JP5741913B2 - Manufacturing method of ceramic substrate for power module comprising blackened aluminum nitride substrate - Google Patents
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Description
本発明は、パワーモジュール用基板におけるセラミックス基板と回路層となる金属板とを、短時間かつ均熱条件下でろう接可能とするとともに、余剰ろう材の流れ出し、乗り上げ等の発生を防止した黒色化窒化アルミニウム焼結体からなるパワーモジュール用セラミックス基板の製造方法に関する。
The present invention enables the brazing of the ceramic substrate in the power module substrate and the metal plate serving as the circuit layer in a short time and under a soaking condition, and prevents the occurrence of surplus brazing material from flowing out and climbing up. the method of manufacturing a ceramic board for a power module consisting of an aluminum nitride sintered body.
従来、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発熱量が比較的高く、これを搭載する基板としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化珪素(Si3N4)、炭化珪素(SiC)等からなるセラミックス基板上に、例えば、Cu、Al等の金属板をAl−Si系のろう材等を介して接合させたパワーモジュール用基板が用いられている。この金属板は、後工程のエッチングにおいて回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して半導体チップ等のパワー素子(電子部品)が搭載されパワーモジュールが構成される。 Conventionally, a power module for supplying power among semiconductor elements has a relatively high calorific value, and examples of substrates on which the module is mounted include aluminum nitride (AlN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon nitride (Si). 3 N 4 ), a power module substrate in which, for example, a metal plate such as Cu or Al is bonded to a ceramic substrate made of silicon carbide (SiC) via an Al—Si brazing material or the like. Yes. This metal plate forms a circuit layer by forming a circuit in a later etching process. After etching, a power module is configured by mounting a power element (electronic component) such as a semiconductor chip on the surface of the circuit layer via a solder material.
また、セラミックス基板の下面に、放熱のための熱伝導層としてAl等の金属板を接合し、この金属板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全体を取り付けたものも知られている。 Also known is that a metal plate such as Al is bonded to the lower surface of the ceramic substrate as a heat conducting layer for heat dissipation, and the entire power module substrate is mounted on a heat sink such as a heat sink via this metal plate. ing.
しかし、上記従来のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板と金属板とのろう接に際に、ろう材余剰分の流れ出し、乗り上げ等の問題が生じやすく、これを解決すべく種々の提案がされている。 However, in the conventional power module substrate described above, problems such as excess brazing material flowing out and climbing easily occur when the ceramic substrate and the metal plate are brazed, and various proposals have been made to solve this problem. ing.
例えば、特許文献1では、窒化アルミニウム(AlN)からなるセラミックス基板と、アルミニウムからなる金属板とを接合したパワーモジュール用基板において、エッチングにより回路を形成したアルミニウムからなる金属板の厚さを、半導体搭載部では薄くすることにより、ろう材の流れ出し、搭載チップの位置ずれ等を防止することが提案されている。 For example, in Patent Document 1, in a power module substrate in which a ceramic substrate made of aluminum nitride (AlN) and a metal plate made of aluminum are joined, the thickness of the metal plate made of aluminum in which a circuit is formed by etching is set as a semiconductor. It has been proposed that the mounting portion is made thin to prevent the brazing material from flowing out and the mounting chip from being displaced.
また、例えば、特許文献2では、窒化アルミニウム(AlN)等からなるセラミックス基板の表面に、純Al、Al合金からなる導体パターンを、Al−Si系のろう材により接合し、この導体パターンの表面に半導体チップを設けたパワーモジュール用基板において、セラミックス基板の表面には、溶融したろう材の余剰分を収納する収納部を形成すること、また、半導体チップが設けられる導体パターンの表面において、少なくともその外周縁から内側に1mm以上離れた部分は、ろう材のSi含有量を3wt%以下とすることによって、ろう材の乗り上げを防止することが提案されている。
Also, for example, in
しかしながら、パワーモジュール用基板の生産効率および接合信頼性の観点からは、余剰ろう材の流れ出し、乗り上げ等の問題を生じることなく、より短時間でかつ均質に、セラミックス基板と回路層となる金属板との接合を行うことが望まれる。 However, from the viewpoint of production efficiency and bonding reliability of the power module substrate, a metal plate that becomes a ceramic substrate and a circuit layer in a shorter time and in a homogeneous manner without causing problems such as excess brazing material flowing out and getting on. It is desirable to perform bonding with.
