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TWI727146B - 附有散熱片功率模組用基板 - Google Patents

附有散熱片功率模組用基板 Download PDF

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TWI727146B
TWI727146B TW107106499A TW107106499A TWI727146B TW I727146 B TWI727146 B TW I727146B TW 107106499 A TW107106499 A TW 107106499A TW 107106499 A TW107106499 A TW 107106499A TW I727146 B TWI727146 B TW I727146B
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copper
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湯本遼平
大井宗太郎
Original Assignee
日商三菱綜合材料股份有限公司
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Abstract

本發明係一種附有散熱片功率模組用基板，其中，具備：於陶瓷基板之兩面，加以配設銅等所成之電路層，金屬層的功率模組用基板，和鋁層，和銅層，和鋁含浸碳化矽多孔質所成之散熱片；於金屬層與鋁層之間，鋁層與銅層之間，銅層與鋁含浸碳化矽多孔質體之間，加以形成有具有鋁與銅之金屬間化合物的擴散層，而電路層之厚度t1為0.1mm以上3.0mm以下、金屬層之厚度t2為0.1mm以上3.0mm以下、厚度t3為3.0mm以下、厚度t4為0.1mm以上5.0mm以下、比率[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]則作為0.06以上0.70以下之範圍內。

Description

附有散熱片功率模組用基板
本發明係有關使用於控制大電流，高電壓之半導體裝置之附有散熱片功率模組用基板。
本申請係依據申請於2017年3月7日之日本特願2017-42544號而主張優先權，而將此內容援用於其內容。
作為附有散熱片功率模組用基板，例如如專利文獻1或專利文獻2所記載地知道有：於成為絕緣層之陶瓷基板之一方的面，加以形成銅等所成之電路層，而於陶瓷基板之另一方的面，加以形成銅等所成之金屬層，於與此金屬層之陶瓷基板相反側的面，加以接合鋁或銅等所成之散熱板(散熱板)之構成。於如此所構成之附有散熱片功率模組用基板的電路層之表面(上面)，經由焊接(安裝)半導體元件等之電子構件而加以製造功率模組。
由鋁或銅所成之散熱片係與功率模組用基板之線膨脹差為大。因此，經由在電子構件的安裝工程而加以加熱，以及暴露於在功率模組之使用環境的溫度變化之情況之時，對於附有散熱片功率模組用基板產生有彎曲。例如，當在電子構件的安裝工程，對於附有散熱片功率模組用基板產生彎曲時，有著產生有電子構件的位置偏移，以及對於焊錫接合部產生偏差或斷裂等而損及接合信賴性之虞。
另外，當在功率模組之使用環境中，於附有散熱片功率模組用基板產生彎曲時，經由介入存在於散熱片與冷卻器之間的熱傳導性潤滑油則經由泵出現象而流出之時，而有損及散熱片與冷卻器之密著性，招致熱阻抗之增加者。更且，經由如此反覆於附有散熱片功率模組用基板產生彎曲之時，而有於陶瓷基板產生斷裂之虞。
因此，在此種附有散熱片功率模組用基板中，取代於鋁或銅，根據經由低熱膨脹，高熱傳導率之鋁含浸碳化矽多孔質體而形成散熱片之時，加以嘗試降低因功率模組用基板與散熱片之線膨脹差引起之彎曲。
