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JP2012004357A - Substrate for power module and manufacturing method thereof - Google Patents

Substrate for power module and manufacturing method thereof Download PDF

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JP2012004357A
JP2012004357A JP2010138216A JP2010138216A JP2012004357A JP 2012004357 A JP2012004357 A JP 2012004357A JP 2010138216 A JP2010138216 A JP 2010138216A JP 2010138216 A JP2010138216 A JP 2010138216A JP 2012004357 A JP2012004357 A JP 2012004357A
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Japan
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brazing material
power module
brazing
ceramic substrate
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JP2010138216A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinsuke Aoki
慎介 青木
Toshiyuki Nagase
敏之 長瀬
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for a power module which securely brazes a metal layer and a heat sink at a low cost without causing separation in a junction of a ceramic substrate and the metal layer thereby improving junction reliability.SOLUTION: A manufacturing method of a substrate for a power module includes the following steps; metal layers 12 and 13 are attached to both surfaces of a ceramic substrate 11, respectively, using a wax material, and joined by heating and pressurizing; surplus wax material 15 attached on one side surface of at least one of the metal layers is removed; and the metal layer 13 whose surplus wax material is removed and a heat sink 14 are joined by brazing using a flux 16.

Description

本発明は、パワーモジュール用基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate.

従来のパワーモジュールとして、セラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム金属層が積層され、この回路層の上に半導体チップ等の電子部品がはんだ付けされるとともに、セラミックス基板の他方の面に放熱層となるアルミニウム金属層が形成され、この金属層にヒートシンクが接合された構成のものが知られている。   As a conventional power module, an aluminum metal layer serving as a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate, and an electronic component such as a semiconductor chip is soldered on the circuit layer, and on the other surface of the ceramic substrate. An aluminum metal layer serving as a heat dissipation layer is formed, and a heat sink is joined to the metal layer.

このようなパワーモジュールを製造する方法として、たとえば、特許文献1および特許文献2に記載された方法が知られている。この製造方法では、まずセラミックス基板の一方の面にAl−Si系等のろう材を介して回路層となる金属層を積層し、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して放熱層となる金属層を積層して、これらを積層方向に加圧するとともに加熱し、セラミックス基板と回路層および放熱層とを接合する。次いで、放熱層のセラミックス基板が接合されている面とは反対側の面にろう材を介してヒートシンクの天板部を積層し、この積層方向に加圧するとともに加熱して、放熱層とヒートシンクとを接合することにより、パワーモジュール用基板が製造される。   As a method for manufacturing such a power module, for example, methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are known. In this manufacturing method, first, a metal layer to be a circuit layer is laminated on one surface of a ceramic substrate via a brazing material such as an Al—Si system, and a heat dissipation layer is formed on the other surface of the ceramic substrate via a brazing material. Metal layers are stacked, and these are pressed and heated in the stacking direction to join the ceramic substrate, the circuit layer, and the heat dissipation layer. Next, a heat sink top plate portion is laminated on the surface of the heat dissipation layer opposite to the surface to which the ceramic substrate is bonded via a brazing material, and the heat dissipation layer, the heat sink, By joining these, a power module substrate is manufactured.

従来、このような場合に用いられるろう付法として、フラックスを用いずに真空中で行われる真空ろう付法や、真空雰囲気を必要とせずにフラックスを用いるノコロックろう付法が知られている。ノコロックろう付法は、高価な設備が不要で、比較的容易に安定したろう付が可能であるので、金属層とヒートシンクとの接合に適用することが検討されている。   Conventionally, as a brazing method used in such a case, a vacuum brazing method that is performed in a vacuum without using a flux, or a nocolok brazing method that uses a flux without requiring a vacuum atmosphere is known. The Nocolok brazing method does not require expensive equipment, and can be stably brazed relatively easily. Therefore, application of the Nocolok brazing method to the joining of a metal layer and a heat sink is under consideration.