そこで、本発明は、セラミックス基板と回路層となる金属板との接合に際し、ろう材の流れ出し、乗り上げ等の問題を生じることなく、より短時間で、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下で接合を行い得る、パワーモジュール用セラミックス基板の製造方法を提供することを目的とする。
Accordingly, the present invention provides a soaking condition in a shorter time and with less variation in the joining temperature without causing problems such as brazing material flowing out and climbing when joining the ceramic substrate and the metal plate as the circuit layer. It may perform bonding under, and an object thereof is to provide a method of manufacturing a ceramic board for a power module.
前記課題を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。 In order to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive research and obtained the following knowledge.
すなわち、従来からパワーモジュール用基板のセラミックス基板として用いられている各種セラミックス(例えば、窒化アルミニウム(以下、AlNで示す)、酸化アルミニウム(以下、Al2O3で示す)、窒化珪素(以下、Si3N4で示す))について、熱伝導性、曲げ強度、製造コストおよび接合性等の観点から特性比較を行うと、それぞれ一長一短があるものの、卓抜した熱伝導性の点からAlNがセラミックス基板として有望視されている。 That is, various ceramics conventionally used as a ceramic substrate for power module substrates (for example, aluminum nitride (hereinafter referred to as AlN), aluminum oxide (hereinafter referred to as Al 2 O 3 ), silicon nitride (hereinafter referred to as Si) 3 N 4 )))), and comparing characteristics from the viewpoints of thermal conductivity, bending strength, manufacturing cost, bondability, etc., each has advantages and disadvantages, but AlN is a ceramic substrate from the standpoint of outstanding thermal conductivity. Promising.
ところで、AlNは、通常褐色あるいは肌色の色調を呈しているが、セラミックス基板を構成するAlN焼結体の製造にあたり、AlNをより一層黒色化し、黒色化AlN基板をセラミックス基板として用いた場合には、回路層となる金属板とのろう接に際し、接合時の輻射による熱吸収効率を高めることができるため、ろう接による接合時間を短縮化することができ、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下(例えば、設定温度±1℃以内)で接合を行うことができることから、接合に際し、余分なろう材を必要とせず、かつ、ろう材余剰分の流れ出し、乗り上げ等の問題発生を大幅に低減し得ることを見出したのである。 By the way, AlN usually exhibits a brown or flesh tone, but when manufacturing an AlN sintered body constituting a ceramic substrate, when AlN is further blackened and the blackened AlN substrate is used as the ceramic substrate. In addition, the heat absorption efficiency due to radiation at the time of joining can be increased when soldering to a metal plate as a circuit layer, so that the joining time by brazing can be shortened, and there is little variation in joining temperature. Since joining can be performed under thermal conditions (for example, within the set temperature ± 1 ° C), no extra brazing material is required for joining, and problems such as excess brazing material flowing out and getting on are greatly generated. It has been found that it can be reduced.
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「(1)窒化アルミニウム焼結体に対して、高エネルギー線を照射することによって、JIS Z 8721に規定される明度がN4以下となるように黒色化することを特徴とする黒色化窒化アルミニウム焼結体からなるパワーモジュール用セラミックス基板の製造方法。」
を特徴とするものである。
The present invention has been made based on the above findings,
“ (1) A blackened aluminum nitride sintered product characterized in that, by irradiating the aluminum nitride sintered body with high energy rays, the aluminum nitride is blackened so that the brightness specified in JIS Z 8721 is N4 or less. A method for producing a ceramic substrate for a power module comprising a bonded body. "
It is characterized by.
本発明について、以下に詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below.
図1に、本発明のセラミックス基板を用いたパワーモジュール用基板の概略斜視図を示す。 FIG. 1 shows a schematic perspective view of a power module substrate using the ceramic substrate of the present invention.
