmetrically with the laminated structure of the metal layer 3 with the ceramic substrate 1 as a symmetrical plane.

また本実施形態では、セラミックス基板１、回路層２、金属層３の相互間、及び金属層３とヒートシンク７との間は、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合されるとしたが、Ａｌ合金系のろう材であればこれに限ることなく、例えば、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系のものを用いてもよい。   In the present embodiment, the ceramic substrate 1, the circuit layer 2, and the metal layer 3, and the metal layer 3 and the heat sink 7 are joined by an Al—Si brazing material. For example, an Al—Cu, Al—Mn, Al—Mg, or Al—Ge material may be used as long as it is a brazing material.

また本実施形態では、パワーモジュール用基板４の裏面に複数の微細流路１１を備えるヒートシンク７が接合されるとしたが、放熱効果を持つものであればこれに限らず、例えば、ヒートシンク７の代わりに複数の放熱フィンを備えた放熱板を用いてもよい。  In the present embodiment, the heat sink 7 including the plurality of fine flow paths 11 is bonded to the back surface of the power module substrate 4. However, the heat sink 7 is not limited to this as long as it has a heat dissipation effect. Instead, a heat radiating plate having a plurality of heat radiating fins may be used.

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。ただし本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[実施例１]
まず、パワーモジュール用基板４として、Ａｌ（回路層２）／ＡｌＮ（セラミックス基板１）／Ａｌ（金属層３）をこの順に積層するとともに、各層の間にＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を配置し、真空中で積層方向に荷重をかけて加熱しろう付け接合した。ここで、回路層２には、アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上の単層のものを用いた。また金属層３には、アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満（２Ｎ−Ａｌ）の第１層３ａと、アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上（４Ｎ−Ａｌ）の第２層３ｂとからなる２層のクラッド材を用いた。そして、金属層３のセラミックス基板１側と反対側の面が第１層３ａとされ、そのセラミックス基板１側の面が第２層３ｂとされるよう配置して前記接合を行った。第１層３ａ及び第２層３ｂの厚みは、夫々０．３ｍｍとした。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[Example 1]
First, as the power module substrate 4, Al (circuit layer 2) / AlN (ceramics substrate 1) / Al (metal layer 3) are laminated in this order, and an Al—Si based brazing foil is disposed between the layers. Then, brazing was performed by applying a load in the stacking direction in a vacuum. Here, a single layer having an aluminum purity of 99.99 wt% or more was used for the circuit layer 2. The metal layer 3 includes a first layer 3a having an aluminum purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt% (2N—Al) and a second layer 3b having an aluminum purity of 99.99 wt% or more (4N—Al). A two-layer clad material was used. Then, the bonding was performed by arranging the metal layer 3 so that the surface opposite to the ceramic substrate 1 side is the first layer 3a, and the surface on the ceramic substrate 1 side is the second layer 3b. The thickness of the 1st layer 3a and the 2nd layer 3b was 0.3 mm, respectively.

次に、このパワーモジュール用基板４に、表面の脱脂、エッチング、ディマット処理後、ダブルジンケート処理を施し、無電解Ｎｉ−Ｐめっき浴（市販）中で１０分間浸漬し、約５μｍのＮｉ−Ｐめっき膜を形成した。そして、このパワーモジュール用基板４の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５を、裏面にヒートシンク７を、夫々はんだ付けにより接合した。   Next, this power module substrate 4 is subjected to surface degreasing, etching, dimming treatment, double zincate treatment, dipped in an electroless Ni-P plating bath (commercially available) for 10 minutes, and about 5 μm of Ni—P A plating film was formed. Then, a semiconductor (Si) chip 5 was joined to the surface of the power module substrate 4 and a heat sink 7 was joined to the back surface by soldering.

次に、このようにして得られたパワーモジュール用基板４を用いて、熱サイクル試験（―４０℃⇔１２５℃）を繰り返し行い、これを３０００サイクル行った時点で、熱抵抗の上昇を測定し、また超音波探傷によりクラックの進展を検査して、その接合信頼性を評価した。その結果を、表１として示す。   Next, using the power module substrate 4 thus obtained, a thermal cycle test (−40 ° C. to 125 ° C.) was repeated, and when this was performed for 3000 cycles, an increase in thermal resistance was measured. In addition, the progress of cracks was examined by ultrasonic flaw detection, and the bonding reliability was evaluated. The results are shown in Table 1.