特開2007−311527号公報JP 2007-311527 A 特開2002−009212号公報JP 2002-009212 A

パワーモジュール用基板の製造過程において、セラミックス基板と放熱層とのろう付時に、接合に寄与しない余剰分のろう材が接合部から押し出され、放熱層の側面に付着する場合がある。このような状態で放熱層とヒートシンクとをノコロックろう付すると、フラックスの余剰分が放熱層の側面部を伝って、放熱層の側面部に付着したろう材と接触し、セラミックス基板と放熱層との接合部界面に引き込まれ、フラックスがセラミックス基板と放熱層との接合部に侵食することにより接合部にクラックが生じ、セラミックス基板と放熱層との剥離が生じやすくなるおそれがある。   In the manufacturing process of the power module substrate, when the ceramic substrate and the heat dissipation layer are brazed, an excessive amount of brazing material that does not contribute to bonding may be pushed out from the bonded portion and may adhere to the side surface of the heat dissipation layer. In such a state, when the heat dissipation layer and the heat sink are braced with Nocolok, the surplus of flux travels along the side surface of the heat dissipation layer and comes into contact with the brazing material adhering to the side surface of the heat dissipation layer. When the flux is attracted to the interface between the ceramic substrate and the flux erodes the joint between the ceramic substrate and the heat dissipation layer, a crack is generated in the joint, and the ceramic substrate and the heat dissipation layer may be easily separated.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとをフラックスを用いてろう付し、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and brazing the metal layer and the heat sink using a flux without causing separation at the joint between the ceramic substrate and the metal layer, thereby improving the bonding reliability. An object of the present invention is to provide a high power module substrate.

本発明は、セラミックス基板の両面にろう材を介して金属層を重ね合わせ、加圧するとともに加熱して接合し、少なくともいずれか一方の前記金属層の側面に付着した余剰ろう材を除去した後、フラックスを用いたろう付法により、前記余剰ろう材を除去された前記金属層とヒートシンクとを接合するパワーモジュール用基板の製造方法である。   The present invention is a method in which a metal layer is superimposed on both surfaces of a ceramic substrate via a brazing material, pressed and heated and bonded, and after removing excess brazing material adhering to the side surface of at least one of the metal layers, This is a method for manufacturing a power module substrate in which the metal layer from which the excess brazing material has been removed and a heat sink are joined by a brazing method using a flux.

AlNからなるセラミックス基板とアルミニウムまたはAl合金からなる金属層とを接合するろう材には、Siが含まれている。このため、接合に寄与せずセラミックス基板および金属層の側面に付着した余剰ろう材はSiリッチ相であるAlSiの共晶となっている。一方、フラックスはKAlF4などを含み、酸化物相と反応して金属層やろう材の表面酸化物を除去するが、Siリッチ相と反応しやすいため、再溶融した余剰ろう材を侵食して金属層とセラミックス基板との接合界面を剥離させてしまう。 The brazing material that joins the ceramic substrate made of AlN and the metal layer made of aluminum or an Al alloy contains Si. For this reason, the surplus brazing material that does not contribute to the bonding and adheres to the side surfaces of the ceramic substrate and the metal layer is an eutectic of AlSi that is a Si-rich phase. On the other hand, the flux contains KAlF 4 and the like, and reacts with the oxide phase to remove the metal layer and the surface oxide of the brazing material. However, since it easily reacts with the Si-rich phase, The bonding interface between the metal layer and the ceramic substrate is peeled off.

これに対して、本発明の製造方法によれば、フラックスと反応しやすいSiリッチ相すなわち余剰ろう材を除去してからフラックスろう付を行うので、フラックスが接合界面に引き込まれて剥離を生じさせるのを防止することができる。   On the other hand, according to the manufacturing method of the present invention, flux brazing is performed after removing the Si-rich phase that easily reacts with the flux, that is, the excess brazing material, so that the flux is drawn into the joint interface and causes peeling. Can be prevented.

この製造方法において、エッチングにより前記余剰ろう材を除去してもよい。回路層をエッチングして回路パターンを形成する場合には、回路パターン用のエッチング装置を流用することができる。   In this manufacturing method, the excess brazing material may be removed by etching. When a circuit pattern is formed by etching a circuit layer, an etching apparatus for circuit pattern can be used.

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとを低コストで安定してろう付して、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができる。   According to the method for manufacturing a power module substrate of the present invention, the metal layer and the heat sink can be brazed stably at low cost without causing separation at the joint portion between the ceramic substrate and the metal layer. A power module substrate having high performance can be provided.

パワーモジュールを示す断面図である。It is sectional drawing which shows a power module. 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、余剰ろう材を除去する前の状態を示す断面図である。In the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention, it is sectional drawing which shows the state before removing an excess brazing filler metal. 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、余剰ろう材を除去した後のろう付工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the brazing process after removing an excess brazing material in the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention.

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。まず、パワーモジュール用基板10から製造されたパワーモジュール100を図1に示す。パワーモジュール100は、パワーモジュール用基板10と、パワーモジュール用基板10に形成された回路層21に搭載された半導体チップ等の電子部品20とから構成される。   Hereinafter, the manufacturing method of the board | substrate for power modules which concerns on this invention is demonstrated. First, a power module 100 manufactured from the power module substrate 10 is shown in FIG. The power module 100 includes a power module substrate 10 and an electronic component 20 such as a semiconductor chip mounted on a circuit layer 21 formed on the power module substrate 10.

パワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の両面に積層された金属層12,13と、金属層13の裏面に接合されたヒートシンク14とを備える。金属層12は、所定の形状にエッチングされて回路層となる。回路層の上には、電子部品20がはんだ付される。金属層13は放熱層とされ、その表面にヒートシンク14が取り付けられている。   The power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11, metal layers 12 and 13 stacked on both surfaces of the ceramic substrate 11, and a heat sink 14 bonded to the back surface of the metal layer 13. The metal layer 12 is etched into a predetermined shape to become a circuit layer. The electronic component 20 is soldered on the circuit layer. The metal layer 13 is a heat dissipation layer, and a heat sink 14 is attached to the surface thereof.

セラミックス基板11は、たとえばAlN(窒化アルミニウム)、Si34(窒化珪素)等の窒化物系セラミックス、もしくはAl23(アルミナ)等の酸化物系セラミックスにより形成されている。このセラミックス基板11は、たとえば厚さ0.625mm、一辺30mmの矩形状である。 The ceramic substrate 11 is formed of, for example, nitride ceramics such as AlN (aluminum nitride) and Si 3 N 4 (silicon nitride), or oxide ceramics such as Al 2 O 3 (alumina). The ceramic substrate 11 has, for example, a rectangular shape with a thickness of 0.625 mm and a side of 30 mm.

金属層12,13は、いずれも純度99.9wt%以上(JIS規格で1N90(純度99.9wt%以上:いわゆる3Nアルミニウム)または1N99(純度99.99wt%以上:いわゆる4Nアルミニウム))のアルミニウムにより形成されている。これら金属層12,13は、たとえば、回路層となる金属層12は厚さ0.6mm、放熱層となる金属層13は厚さ1.6mm、いずれも一辺30mmの矩形状である。   The metal layers 12 and 13 are both made of aluminum having a purity of 99.9 wt% or more (JIS standard 1N90 (purity 99.9 wt% or more: so-called 3N aluminum) or 1N99 (purity 99.99 wt% or more: so-called 4N aluminum)). Is formed. The metal layers 12 and 13 are, for example, a rectangular shape having a thickness of 0.6 mm for the metal layer 12 serving as a circuit layer and a thickness of 1.6 mm for the metal layer 13 serving as a heat dissipation layer.

ヒートシンク14は、アルミニウム合金の押し出し成形によって形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路14aが形成されている。ヒートシンク14は、ろう付によって金属層13に接合されている。   The heat sink 14 is formed by extrusion molding of an aluminum alloy, and a large number of flow paths 14a are formed along the length direction for circulating cooling water. The heat sink 14 is joined to the metal layer 13 by brazing.

このパワーモジュール用基板10は、セラミックス基板11の両面にろう材を介して金属層12,13を重ね合わせ、加圧するとともに加熱して接合し(第1ろう付工程)、金属層13の側面13aに付着した余剰ろう材15を除去した後(除去工程)、フラックス16を用いたろう付法により、余剰ろう材15を除去された金属層13とヒートシンク14とを接合する(第2ろう付工程)ことにより製造される。なお、ろう材はたとえば厚さ20μmのろう箔である。   In this power module substrate 10, the metal layers 12 and 13 are superposed on both surfaces of the ceramic substrate 11 through a brazing material, pressed and heated and joined (first brazing process), and the side surface 13 a of the metal layer 13 is formed. After removing the surplus brazing material 15 adhering to the metal layer (removal process), the metal layer 13 from which the surplus brazing material 15 has been removed and the heat sink 14 are joined by a brazing method using the flux 16 (second brazing process). It is manufactured by. The brazing material is, for example, a brazing foil having a thickness of 20 μm.

より具体的には、まず第1ろう付工程において、Al−Si系のアルミニウム合金ろう材を用いて、セラミックス基板11と金属層12,13とをろう付する。この工程は真空、約610℃の雰囲気中で行われる。セラミックス基板11と金属層12,13との間を確実に接合するために、十分な量のろう材を供給することが好ましい。このため、接合に寄与しない余剰ろう材15が生じてセラミックス基板11と金属層12,13との間から押し出され、金属層13の側面13aに付着する場合がある。   More specifically, first, in the first brazing step, the ceramic substrate 11 and the metal layers 12 and 13 are brazed using an Al—Si based aluminum alloy brazing material. This step is performed in a vacuum and an atmosphere of about 610 ° C. In order to reliably bond the ceramic substrate 11 and the metal layers 12 and 13, it is preferable to supply a sufficient amount of brazing material. For this reason, surplus brazing material 15 that does not contribute to bonding may be generated and pushed out from between the ceramic substrate 11 and the metal layers 12 and 13, and may adhere to the side surface 13 a of the metal layer 13.