図1において、パワーモジュール用基板(1)は、本発明のセラミックス基板(2)を有しており、このセラミックス基板(2)のパワーモジュール用基板の表側に回路層となる金属板、即ち、回路層用金属板(3)が積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝導層となる熱伝導層用金属板(4)が積層された構成である。 In FIG. 1, the power module substrate (1) has the ceramic substrate (2) of the present invention, and a metal plate serving as a circuit layer on the front side of the power module substrate of the ceramic substrate (2), that is, A circuit layer metal plate (3) is laminated, and a heat conductive layer metal plate (4) serving as a heat conductive layer for heat dissipation is laminated on the back side.
これら回路層用金属板(3)および熱伝導層用金属板(4)は、例えば、純Alにより形成されている。 These circuit layer metal plate (3) and heat conductive layer metal plate (4) are made of, for example, pure Al.
セラミックス基板(2)は、後述する黒色化AlN焼結体によって構成されている。ここで、セラミックス基板(2)の厚さは、例えば0.5〜1.0mmであることが望ましい。 The ceramic substrate (2) is composed of a blackened AlN sintered body to be described later. Here, the thickness of the ceramic substrate (2) is preferably, for example, 0.5 to 1.0 mm.
そして、セラミックス基板(2)の下面には、例えば、Alのような高熱伝導率を有する金属により形成された熱伝導層用金属板(4)が、ろう材層(図示せず)によってセラミックス基板(2)に接合されている。ここで、熱伝導層用金属板(4)の厚さは、例えば0.1〜5.0mmである。また、ろう材層は、例えばAl−Si系ろう材(例えばAl:93重量%、Si:7重量%、厚さ10μm以上15μm)またはAl−Ge系のろう材により形成されていることが望ましい。 On the lower surface of the ceramic substrate (2), for example, a metal plate (4) for a heat conductive layer formed of a metal having a high thermal conductivity such as Al is formed on the ceramic substrate by a brazing material layer (not shown). It is joined to (2). Here, the thickness of the heat conductive layer metal plate (4) is, for example, 0.1 to 5.0 mm. The brazing material layer is preferably formed of, for example, an Al—Si brazing material (for example, Al: 93 wt%, Si: 7 wt%, thickness of 10 μm or more and 15 μm) or an Al—Ge brazing material. .
また、セラミックス基板(2)の上面には、熱伝導層用金属板(4)と同様に、例えばAlのような高熱伝導率を有する金属により形成された回路層用金属板(3)が、間隔を適宜あけて配置されることで回路を構成する。そして、回路層用金属板(3)は、ろう材層(図示せず)によってセラミックス基板(2)に接合されている。ここで、回路層用金属板(3)の厚さは、例えば0.1〜5.0mmである。また、ろう材層は、例えばAl−Si系またはAl−Ge系のろう材により形成されていることが望ましい。 Further, on the upper surface of the ceramic substrate (2), similarly to the heat conductive layer metal plate (4), a circuit layer metal plate (3) formed of a metal having a high thermal conductivity such as Al, for example, A circuit is configured by arranging them at appropriate intervals. The circuit layer metal plate (3) is joined to the ceramic substrate (2) by a brazing material layer (not shown). Here, the thickness of the circuit layer metal plate (3) is, for example, 0.1 to 5.0 mm. The brazing material layer is preferably formed of, for example, an Al—Si based or Al—Ge based brazing material.
また、回路層用金属板(3)の上面には、電子部品(図示せず)がハンダ層によって固着される。ここで、電子部品としては、例えば半導体チップが適用可能であり、半導体チップとしてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワーデバイスが挙げられる。 An electronic component (not shown) is fixed to the upper surface of the circuit layer metal plate (3) by a solder layer. Here, for example, a semiconductor chip is applicable as the electronic component, and a power device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be used as the semiconductor chip.
パワーモジュール用基板(1)に用いられる本発明のセラミックス基板(2)としては、例えば、以下に示す方法で製造される、JIS Z 8721に規定する明度がN4以下の黒色化AlN焼結体を用いる。 As the ceramic substrate (2) of the present invention used for the power module substrate (1), for example, a blackened AlN sintered body having a brightness defined by JIS Z 8721 and having a brightness of N4 or less manufactured by the following method is used. Use.