[実施例２]
金属層３として、第１層３ａの厚みが０．４ｍｍ、第２層３ｂの厚みが０．２ｍｍからなるクラッド材を用い、実施例１と同様にＡｌ（回路層２）／ＡｌＮ（セラミックス基板１）／Ａｌ（金属層３）の順に積層させ、各層の間にＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を配置し、真空中で積層方向に荷重をかけ加熱しろう付け接合してパワーモジュール用基板４を得た。次に、このパワーモジュール用基板４とヒートシンク７とをＡｌ合金系のろう材箔を用いて接合させた後、表面の脱脂、エッチング、ディマット処理を行い、ダブルジンケート処理を施した。そして、無電解Ｎｉ−Ｐめっき浴（市販）中で１０分間浸漬し、約５μｍのＮｉ−Ｐめっき膜を形成した。その後、このパワーモジュール用基板４の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５をはんだ付けした。このはんだ付けには、Ｐｂ−１０ｗｔ％Ｓｎはんだ材を用い、Ｈ２＋Ｎ２＝７：９３の混合雰囲気中で、３６０℃加熱により行った。それ以外は実施例１と同様にして、その評価を行った。 [Example 2]
As the metal layer 3, a clad material having a thickness of the first layer 3a of 0.4 mm and a thickness of the second layer 3b of 0.2 mm is used, and Al (circuit layer 2) / AlN (ceramics substrate) as in the first embodiment. 1) / Al (metal layer 3) are laminated in this order, and an Al—Si brazing material foil is disposed between the layers, and a load is applied in the laminating direction in a vacuum to heat and braze and join the power module substrate 4 Got. Next, the power module substrate 4 and the heat sink 7 were joined using an Al alloy-based brazing foil, and then the surface was degreased, etched, and dematted, and subjected to double zincate treatment. And it immersed for 10 minutes in the electroless Ni-P plating bath (commercially available), and formed the Ni-P plating film of about 5 micrometers. Thereafter, a semiconductor (Si) chip 5 was soldered to the surface of the power module substrate 4. This soldering was performed by heating at 360 ° C. in a mixed atmosphere of H 2 + N 2 = 7: 93 using a Pb-10 wt% Sn solder material. Other than that was evaluated in the same manner as in Example 1.

[実施例３]
金属層３として、アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満（２Ｎ−Ａｌ）の第１層３ａ及び第３層３ｃと、これら第１層３ａ及び第３層３ｃの間に配置されるアルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上（４Ｎ−Ａｌ）の第２層３ｂとからなる３層のクラッド材を用いた。また、第１層３ａ、第２層３ｂ、第３層３ｃの各厚みを、夫々０．２ｍｍとした以外は、実施例２と同様にして、その評価を行った。 [Example 3]
The metal layer 3 is disposed between the first layer 3a and the third layer 3c having an aluminum purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt% (2N—Al), and between the first layer 3 a and the third layer 3 c. A three-layer clad material composed of the second layer 3b having an aluminum purity of 99.99 wt% or more (4N—Al) was used. The evaluation was performed in the same manner as in Example 2 except that the thicknesses of the first layer 3a, the second layer 3b, and the third layer 3c were each 0.2 mm.

[比較例１]
金属層として、Ａｌ及びＣｕの異なる金属材料からなる２層のクラッド材を用いた。そして回路層２、セラミックス基板１、前記金属層を積層させる際、この金属層のセラミックス基板１側と反対側の面にＣｕ層を配置し、そのセラミックス基板１側の面にＡｌ層を配置して、これらを接合した。そして、得られたパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５を、裏面にヒートシンク７を、夫々はんだ付けにより接合した以外は、実施例１と同様にして、その評価を行った。 [Comparative Example 1]
As the metal layer, a two-layer clad material made of different metal materials of Al and Cu was used. When laminating the circuit layer 2, the ceramic substrate 1, and the metal layer, a Cu layer is disposed on the surface of the metal layer opposite to the ceramic substrate 1 side, and an Al layer is disposed on the surface of the ceramic substrate 1 side. These were joined. The evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the semiconductor (Si) chip 5 was bonded to the surface of the obtained power module substrate and the heat sink 7 was bonded to the back surface by soldering.

[比較例２]
パワーモジュール用基板とヒートシンク７との接合にＡｌ合金系のろう材箔を用いてろう付け接合させた後、このパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５をはんだ付けした以外は、比較例１と同様にして、その評価を行った。 [Comparative Example 2]
Comparison was made except that the power module substrate and the heat sink 7 were joined by brazing using an Al alloy-based brazing foil, and then the semiconductor (Si) chip 5 was soldered to the surface of the power module substrate. The evaluation was performed in the same manner as in Example 1.

[比較例３]
金属層として、Ａｌ／Ｎｉ／Ｃｕの順に積層され、異なる金属材料からなる３層のクラッド材を用いた。そして回路層２、セラミックス基板１、前記金属層を積層させる際、この金属層のセラミックス基板１側と反対側の面にＣｕ層を配置し、そのセラミックス基板１側の面にＡｌ層を配置して、これらを接合した。そして、得られたパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５を、裏面にヒートシンク７を、夫々はんだ付けにより接合した。それ以外は、比較例１と同様にして評価を行った。 [Comparative Example 3]
As the metal layer, a three-layer clad material that was laminated in the order of Al / Ni / Cu and made of different metal materials was used. When laminating the circuit layer 2, the ceramic substrate 1, and the metal layer, a Cu layer is disposed on the surface of the metal layer opposite to the ceramic substrate 1 side, and an Al layer is disposed on the surface of the ceramic substrate 1 side. These were joined. Then, the semiconductor (Si) chip 5 was joined to the surface of the obtained power module substrate, and the heat sink 7 was joined to the back surface by soldering. Other than that, it evaluated similarly to the comparative example 1.