鋁含浸碳化矽多孔質體係如專利文獻3或專利文獻4所記載地，主要於碳化矽(SiC)所成之多孔質體中，加以含浸鋁(Al)或鋁合金之同時，於其多孔質體表面，加以形成鋁或鋁合金的被覆層之鋁與碳化矽的複合體。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開平10-270596號公報 　　專利文獻2：日本特開2016-51778號公報 　　專利文獻3：日本特開2014-143351號公報 　　專利文獻4：日本特開2003-306730號公報
[發明欲解決之課題]
如專利文獻3或專利文獻4所記載地，以往係由經由低熱膨脹，高熱傳導率之鋁含浸碳化矽多孔質體而形成散熱片者，縮小功率模組用基板與散熱片之線膨脹差，而謀求產生於附有散熱片功率模組用基板之彎曲的降低。但產生於附有散熱片功率模組用基板之彎曲量的降低係不能說是充分，而更要求改善。
本發明係有鑑於如此之情事所作為之構成，其目的為提供：對於功率循環或冷熱循環而言之信賴性高的附有散熱片功率模組用基板。 [為了解決課題之手段]
本發明之附有散熱片功率模組用基板係具備：於陶瓷基板之一方的面，加以配設銅或銅合金所成之電路層，而於前述陶瓷基板之另一方的面，加以配設銅或銅合金所成之金屬層的功率模組用基板，和加以接合於前述金屬層之鋁所成的鋁層，和加以接合於前述鋁層之銅或銅合金所成的銅層，和加以接合於前述銅層，於碳化矽所成之多孔質體，加以含浸鋁或鋁合金之鋁含浸碳化矽多孔質體所成之散熱片；於前述金屬層與前述鋁層之間，前述鋁層與前述銅層之間，前述銅層與前述鋁含浸碳化矽多孔質體之間，加以形成有具有鋁與銅之金屬間化合物的擴散層，而將前述電路層之耐力作為σ1(MPa)、前述電路層之厚度作為t1(mm)、前述電路層與前述陶瓷基板之接合面積作為A1(mm2 )，前述金屬層之耐力作為σ2(MPa)、前述金屬層之厚度作為t2(mm)、前述金屬層與前述陶瓷基板之接合面積作為A2(mm2 )，前述鋁層之耐力作為σ3(MPa)、前述鋁層之厚度作為t3(mm)、前述金屬層與前述鋁層之接合面積作為A3(mm2 )，前述銅層之耐力作為σ4(MPa)、前述銅層之厚度作為t4(mm)、前述鋁層與前述銅層之接合面積作為A4(mm2 )時，前述厚度t1則加以形成為0.1mm以上3.0mm以下，前述厚度t2則加以形成為0.1mm以上3.0mm以下，前述厚度t3則加以形成為3.0mm以下，前述厚度t4則形成為0.1mm以上5.0mm以下，而比率[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]則作為0.06以上0.70以下之範圍內。
形成散熱片之鋁含浸碳化矽多孔質體係具有接近於陶瓷基板之線膨脹率，但對於線膨脹率有僅一些差。因此，在功率模組用基板與散熱片之接合時，於陶瓷基板與散熱片之接合面間，產生有因線膨脹率差引起的之彎曲，而有產生功率模組用基板與散熱片之接合不良之虞。
在本發明之附有散熱片功率模組用基板中，作為於功率模組用基板與散熱片之間，設置鋁層與銅層，依序層積銅或銅合金所成之金屬層，和鋁所成之鋁層，和銅或銅合金所成之銅層，和加以含浸鋁或鋁合金而形成之鋁含浸碳化矽多孔質體所成之散熱片，交互層積銅與鋁之構造。此等相互加以接合之各層之間係藉由具有接合於其表面之構件中的金屬原子，即，銅與鋁所成之金屬間化合物的擴散層而加以固相擴散接合。並且，在本發明之附有散熱片功率模組用基板中，根據將功率模組用基板與散熱片，經由固相擴散接合，藉由鋁層與銅層而接合之時，使各構件相互密著而堅固地接合。另外，將各構件，在特定的厚度之範圍內而形成，經由將各構件的關係，調整為比率([(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]則為0.06以上0.70以下之範圍內)之時，未使功率模組用基板與散熱片之接合時的彎曲產生而加以形成附有散熱片功率模組用基板。