そして、本発明のパワーモジュール用セラミックス基板(2)においては、上記黒色化AlN焼結体からなるセラミックス基板(2)を用いることによって、セラミックス基板(2)と回路層用金属板(3)との接合に際し、接合時の輻射による熱吸収効率を高めることができるため、接合時間を短縮化することができ、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下で接合を行うことが可能となる。 And in the ceramic substrate (2) for power modules of this invention, by using the ceramic substrate (2) which consists of the said blackening AlN sintered compact, a ceramic substrate (2) and the metal plate for circuit layers (3) When joining, heat absorption efficiency due to radiation at the time of joining can be increased, so that the joining time can be shortened and joining can be performed under soaking conditions with little variation in joining temperature. .
さらに、その結果として、余分なろう材を必要とせず、ろう材余剰分の流れ出し、乗り上げ等の問題発生を大幅に低減することができる。
黒色化窒化アルミニウム(黒色化AlN)焼結体:
通常、AlN焼結体は、褐色または肌色の色調を呈するが、これを黒色化するための手段としては、AlN粒子からなる原料粉末中に焼結助剤、添加物等を添加し、これを焼成することにより、黒色化AlN焼結体を得ることが既に知られている(例えば、特公平5−64697号公報参照)。
Further, as a result, no extra brazing material is required, and the occurrence of problems such as excess brazing material flowing out and getting on can be greatly reduced.
Blackened aluminum nitride (blackened AlN) sintered body:
Usually, an AlN sintered body has a brown or flesh tone, but as a means for blackening this, a sintering aid, an additive, etc. are added to the raw material powder made of AlN particles, and this is used. It is already known to obtain a blackened AlN sintered body by firing (see, for example, Japanese Patent Publication No. 5-64697).
しかし、焼結助剤、添加物等を使用して黒色化AlN焼結体を得た場合には、AlN焼結体の黒色化による輻射熱吸収効率の向上は図られるものの、その反面、不純物成分の増加により熱伝導性、強度、接合性等が低下するため、パワーモジュール用基板のセラミックス基板としては好ましくない。 However, when a blackened AlN sintered body is obtained using a sintering aid, an additive, etc., although the radiation heat absorption efficiency is improved by blackening the AlN sintered body, on the other hand, the impurity component Since the thermal conductivity, strength, bondability and the like are reduced due to the increase in the thickness, it is not preferable as a ceramic substrate for a power module substrate.
そこで、本発明では、焼結助剤、添加物等を添加することなく、AlN焼結体の製造工程において、高エネルギー線(例えば、紫外線、X線)の照射処理を行うことにより、AlN焼結体の黒色化を図ることとした。 Therefore, in the present invention, an AlN sintering process is performed by performing irradiation treatment of high energy rays (for example, ultraviolet rays and X-rays) in the manufacturing process of the AlN sintered body without adding a sintering aid, additives and the like. It was decided to blacken the knot.
高エネルギー線の照射条件を適切に選択することによって、AlN焼結体の明度を調製し、黒色化AlN焼結体を得ることが可能となる。 By appropriately selecting the irradiation conditions of the high energy rays, it is possible to adjust the brightness of the AlN sintered body and obtain a blackened AlN sintered body.
ここで、明度とは、物体表面の反射率が大きいか、小さいかを判定する視覚の属性を示す尺度であって、この表示方法は、「JIS Z 8721」に規定されている。 Here, the brightness is a scale indicating a visual attribute for determining whether the reflectance of the object surface is large or small, and this display method is defined in “JIS Z 8721”.