[比較例４]
パワーモジュール用基板とヒートシンク７との接合にＡｌ合金系のろう材箔を用いてろう付け接合させた後、このパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５をはんだ付けした以外は、比較例３と同様にして、その評価を行った。 [Comparative Example 4]
Comparison was made except that the power module substrate and the heat sink 7 were joined by brazing using an Al alloy-based brazing foil, and then the semiconductor (Si) chip 5 was soldered to the surface of the power module substrate. The evaluation was performed in the same manner as in Example 3.

[比較例５]
金属層として、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕの順に積層され、異なる金属材料からなる３層のクラッド材を用いた以外は、比較例３と同様にして、その評価を行った。 [Comparative Example 5]
The evaluation was performed in the same manner as in Comparative Example 3 except that a three-layer clad material made of different metal materials was used in the order of Al / Ti / Cu as the metal layer.

[比較例６]
パワーモジュール用基板とヒートシンク７との接合にＡｌ合金系のろう材箔を用いてろう付け接合させた後、このパワーモジュール用基板の表面に半導体（Ｓｉ）チップ５をはんだ付けした以外は、比較例５と同様にして、その評価を行った。 [Comparative Example 6]
Comparison was made except that the power module substrate and the heat sink 7 were joined by brazing using an Al alloy-based brazing foil, and then the semiconductor (Si) chip 5 was soldered to the surface of the power module substrate. The evaluation was performed in the same manner as in Example 5.

Figure 0004998404
Figure 0004998404

表１に示す通り、実施例１乃至実施例３においては、パワーモジュール用基板４とヒートシンク７との接合がはんだ付け・ろう付けのどちらの手段によるに関わらず、接合界面の剥離やクラックの進展が認められず、その熱サイクル時における接合信頼性が高いことがわかった。  As shown in Table 1, in Examples 1 to 3, the power interface board 4 and the heat sink 7 are bonded to each other regardless of whether soldering or brazing is used. It was found that the bonding reliability during the thermal cycle was high.

一方、比較例１、比較例２、比較例４においては、金属層の異種金属材料間における接合界面の剥離が起きた。また、比較例３、比較例５、比較例６においては、セラミックス基板１にクラックが進展し、割れが発生した。   On the other hand, in Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 4, peeling of the bonding interface between different metal materials of the metal layer occurred. Moreover, in Comparative Example 3, Comparative Example 5, and Comparative Example 6, cracks developed in the ceramic substrate 1 and cracks occurred.

本発明の第一実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the power module of 1st embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態のパワーモジュールを示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the power module of 2nd embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ セラミックス基板
２ 回路層
３ 金属層
３ａ 第１層
３ｂ 第２層
３ｃ 第３層
４ パワーモジュール用基板
５ 半導体チップ
７ ヒートシンク
１０ パワーモジュール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic substrate 2 Circuit layer 3 Metal layer 3a 1st layer 3b 2nd layer 3c 3rd layer 4 Power module substrate 5 Semiconductor chip 7 Heat sink 10 Power module

Claims (4)

セラミックス基板の表面に回路層が配置され、裏面に金属層が配置される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、アルミニウム純度９９．５ｗｔ％以上９９．９ｗｔ％未満の第１層と、アルミニウム純度９９．９９ｗｔ％以上の第２層とを含む２以上の層を積層してなるクラッド材により形成されており、
前記クラッド材の前記第１層を、前記セラミックス基板側と反対側の面として、
これらセラミックス基板と金属層とを、互いにろう付けにより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 in which a circuit layer is disposed on the surface of a ceramic substrate and a metal layer is disposed on the back surface,
The metal layer is formed of a clad material formed by laminating two or more layers including a first layer having an aluminum purity of 99.5 wt% or more and less than 99.9 wt% and a second layer having an aluminum purity of 99.99 wt% or more. Has been
The first layer of the clad material as a surface opposite to the ceramic substrate side,
A method of manufacturing a power module substrate, characterized in that the ceramic substrate and the metal layer are joined to each other by brazing. 請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールであって、
前記回路層の表面に半導体チップが接合され、
前記第１層の裏面にヒートシンクが接合されていることを特徴とするパワーモジュール。 A power module using a power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to claim 1,
A semiconductor chip is bonded to the surface of the circuit layer,
A power module, wherein a heat sink is bonded to the back surface of the first layer. 請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層として、前記第１層と第２層とを含む計３層からなるクラッド材を用い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 according to claim 1,
A method for manufacturing a power module substrate, wherein a clad material comprising a total of three layers including the first layer and the second layer is used as the metal layer. 請求項１又は請求項３記載のパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるパワーモジュール用基板であって、
前記セラミックス基板は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４の内、いずれかの材料で形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 A power module substrate manufactured by the method for manufacturing a power module substrate according to claim 1 or 3,
The ceramic substrate is made of any material selected from AlN, Al 2 O 3 , and Si 3 N 4 .
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