另外，於功率模組用基板與散熱片之間，經由配設應力緩衝效果高之鋁層之時，可由鋁層而吸收因功率模組用基板與散熱片之熱伸縮差引起的熱應力，而可緩和對於功率模組用基板而言之冷熱循環時的負荷。另外，經由配設剛性為高，且線膨脹係數則較鋁含浸碳化矽多孔質體或陶瓷為大之銅層之時，可降低因陶瓷基板與散熱片之線膨脹差引起的彎曲。因此，例如在半導體元件的接合等，因可降低經由加熱附有散熱片功率模組用基板時之熱伸縮的彎曲之故，可抑制陶瓷基板之破裂(斷裂)的發生。隨之，可形成對於功率循環或冷熱循環而言之性賴性高之附有散熱片功率模組用基板。
然而，電路層，金屬層，鋁層及銅層之各厚度t1~t4係作為除了擴散層之厚度。在電路層之厚度t1及金屬層之厚度t2則不足0.1mm中，使用於陶瓷基板與電路層，陶瓷基板與金屬層之各接合的接合材則有在加熱時滲出於電路層表面之虞，而當厚度t1及厚度t2則超出3.0mm時，例如，接合半導體元件時等，在加熱附有散熱片功率模組用基板之情況，對於陶瓷基板有產生斷裂之虞。
當鋁層之厚度t3則超出3.0mm時，經由加大(厚)厚度t3之時，附有散熱片功率模組用基板之彎曲則變大。另外，經由增加厚度t3之熱阻抗則變大，而使冷卻性能下降。
在銅層之厚度t4則不足0.1mm中，無法充分發揮產生於經由設置銅層之附有散熱片功率模組用基板之彎曲之降低效果、當厚度t4超出5.0mm時，來自高剛性且高線膨脹率之銅層的大應力則加上於陶瓷基板之故，例如，對於在接合半導體元件時等，加熱附有散熱片功率模組用基板之情況，對於陶瓷基板有產生斷裂之虞。
作為本發明之附有散熱片功率模組用基板之理想的實施型態，在前述散熱片的下面中，將前述散熱片與前述銅層之接合面之中心位置，作為測定範圍的中心，將該測定範圍之最大長度作為L(mm)，而將在前述測定範圍之前述散熱片的變形量作為Z(mm)，將加熱至285℃時之彎曲(Z/L2 )的值作為X，將在加熱至前述285℃之後冷卻至30℃為止時之彎曲(Z/L2 )的值作為Y時，前述彎曲X與前述彎曲Y之差分(Y-X)則作為-18.0×10-6 (mm-1 )以上18.0× 10-6 (mm-1 )以下。在此，變形量Z係於電路層側，將凸的變形作為正，而於散熱片下面側，將凸的變形作為負。
在285℃加熱時之彎曲X，和在其加熱後自285℃冷卻至30℃為止時之彎曲Y的差分(Y-X)則作為-18.0×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下之附有散熱片功率模組用基板係產生於低溫時(30℃)與高溫時(285℃)之彎曲的變化亦小。在如此之附有散熱片功率模組用基板中，因產生於焊接或導線接合電子構件於電路層等時之彎曲，或產生於功率模組之冷熱循環負荷時之彎曲則為小之故，可在電子構件之焊接等之製造工程的作業性之提升，或可防止經由加熱之陶瓷基板的斷裂。
作為本發明之附有散熱片功率模組用基板之理想實施形態，前述電路層之厚度t1與前述金屬層之厚度t2的比率(t1/t2)則為0.75以上，不足1.25即可。
電路層之厚度t1與金屬層之厚度t2則略相等，而功率模組用基板之彎曲則因幾乎未產生之故，在接合功率模組用基板與散熱片時，在於功率模組用基板與散熱片之間，使鋁板(鋁層)及銅板(銅層)介入存在時，可抑制產生有間隙於各層之間，而可提升各層之接合性。
作為本發明之附有散熱片功率模組用基板之理想實施形態，前述彎曲X則-50×10-6 (mm-1 )以上50× 10-6 (mm-1 )以下，而前述彎曲Y則-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下即可。
在彎曲X及Y則超過50×10-6 (mm-1 )之情況，將附有散熱片功率模組用基板締結於水冷式冷卻器等時，使用於散熱片與水冷式冷卻器之間的潤滑油的量則必須多量，而有熱阻抗上升之虞。另外，彎曲X及Y則不足-50×10-6 (mm-1 )之情況，在將附有散熱片功率模組用基板締結於水冷式冷卻器等時，而有加上負荷於陶瓷基板，產生有斷裂等之虞。