上記明度がN4よりも大きい場合には、AlN焼結体の輻射熱吸収効率が高まらず、その結果として、接合時間の短縮化を図ることができず、また、均熱条件下(例えば、設定温度に対する最大バラつき1.2℃以内)でろう接を行うこともできないので、本発明では、AlN焼結体の黒色化の程度を、JIS Z 8721に規定される明度でN4以下とすることが必要である。
黒色化AlN焼結体の製造方法:
まず、還元窒化法によって得られた高純度(純度97%以上)のAlN粉末を原料粉末として用意し、この高純度AlN粉末を、例えば、一軸加圧成形法やコールドアイソスタティックプレス(CIP)法によって成形して成形体を得た後、この成形体を、ホットプレス法やホットアイソスタティックプレス(HIP)法により、焼成圧力:300kgf/cm2以上、焼成温度:1750〜1850℃の還元性雰囲気中で焼成する。
When the brightness is higher than N4, the radiant heat absorption efficiency of the AlN sintered body does not increase, and as a result, the joining time cannot be shortened and the soaking condition (for example, the set temperature) is not achieved. In the present invention, it is necessary to set the degree of blackening of the AlN sintered body to N4 or less with the brightness specified in JIS Z8721. It is.
Method for producing blackened AlN sintered body:
First, a high-purity (purity 97% or more) AlN powder obtained by a reduction nitriding method is prepared as a raw material powder, and this high-purity AlN powder is prepared by, for example, a uniaxial pressure molding method or a cold isostatic press (CIP) method. After the molded body is molded by the hot pressing method or hot isostatic pressing (HIP) method, the molded body is reduced at a firing pressure of 300 kgf / cm 2 or more and a firing temperature of 1750 to 1850 ° C. Bake in.
ついで、焼成後のAlN焼結体に対して、高エネルギー線を所定時間(例えば、365nmの波長の紫外線を0.5〜30分間)照射することによって、JIS Z 8721に規定する明度がN4以下の黒色化AlN焼結体を得ることができる。 Next, the brightness specified in JIS Z 8721 is N4 or less by irradiating the sintered AlN sintered body with high energy rays for a predetermined time (for example, ultraviolet light having a wavelength of 365 nm for 0.5 to 30 minutes). The blackened AlN sintered body can be obtained.
上記の黒色化AlN焼結体を、パワーモジュール用基板におけるセラミックス基板として用いることにより、短時間で、かつ、基板内部での接合温度の最大バラツキが設定温度の1.2℃以内の均熱条件下で、ろう接を行うことができる。 By using the above blackened AlN sintered body as a ceramic substrate in a power module substrate, a soaking condition in which the maximum variation in the bonding temperature within the substrate is within 1.2 ° C. of the set temperature is short. Below, brazing can be performed.
本発明のパワーモジュール用セラミックス基板によれば、セラミックス基板が黒色化AlN基板で構成されているため、セラミックス基板と回路層となる金属板とのろう接を行った際に、接合時の輻射による熱吸収効率を高めることができることから、短時間で、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下でろう接を行うことができるとともに、余分なろう材を必要としないばかりか、ろう材の流れ出し、乗り上げ等の不具合のないすぐれたパワーモジュール用基板を提供し得るのである。 According to the ceramic substrate for a power module of the present invention, the ceramic substrate is composed of a blackened AlN substrate. Therefore, when brazing between the ceramic substrate and the metal plate serving as the circuit layer is performed, radiation due to bonding is performed. Since the heat absorption efficiency can be increased, brazing can be performed in a short time and under a soaking condition with little variation in the joining temperature, and not only does not need an extra brazing material, It is possible to provide an excellent power module substrate that is free from problems such as running out and getting on.
以下に、本発明を実施例により説明する。 Hereinafter, the present invention will be described by way of examples.
まず、黒色化AlN焼結体からなる本発明のセラミックス基板を、以下の(a)〜(d)の工程により作製した。すなわち、
(a)還元窒化法によって得られた高純度(純度97質量%以上)のAlN粉末を原料粉末として用意した。
(b)この高純度AlN粉末を、コールドアイソスタティックプレス(CIP)法によって成形し、成形体を得た。
(c)この成形体を、ホットアイソスタティックプレス(HIP)法により、焼成圧力:300kgf/cm2以上、焼成温度:1750〜1850℃の還元性雰囲気中で焼成した。
(d)焼成後のAlN焼結体に対して、表1に示す条件で、高エネルギー線としての波長365nmの紫外線を照射し、厚さ約0.65mmの黒色化AlN焼結体からなる本発明セラミックス基板1〜10を作製した。
First, a ceramic substrate of the present invention made of a blackened AlN sintered body was produced by the following steps (a) to (d). That is,
(A) A high purity (purity 97 mass% or more) AlN powder obtained by the reductive nitriding method was prepared as a raw material powder.