すなわち、この第1ろう付工程において、セラミックス基板11と金属層12,13との間で、ろう材は金属層12,13中に拡散する。しかしながら、接合に寄与しない余剰分のろう材は、金属層12,13中に拡散せずにセラミックス基板11との間からはみ出して付着する。このため、この余剰ろう材15は、ろう材に含まれるSi成分を含有するSiリッチ相となっている。   That is, in the first brazing step, the brazing material diffuses into the metal layers 12 and 13 between the ceramic substrate 11 and the metal layers 12 and 13. However, the surplus brazing material that does not contribute to bonding does not diffuse into the metal layers 12 and 13 and sticks out from the ceramic substrate 11. For this reason, this surplus brazing material 15 is a Si-rich phase containing the Si component contained in the brazing material.

次いで、除去工程において、金属層13の側面13aに付着した余剰ろう材15を除去する。具体的には、エッチングや切断加工により、図2に二点鎖線Aで示すように、余剰ろう材15を金属層13の外周端部とともに除去する。   Next, in the removing step, the excess brazing material 15 attached to the side surface 13a of the metal layer 13 is removed. Specifically, as shown by a two-dot chain line A in FIG. 2, the excess brazing material 15 is removed together with the outer peripheral end of the metal layer 13 by etching or cutting.

たとえばエッチングの場合、両金属層12,13の表面にレジストマスクを形成し、塩化第二鉄液(FeCl3濃度44%以上、FeCl2濃度0.13%以下、HCL(遊離酸)濃度0.15%以下、比重(ボーメ度)47±2°)を、温度55℃±1℃、処理時間3分〜20分の条件下で各金属層12,13の表面に吹き付けてエッチングを行い、回路を形成するとともに余剰ろう材15を除去する。なお、このエッチング工程は、金属層12をエッチングして回路パターンを形成する場合であれば、回路パターン形成用のエッチング装置を利用することができる。   For example, in the case of etching, a resist mask is formed on the surfaces of both metal layers 12 and 13, and ferric chloride solution (FeCl3 concentration 44% or more, FeCl2 concentration 0.13% or less, HCL (free acid) concentration 0.15%). Hereafter, etching is performed by spraying the specific gravity (Baume degree) of 47 ± 2 ° on the surface of each metal layer 12 and 13 under the condition of temperature 55 ° C. ± 1 ° C. and processing time 3 minutes to 20 minutes. And the excess brazing filler metal 15 is removed. In this etching process, if a circuit pattern is formed by etching the metal layer 12, an etching apparatus for forming a circuit pattern can be used.

そして、第2ろう付工程において、フラックスを用いて金属層13とヒートシンク14とをろう付する。より具体的には、たとえば、フッ化物系(KAlF4,K2AlF4,K3AlF6等)のフラックスをろう材面に塗布してろう材面の酸化物を除去し、非酸化性雰囲気中で加熱して接合する(ノコロックろう付法)。このとき、余剰分のフラックス16が金属層13とヒートシンク14との間から流れ出し、金属層13の側面13aの表面に付着する(図3参照)。 In the second brazing step, the metal layer 13 and the heat sink 14 are brazed using a flux. More specifically, for example, fluoride (KAlF 4 , K 2 AlF 4 , K 3 AlF 6, etc.) flux is applied to the brazing material surface to remove the oxide on the brazing material surface, and a non-oxidizing atmosphere Heat inside to join (Noclock brazing method). At this time, the surplus flux 16 flows out between the metal layer 13 and the heat sink 14 and adheres to the surface of the side surface 13a of the metal layer 13 (see FIG. 3).

第2ろう付工程において、Siリッチ相すなわち余剰ろう材15が側面13aに付着していた場合、余剰ろう材15が再溶融すると、フラックス16が余剰ろう材15中のSiや酸化物と反応して金属層13とセラミックス基板11との接合界面に引き込まれ、この接合部に剥離を生じさせるおそれがある。しかしながら、この製造方法においては、第2ろう付工程の前に余剰ろう材15を側面13aから除去してあるので、Siリッチ相を通じてフラックスが接合界面に引き込まれるのを防止できる。したがって、すでにろう付されたセラミックス基板11と金属層13とを剥離させることなく、金属層13とヒートシンク14とをろう付することができる。   In the second brazing step, when the Si-rich phase, that is, the surplus brazing material 15 adheres to the side surface 13a, when the surplus brazing material 15 is remelted, the flux 16 reacts with Si and oxides in the surplus brazing material 15. Then, the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 are drawn into the bonding interface, and the bonded portion may be peeled off. However, in this manufacturing method, since the surplus brazing material 15 is removed from the side surface 13a before the second brazing step, it is possible to prevent the flux from being drawn into the bonding interface through the Si-rich phase. Therefore, the metal layer 13 and the heat sink 14 can be brazed without peeling off the already brazed ceramic substrate 11 and the metal layer 13.