作為本發明之附有散熱片功率模組用基板之理想實施形態，前述鋁層之厚度t3則為0.01mm以上即可。
當鋁層之厚度t3不足0.01mm時，而有金屬層與鋁層，及鋁層與銅層之接合性下降之虞。 [發明效果]
如根據本發明之附有散熱片功率模組用基板，可抑制伴隨溫度變化之陶瓷基板的斷裂發生，而可提高對於功率循環或冷熱循環而言之信賴性。
以下，對於本發明之實施形態，參照圖面同時加以說明。於圖1，顯示本實施形態的附有散熱片功率模組用基板101。此附有散熱片功率模組用基板101係具備：功率模組用基板10，和接合於功率模組用基板10之鋁層31，和接合於鋁層31之銅層32，和接合於銅層32之散熱片20。附有散熱片功率模組用基板101係於功率模組用基板10之金屬層13與鋁層31之間，鋁層31與銅層32之間，銅層32與散熱片20之間，各加以形成具有鋁與銅之金屬間化合物之擴散層33，34，35，而自金屬層13至散熱片20為止之各層之間則藉由擴散層33，34，35而加以接合。
陶瓷基板11係防止電路層12與金屬層13之間的電性連接之構成。陶瓷基板11係例如由AlN(氮化鋁)，Si3 N4 (氮化矽)，Al2 O3 (氧化鋁)，SiC(碳化矽)等之絕緣性高的陶瓷而加以形成，而厚度t6則加以形成為0.32mm以上1.0mm以下之範圍內。
電路層12係於陶瓷基板11之一方的面，經由加以接合銅或銅合金(理想係無氧銅：OFC)之銅板之時而加以形成。另外，電路層12之厚度t1(銅板的厚度)係形成為0.1mm以上3.0mm以下之範圍內。電路層12係經由蝕刻等而加以形成特定的電路圖案。
金屬層13係於陶瓷基板11之另一方的面，經由加以接合銅或銅合金(理想係無氧銅：OFC)之銅板之時而加以形成。金屬層13之厚度t2(銅板的厚度)係形成為0.1mm以上3.0mm以下之範圍內。
功率模組用基板10係作為於陶瓷基板11之兩面，加以配設電路層12及金屬層13之構成。在功率模組用基板10中，如圖1所示，將電路層12之厚度作為t1(mm)，而將金屬層13之厚度作為t2(mm)時，電路層12與金屬層13之關係則比率(t1/t2)呈成為0.75以上，不足1.25之範圍內地加以調整即可。此情況，因電路層12之厚度t1與金屬層13之厚度t2則略相等，而於陶瓷基板11之兩面，加以接合等厚之電路層12及金屬層13之故，對於功率模組用基板10係幾乎未產有彎曲。因此，在藉由後述之鋁板(鋁層31)及銅板(銅層32)而接合功率模組用基板10與散熱片20時，於功率模組用基板10與散熱片20之間，使鋁板及銅板介入存在時，可抑制產生有間隙於各層之間，而可使各層之接合性提升者。
然而，對於電路層12係加以形成有電路圖案，如圖2所示，對於具有分割成複數的圖案形狀之情況，與各圖案形狀之陶瓷基板11的接合面積A1(mm2 )係通常作為與金屬層13之陶瓷基板11的接合面積A2(mm2 )之90%程度的面積。
鋁層31係如圖1所示，於金屬層13之下面，經由固相擴散接合鋁板或鋁合金板而加以形成。金屬層13與鋁層31係經由金屬層13之銅原子與鋁層31之鋁原子相互擴散之時，形成具有銅與鋁所成之金屬間化合物的擴散層33而加以接合。鋁層31係加以接合於金屬層13之下面全面，而鋁層31與金屬層13之接合面積A3(mm2 )係作為與金屬層13與陶瓷基板11之接合面積A2(mm2 )相同大小。鋁層31之厚度t3(mm)則形成為0.1mm以上3.0mm以下之範圍內。另外，擴散層33之厚度t133則加以形成為2μm以上50μm以下之範圍內。
作為使用於鋁層31之鋁板或鋁合金板係可使用純度99.9質量%以上之鋁板(2N-Al)，或純度99.99質量%以上之鋁板(4N-Al)、A3003板或A6063板等。鋁層31之厚度t3係除了擴散層33，34之厚度t133，t134的厚度，而未含有擴散層33，34之厚度t133，t134。