(B) This high-purity AlN powder was molded by a cold isostatic press (CIP) method to obtain a molded body.
(C) The molded body was fired by a hot isostatic press (HIP) method in a reducing atmosphere at a firing pressure of 300 kgf / cm 2 or more and a firing temperature of 1750 to 1850 ° C.
(D) The fired AlN sintered body is irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm as a high energy ray under the conditions shown in Table 1, and is made of a blackened AlN sintered body having a thickness of about 0.65 mm. Invention ceramic substrates 1-10 were prepared.
比較のために、
(a)還元窒化法によって得られた高純度(純度97質量%以上)のAlN粉末を原料粉末として用意し、
(b)この高純度AlN粉末を、コールドアイソスタティックプレス(CIP)法によって成形し、成形体を得て、
(c)この成形体を、ホットアイソスタティックプレス(HIP)法により、焼成圧力:300kgf/cm2以上、焼成温度:1750〜1850℃の還元性雰囲気中で焼成する
(d)焼成後のAlN焼結体に対して、高エネルギー線照射を行わずに、あるいは、本発明範囲外の明度が得られる(表1に示す条件で)高エネルギー線照射を行うことにより、厚さ約0.65mmのAlN焼結体からなる比較例セラミックス基板11、12を作製した。
For comparison,
(A) A high-purity (purity 97% by mass or more) AlN powder obtained by a reductive nitriding method is prepared as a raw material powder,
(B) The high purity AlN powder is molded by a cold isostatic press (CIP) method to obtain a molded body,
(C) The formed body is fired by a hot isostatic press (HIP) method in a reducing atmosphere having a firing pressure of 300 kgf / cm 2 or more and a firing temperature of 1750 to 1850 ° C. (d) AlN firing after firing A thickness of about 0.65 mm can be obtained by irradiating a high energy beam without irradiating a high energy beam on the ligated body or by irradiating a high energy beam with a lightness outside the scope of the present invention (under the conditions shown in Table 1). Comparative
ついで、本発明セラミックス基板1〜10と比較例セラミックス基板11、12の黒色化の程度を測定し、明度を求めた。
Next, the degree of blackening of the ceramic substrates 1 to 10 of the present invention and the comparative
まず、黒色化の程度については、「Journal of the Ceramic Society of Japan」101[10]p.1189〜1191(Discoloration of Alumina Ceramics with Ultraviolet Radiation and Elucidation of Its Mechanism)にも紹介されているように、500Wのキセノンアークランプ(波長範囲:230〜1000nm)を光源として用い、1〜3分間、上記各セラミックス基板に照射し、300〜700nmのDRS(拡散反射スペクトル)を、“Hitachi U−3200”記録計で測定した。 First, the degree of blackening is described in “Journal of the Ceramic Society of Japan” 101 [10] p. As described in 1189 to 1191 (Discoration of Allumina Ceramics with Ultraviole Radiation and Elucidation of It's Machinery), 500 W of xenon arc lamp (wavelength range: 230 to 1000 nm) is used as the light source for 1 to 3 minutes. Each ceramic substrate was irradiated and a 300-700 nm DRS (diffuse reflection spectrum) was measured with a “Hitachi U-3200” recorder.
次いで、該測定値を、JIS Z 8721の規定にしたがって定量化した。 Then, the measured value was quantified according to JIS Z 8721.
即ち、JIS Z 8721では、理想的な黒の明度を0とし、理想的な白の明度を10とし、理想的な黒と理想的な白との間で、その色の明るさの知覚が等歩度となるように各色を10分割し、N0〜N10の記号で表示しているので、本発明セラミックス基板1〜10と比較例セラミックス基板11、12を構成するAlN焼結体の明度を求めるにあたり、N0〜N10に対応する各標準色票と、AlN焼結体の表面色とを比較し、AlN焼結体の明度を決定した。この際、原則として小数点一位まで明度を決定し、かつ小数点一位の値は0または5とした。
That is, in JIS Z 8721, the ideal black brightness is 0, the ideal white brightness is 10, and the brightness of the color is perceived between the ideal black and the ideal white. Since each color is divided into 10 so as to have a rate and displayed with symbols N0 to N10, the lightness of the AlN sintered body constituting the ceramic substrates 1 to 10 of the present invention and the comparative
測定した明度を、表1に示す。 Table 1 shows the measured brightness.