以上説明したように、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合面にフラックスを引き込む原因となる余剰ろう材を除去した後にフラックスを用いてろう付を行うので、セラミックス基板と金属層との接合部に剥離を生じさせることなく、金属層とヒートシンクとを低コストで安定してろう付して、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができる。   As described above, according to the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, the brazing is performed using the flux after removing the excess brazing material that causes the flux to be drawn into the joint surface. Without causing separation at the joint between the metal layer and the metal layer, the metal layer and the heat sink can be stably brazed at low cost, and a power module substrate with high joint reliability can be provided.

特に、この実施形態では、エッチングにより回路の形成と同時に余剰ろう材15を除去したので、金属層12,13およびセラミックス基板11の側面にもろう材や金属酸化物が付着していない状態で、金属層13とヒートシンク14とをろう付することができる。このろう付時にフラックスが蒸気となって、金属層13だけでなくセラミックス基板11や金属層12にもフラックスが付着する場合があるが、フラックスと反応する余剰ろう材(Siリッチ相や金属酸化物)が付着していないので、フラックスが接合界面に入り込むことによる接合部分の剥離を効果的に防止できる。   In particular, in this embodiment, since the excess brazing material 15 is removed simultaneously with the formation of the circuit by etching, the brazing material and metal oxide are not attached to the side surfaces of the metal layers 12 and 13 and the ceramic substrate 11. The metal layer 13 and the heat sink 14 can be brazed. In this brazing, the flux becomes vapor, and the flux may adhere not only to the metal layer 13 but also to the ceramic substrate 11 and the metal layer 12, but an excess brazing material (Si-rich phase or metal oxide) that reacts with the flux. ) Does not adhere, it is possible to effectively prevent separation of the bonded portion due to flux entering the bonding interface.

また、フラックスは金属酸化物と反応しやすいため、Al−Siと比較してSi成分が少ないろう材(Al−Ge系合金、Al−Cu系合金、Al−Mg系合金、Al−Mn系合金等)を用いた場合であっても、余剰ろう材中の金属酸化物とフラックスとが反応し、接合界面にフラックスが入り込んで剥離が生じるおそれがある。これに対して、フラックスと反応しやすい余剰ろう材を除去しておけば、ヒートシンクをろう付する際にセラミックス基板と金属層との接合面にフラックスが引き込まれるのを防止できるので、剥離を生じさせずにヒートシンクをろう付することができる。   In addition, since flux easily reacts with metal oxides, brazing filler metal (Al-Ge alloy, Al-Cu alloy, Al-Mg alloy, Al-Mn alloy) has less Si component than Al-Si. Etc.), the metal oxide in the surplus brazing material reacts with the flux, and the flux may enter the bonding interface and cause peeling. On the other hand, if the excess brazing material that easily reacts with the flux is removed, it is possible to prevent the flux from being drawn into the joint surface between the ceramic substrate and the metal layer when brazing the heat sink. The heatsink can be brazed without it.

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。   In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, it is possible to add a various change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

10 パワーモジュール用基板
11 セラミックス基板
12,13 金属層
13a 側面
14 ヒートシンク
15 余剰ろう材
16 フラックス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power module substrate 11 Ceramic substrate 12, 13 Metal layer 13a Side surface 14 Heat sink 15 Excess brazing material 16 Flux

Claims (2)

セラミックス基板の両面にろう材を介して金属層を重ね合わせ、加圧するとともに加熱して接合し、
少なくともいずれか一方の前記金属層の側面に付着した余剰ろう材を除去した後、フラックスを用いたろう付法により、前記余剰ろう材を除去された前記金属層とヒートシンクとを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。
Metal layers are superimposed on both sides of the ceramic substrate via a brazing material, pressed and heated to join,
After removing the excess brazing material adhering to the side surface of at least one of the metal layers, the metal layer from which the excess brazing material has been removed and the heat sink are joined by a brazing method using a flux. A method for manufacturing a power module substrate.
エッチングにより前記余剰ろう材を除去することを特徴とする請求項1に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。   The method for manufacturing a power module substrate according to claim 1, wherein the surplus brazing material is removed by etching.
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