銅層32係於鋁層31之下面，經由固相擴散接合銅或銅合金的銅板而加以形成。鋁層31與銅層32係經由鋁層31之鋁原子與銅層32之銅原子相互擴散之時，形成具有銅與鋁所成之金屬間化合物的擴散層34而加以接合。銅層32係加以接合於鋁層31之下面全面，銅層32與鋁層31之接合面積A4(mm2 )係作為與鋁層31與金屬層13之接合面積A3(mm2 )，和金屬層13與陶瓷基板11之接合面積A2(mm2 )相同大小。銅層32之厚度t4(mm)則形成為0.1mm以上5.0mm以下之範圍內。另外，擴散層34之厚度t134則加以形成為2μm以上50μm以下之範圍內。銅層32之厚度t4係除了擴散層34，35之厚度t134，t135的厚度，而未含有擴散層34，35之厚度t134，t135。
如圖1所示，將電路層12之耐力作為σ1(MPa)、電路層12之厚度作為t1(mm)、電路層12與陶瓷基板11之接合面積作為A1(mm2 )，金屬層13之耐力作為σ2(MPa)、金屬層13之厚度作為t2(mm)、金屬層13與陶瓷基板11之接合面積作為A2(mm2 )，鋁層31之耐力作為σ3(MPa)、鋁層31之厚度作為t3(mm)、金屬層13與鋁層31之接合面積作為A3(mm2 )，銅層32之耐力作為σ4(MPa)、銅層32之厚度作為t4(mm)、鋁層31與銅層32之接合面積作為A4(mm2 )時，電路層12與金屬層13與鋁層31與銅層32之關係則比率[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]呈成為0.06以上0.70以下之範圍內地加以調整。此時之耐力σ1~σ4係作為在調質(識別)記號「O」之25℃的耐力。
散熱片20係為了冷卻功率模組用基板10之構成。散熱片20係如圖1所示，於銅層32之下面，經由固相擴散接合而加以接合。散熱片20係冷卻自功率模組用基板10，藉由鋁層31及銅層32而加以傳達的熱。散熱片20係如圖3所示，於碳化矽(SiC)所成之多孔質體21，加以含浸鋁(Al)或鋁合金，而於多孔質體21之表面，由形成含浸於內部之鋁或鋁合金的被覆層22之鋁含浸碳化矽多孔質體所成，而加以形成為平板狀。
作為含浸於散熱片20的多孔質體21之鋁係可使用純度99質量%以上的鋁(2N-Al)或純度99.99質量%的鋁(4N-Al)等之純鋁，或者Al：80質量%以上99.99質量以下、Si：0.01質量%以上13.5質量%以下、Mg：0.03質量%以上5.0質量%以下、残留部：具有不純物之組成的鋁合金者。另外，亦可使用ADC12或A356等之鋁合金。
散熱片20之厚度t5係可作為0.5mm以上5.0mm以下者。散熱片20之厚度t5係如圖3所示，包含被覆多孔質體21兩面之被覆層22的厚度t151的厚度。相當被覆層22單面的厚度t151係作為散熱片20之厚度t5的0.01倍以上0.1倍以下者為佳。另外，對於銅層32與散熱片20之間係經由銅層32之銅原子與散熱片20的鋁原子相互擴散之時，加以形成具有銅與鋁所成之金屬間化合物的擴散層35。此擴散層35之厚度t135係在被覆層22之厚度t151的範圍內，形成於2μm以上50μm以下之範圍內者為佳。
形成被覆層22於多孔質體21之表面的散熱片20係例如，將多孔質體21，配置於呈具有特定之間隙於其周圍地加以設置之模型內，經由在壓入加熱熔融的鋁或鋁合金於其模型內，加以加壓之狀態進行冷卻而加以製造。如此，由壓入鋁等者，於與鋁等之潤濕性差之碳化矽的多孔質體21內部，可使鋁合金含浸，更且於多孔質體21之周圍間隙，充填鋁等而可於多孔質體21表面形成特定厚度之被覆層22。然而，經由切削加工所形成之被覆層22之時，調整被覆層22之厚度t151亦可。