ここで、熱伝導層用金属板(4)および回路層用金属板(3)の厚さは、約0.4mm、ろう材層の厚さは約13μmである。 Here, the thickness of the metal plate for heat conduction layer (4) and the metal plate for circuit layer (3) is about 0.4 mm, and the thickness of the brazing filler metal layer is about 13 μm.
また、仮固定は、揮発性有機媒体(オクタンジオール)を用いて行った。 Temporary fixation was performed using a volatile organic medium (octanediol).
次いで、熱伝導層用金属板(4)/ろう材層/本発明セラミックス基板(2)1〜10/ろう材層/回路層用金属板(3)、あるいは、熱伝導層用金属板(4)/ろう材層/比較例セラミックス基板(2)11〜13/ろう材層/回路層用金属板(3)という仮固定した積層構造体からなる試験片(13)を、図2に示す均熱性試験装置(11)に挿入した。 Next, the metal plate for the heat conductive layer (4) / the brazing material layer / the ceramic substrate (2) of the present invention (1) -10 / the brazing material layer / the metal plate for the circuit layer (3) or the metal plate for the heat conducting layer (4 ) / Brazing material layer / comparative example ceramic substrate (2) 11 to 13 / brazing material layer / circuit layer metal plate (3). It inserted in the thermal test apparatus (11).
図2の均熱性試験装置(11)は、黒鉛製支柱(12)と、試験片(13)を載置する黒鉛製基台(14)と、試験片(13)の上面を覆う黒鉛製上板(15)を備えた枠体で構成される。 The soaking test apparatus (11) in FIG. 2 is composed of a graphite support (12), a graphite base (14) on which a test piece (13) is placed, and a graphite top covering the upper surface of the test piece (13). It is comprised with the frame provided with the board (15).
次いで、図2に示すように、黒鉛製上板(15)の4箇所に貫通穴(16−1)〜(16−4)を形成し、該貫通穴(16−1)〜(16−4)を通して、試験片(13)の温度測定点に対応する位置に接触させて熱電対(17−1)〜(17−4)を挿入する。なお、本発明では、均熱性評価のための温度測定は、回路層用金属板(3)の4箇所、即ち、回路層用金属板(3)の短辺中央、長辺中央、中央、隅の4箇所とし、熱電対(17−1)〜(17−4)を挿入する貫通穴(16−1)〜(16−4)は、それぞれに対応する位置に形成した。 Next, as shown in FIG. 2, through holes (16-1) to (16-4) are formed at four locations on the graphite upper plate (15), and the through holes (16-1) to (16-4) are formed. ), The thermocouples (17-1) to (17-4) are inserted in contact with the position corresponding to the temperature measurement point of the test piece (13). In the present invention, the temperature measurement for thermal uniformity evaluation is performed at four locations on the circuit layer metal plate (3), that is, the short side center, the long side center, the center, and the corners of the circuit layer metal plate (3). The four through holes (16-1) to (16-4) into which the thermocouples (17-1) to (17-4) are inserted were formed at positions corresponding to the holes.
ついで、上記均熱性試験装置(11)全体を加熱炉(図示せず)に装入し、真空雰囲気で、室温からろう接設定温度まで加熱昇温し、該ろう接設定温度に所定時間保持することにより、本発明パワーモジュール用基板(2)(以下、本発明1〜10という)および比較例パワーモジュール用基板(2)(以下、比較例11、12という)を作製した。 Next, the whole temperature uniformity test apparatus (11) is charged into a heating furnace (not shown), heated in a vacuum atmosphere from room temperature to a brazing setting temperature, and held at the brazing setting temperature for a predetermined time. Thus, a power module substrate (2) of the present invention (hereinafter referred to as the present invention 1 to 10) and a comparative power module substrate (2) (hereinafter referred to as comparative examples 11 and 12) were produced.
表2、表3に、上記で作製した本発明1〜10および比較例11、12の、ろう接設定温度、該設定温度にまで加熱昇温するのに要した加熱時間を示し、また、ろう接設定温度に57分間保持した後で測定した試験片(13)の温度(即ち、回路層用金属板(3)の短辺中央、長辺中央、中央、隅の4箇所の温度)の最大のバラツキ温度を示した。 Tables 2 and 3 show the brazing welding set temperature of the present inventions 1 to 10 and Comparative Examples 11 and 12 prepared above, and the heating time required for heating up to the set temperature. Maximum temperature of the test piece (13) measured after holding at the contact set temperature for 57 minutes (namely, the temperature at the center of the short side, the center of the long side, the center and the corner of the circuit layer (3)). The variation temperature was shown.
さらに、表2、表3に、接合後のろう接部近傍のろう材の流れ出し、ろう材の乗り上げ状況を観察した観察結果を示す。 Further, Tables 2 and 3 show the observation results of observing the brazing material flowing out in the vicinity of the brazed portion after joining and the riding state of the brazing material.
なお、ろう材の流れ出しの有無の評価については、接合界面に必要なろう材が残っているか否かを超音波検査で測定し、超音波検査で接合界面の接合率が97.0%以上である場合を「流れ出し無」とし、接合率が97.0%未満である場合を「流れ出し有」と判定した。 In addition, regarding the evaluation of the presence or absence of the flow of the brazing material, whether or not the necessary brazing material remains at the bonding interface is measured by ultrasonic inspection, and the bonding rate of the bonding interface is 97.0% or more by ultrasonic inspection. In some cases, “no flow out” was determined, and when the joining rate was less than 97.0%, “flow out” was determined.
また、ろう材の乗り上げの有無の評価については、回路層用金属板(3)の表面に、該表面の10面積%以上にろう材の乗り上げがある場合を「乗り上げ有」とし、乗り上げ面積が10面積%未満である場合を「乗り上げ無」と判定した。 In addition, regarding the evaluation of the presence or absence of the brazing material, the case where there is a brazing material on 10% by area or more of the surface of the metal plate for circuit layer (3) is “riding”, and the riding area is The case of less than 10 area% was determined as “no ride”.
しかるに、比較例11、12のセラミックス基板11、12は、いずれも、JIS Z 8721に規定する明度がいずれもN4を超えているために、接合に長時間を有し、接合温度のバラツキも見られ、さらに、ろう材の流れ出し、乗り上げ等の問題も発生した。
However, the
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、本実施形態ではパワーモジュール用基板1について説明したが、これに限られず、このパワーモジュール用基板1の表面に半導体チップ等の電子部品(図示せず)を搭載し、パワーモジュール用基板1の裏面に熱交換器であるヒートシンク(図示せず)を接合することによってパワーモジュールを形成してもよい。 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, although the power module substrate 1 has been described in the present embodiment, the present invention is not limited thereto, and an electronic component (not shown) such as a semiconductor chip is mounted on the surface of the power module substrate 1, and the power module substrate 1 is mounted. A power module may be formed by bonding a heat sink (not shown), which is a heat exchanger, to the back surface of the heat exchanger.
1 ・・・・・・・ パワーモジュール用基板
2 ・・・・・・・ セラミックス基板
3 ・・・・・・・ 回路層用金属板
4 ・・・・・・・ 熱伝導層用金属板
11・・・・・・・ 均熱性試験装置
12・・・・・・・ 黒鉛製支柱
13・・・・・・・ 試験片
14・・・・・・・ 黒鉛製基台
15・・・・・・・ 黒鉛製上板
16−1〜16−4 貫通穴
17−1〜17−4 熱電対
1...
Claims (1)
It consists of a blackened aluminum nitride sintered body characterized in that the aluminum nitride sintered body is blackened so that the lightness specified in JIS Z 8721 is N4 or less by irradiating high energy rays. Manufacturing method of ceramic substrate for power module.
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