然而，作為本實施形態之附有散熱片功率模組用基板101的理想組合例，功率模組用基板10之各構件係例如，經由陶瓷基板11為厚度t6=0.635mm之AlN(氮化鋁)、電路層12為厚度t1=0.3mm之OFC(無氧銅、耐力σ1：200MPa)、金屬層13為厚度t2=0.3mm之OFC(無氧銅、耐力σ2：200MPa)而加以構成。另外，以鋁層31為厚度t3=0.25mm之4N-Al(所謂4N鋁、耐力σ3：28MPa)、銅層32為厚度t4=2.0mm之OFC(無氧銅、耐力σ4：200MPa)而加以構成。各接合面積A1~A4則為1369mm2 之情況，成為比率[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]=0.13。另外，散熱片20係由Al-Si系合金而加以構成所含浸的鋁等，全體的厚度t5則由5.0mm，被覆層22之厚度t151則由100μm程度而加以構成，擴散層33，34，35之各厚度t133~135則作為25μm程度。
然而，各構件的線膨脹率係作為AlN所成之陶瓷基板11則作為4.5×10-6 /K、OFC所呈之電路層12，金屬層13及銅層32則作為17.7×10-6 /K、4N-Al所成之鋁層31則作為23.6×10-6 /K、含浸Al-Si系合金之鋁含浸碳化矽多孔質體所成之散熱片20則作為8.5×10-6 /K。
於如此所構成之附有散熱片功率模組用基板101之電路層12之上面，加以搭載有半導體元件等之電子構件80，如圖1所示，加以製造功率模組201。電子構件80係經由Sn-Cu、Sn-Cu-Ni等之焊錫材而加以接合於電路層12之上面，雖省略圖示，但對於電子構件80與電路層12之間係加以形成厚度50μm~200μm程度之焊錫接合部。
以下，說明本實施形態之附有散熱片功率模組用基板101之製造工程。
首先，接合成為電路層12之銅板與陶瓷基板11，和成為金屬層13之銅板與陶瓷基板11。成為電路層12之銅板及成為金屬層13之銅板，和陶瓷基板11之接合係經由所謂活性金屬焊接法而實施。
詳細而言，於陶瓷基板11之上面，藉由Ag-Cu-Ti或Ag-Ti等之活性金屬焊接材(略圖示)而層積成為電路層12之銅板之同時，對於陶瓷基板11之下面，亦藉由同樣的活性金屬焊接材而層積成為金屬層13之銅板。並且，將層積此等銅板，活性金屬焊接材，陶瓷基板11之層積體，如圖4所示，對於其層積方向，在0.1MPa以上3.5MPa以下之範圍內進行加壓的狀態進行加熱，各接合成為電路層12之銅板與陶瓷基板11，成為金屬層13之銅板與陶瓷基板11而製造功率模組用基板10。此時之加熱條件係例如，加熱溫度則作為850℃，而加熱時間則作為10分鐘。
接著，於功率模組用基板10之金屬層13的下面，藉由鋁層31及銅層32而接合散熱片20。對於功率模組用基板10與散熱片20之接合係如圖5所示，使用具有凸曲面狀之加壓面51a的加壓板51，和具有凹曲面狀之加壓面52a之加壓板52的加壓治具50者為佳。對於兩片的加壓板51，52係將各對向之加壓面51a，52a，形成為具有曲率半徑R作為3000mm~7000mm之曲面的凹面或凸面。此情況，如圖5所示，以凹面加以形成加壓散熱片20之下面於層積方向的加壓板52之加壓面52a，而以凸面加以形成將功率模組用基板10之上面(電路層12之上面)加壓於層積方向之加壓板51的加壓面51a。然而，雖省略圖示，但對於加壓治具50係具備有將加壓板51，52驅使於層積方向而賦予加壓力之彈簧等之驅使手段。然而，作為加壓板51，52，亦可使用平板者。
於如此所構成之加壓治具50之加壓板51與加壓板52之間，依序重疊配置功率模組用基板10，成為鋁層31之鋁板，成為銅層32之銅板，散熱片20，將此等作為挾持於層積方向之狀態。此時，重疊此等之層積體係經由加壓板51之加壓面51a與加壓板52之加壓面52a，而加壓於層積方向(厚度方向)，保持為將散熱片20之下面朝向下方而產生作為凸狀之變形(彎曲)的狀態。經由以根據加壓治具50之加壓狀態而加熱此層積體之時，經由各固相擴散接合而接合功率模組用基板10之金屬層13的下面與鋁層13之上面，鋁層31之下面與銅層32之上面，銅層32之下面與散熱片20之上面。
此情況，固相擴散接合係在真空環境中，以加壓荷重(加壓力)0.1MPa~3.5MPa、加熱溫度450℃以上，不足548℃之加熱溫度，經由保持5分~240分而加以進行。經由此，金屬層13與鋁層31，鋁層31與銅層32，銅層32與散熱片20係經由銅原子與鋁原子相互擴散之時，於各層之間，加以形成具有銅與鋁之金屬間化合物之擴散層33，34，35，再藉由此等之擴散層33，34，35而加以接合。
然而，各擴散層33，34，35之厚度係因應接合時間而增加，各擴散層33，34，35則加以形成為同程度之厚度。各擴散層33，34，35之厚度係加以形成為2μm以上50μm以下之範圍內。
在此，對於在鋁(鋁層31，散熱片20)與銅(金屬層13，銅層32)之間的固相擴散接合，將鋁層31與金屬層13之接合作為例，參照圖6而加以說明。
鋁層31與金屬層13係經由鋁層31之鋁原子與金屬層13之銅原子相互擴散之時，形成具有鋁與銅之金屬間化合物的擴散層33而加以接合。擴散層33係如圖6所示，作為因應鋁原子與銅原子之存在比率而複數的組成之金屬間化合物41，42，43則沿著界面而加以層積之構成。也就是，在擴散層33之鋁層31側的範圍中，加以形成鋁原子之存在比率為高，而鋁的含有量為多之金屬間化合物相。另一方面，在擴散層33之金屬層13側的範圍中，加以形成銅原子之存在比率為高，而銅的含有量為多之金屬間化合物相。在圖6所示的例中，擴散層33係作為自鋁層31側朝向金屬層13側，依序層積θ相43、η2 相42、ζ2 相41之3種的金屬間化合物之構造。
然而，擴散層33係為自鋁層31側朝向金屬層13側，依序沿著接合界面，加以層積θ相、η2 相，更且加以層積ζ2 相、δ相、及γ2 相之中至少一個相之構造亦可。在擴散層34，35中亦為同樣。
接著，將如此作為所接合之功率模組用基板10與散熱片20之接合體，在安裝於加壓治具50之狀態，也就是加壓之狀態，冷卻至30℃為止。此情況，功率模組用基板10與散熱片20之接合體係經由加壓治具50而加壓於厚度方向，在使作為將散熱片20之下面朝向下方之凸狀的彎曲之變形產生之狀態而加以約束。因此，伴隨冷卻的接合體之形狀係表面上呈未有看到變化，但抵抗應力而加以加壓，約束為冷卻時無法作為彎曲的變形之狀態的結果，產生塑性變形。並且，在冷卻至30℃為止之後，解放經由加壓治具50之加壓而製造附有散熱片功率模組用基板101。
在附有散熱片功率模組用基板101中，經由於如此形成為平坦之功率模組用基板10與散熱片20之間，層積鋁層31與銅層32，經由固相擴散接合而接合各構件之時，可相互使各構件密著而堅固地接合之同時，在特定的厚度範圍內而形成各構件，經由將各構件的關係調整比率[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]成為0.06以上0.70以下之範圍內之時，未有使接合時之彎曲產生而加以形成附有散熱片功率模組用基板101。附有散熱片功率模組用基板101之金屬層13與鋁層31之間，鋁層31與銅層32之間，銅層32與散熱片20(鋁含浸碳化矽多孔質體)之間，此等之相互所接合之各層之間係藉由具有接合於其表面之構件中的金屬原子，即，銅與鋁所成之金屬間化合物的擴散層33，34，35而加以接合。
在附有散熱片功率模組用基板101中，於功率模組用基板10與散熱片20之間，經由配設應力緩衝效果高之鋁層31之時，可由鋁層31而吸收因功率模組用基板10與散熱片20之熱伸縮差引起的熱應力，而可緩和對於功率模組用基板10而言之冷熱循環時的負荷。另外，經由配設剛性為高，且線膨脹係數則較鋁含浸碳化矽多孔質體或陶瓷為大之銅層32之時，可降低因陶瓷基板11與散熱片20之線膨脹差引起的彎曲。例如在半導體元件的接合等，因可降低經由加熱附有散熱片功率模組用基板101時之熱伸縮的彎曲之故，可抑制陶瓷基板11之破裂(斷裂)的發生。隨之，可形成對於功率循環或冷熱循環而言之信賴性高之附有散熱片功率模組用基板101。
在如此所構成之附有散熱片功率模組用基板101中，在散熱片20之下面(背面)中，如圖7及圖8A~圖8C所示，將散熱片20與銅層32之接合面的中心位置C作為測定範圍E之中心，將其測定範圍E之最大長度作為L，將在測定範圍E之散熱片20的變形量作為Z，將加熱至285℃為止時之彎曲(Z/L2 )的值作為X，而將加熱至280℃之後冷卻至30℃時之彎曲(Z/L2 )的值作為Y時，此等彎曲X與彎曲Y之差分(Y-X)則成為-18.0×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下，可縮小與高溫時(285℃)和低溫時(30℃)彎曲的變化量。在此，散熱片20之變形量Z係於電路層側，將凸的變形作為正，而於散熱片20下面側，將凸的變形作為負。
另外，附有散熱片功率模組用基板101係加熱為285℃時之彎曲(Z/L2 )的值X則作為-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下，而在加熱為285℃之後，冷卻至30℃為止之彎曲(Z/L2 )的值Y則作為-50×10-6 (mm-1 )以上50× 10-6 (mm-1 )以下。
在彎曲X及Y則超過50×10-6 (mm-1 )之情況，將附有散熱片功率模組用基板101締結於水冷式冷卻器等時，使用於散熱片20與水冷式冷卻器之間的潤滑油的量則必須多量，而有熱阻抗上升之虞。另外，彎曲X及Y則不足-50×10-6 (mm-1 )之情況，在將附有散熱片功率模組用基板101締結於水冷式冷卻器等時，而有加上負荷於陶瓷基板11，產生有斷裂等之虞。
然而，在電路層之厚度t1及金屬層之厚度t2則不足0.1mm中，使用於陶瓷基板11與電路層12，陶瓷基板11與金屬層13之各接合的接合材則有在加熱時滲出於電路層12表面之虞。另外，當厚度t1及厚度t2則超出3.0mm時，例如，在接合半導體元件時等，加熱附有散熱片功率模組用基板101之情況，有對於陶瓷基板11產生斷裂之虞。
另外，當鋁層31之厚度t3則超出3.0mm時，附有散熱片功率模組用基板101之彎曲變大的同時，經由增加厚度t3之熱阻抗則變大，而使冷卻性能降低。然而，鋁層31之厚度t3係為0.01mm以上者為佳。當厚度t3不足0.01mm時，而有金屬層13與鋁層31，及鋁層31與銅層32之接合性下降之虞。
另外，在銅層32之厚度t4則不足0.1mm中，無法充分發揮產生於經由設置銅層32之附有散熱片功率模組用基板101之彎曲之降低效果。並且，當厚度t4超出5.0mm時，來自高剛性且高線膨脹率之銅層32的大應力則加上於陶瓷基板11之故，例如，對於在接合半導體元件時等，加熱附有散熱片功率模組用基板101之情況，對於陶瓷基板11有產生斷裂之虞。
然而，本發明係並非限定於上述實施形態者，而在細部構成中，在不脫離本發明之內容的範圍，可加上種種變更。 實施例
以下，對於為了確認本發明之效果而進行之實施例加以說明。如表1所記載地，製造變更電路層之材質(耐力σ1)、電路層之厚度t1及接合面積A1，和金屬層之材質(耐力σ2)、金屬層之厚度t2及接合面積A2，和鋁層之材質(耐力σ3)、鋁層之厚度t3及接合面積A3，和銅層之材質(耐力σ4)、銅層之厚度t4及接合面積A4之附有散熱片功率模組用基板。各附有散熱片功率模組用基板之試料係在製造配設電路層與金屬層於陶瓷基板之兩側的功率模組用基板之後，經由藉由鋁層及銅層而固相擴散接合各功率模組用基板之金屬層與散熱片而製造。
對於成為電路層之銅板係如表1所示，使用OFC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：200MPa)或ZC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：270MPa)所成之平面尺寸為37mm×37mm之矩形板。對於成為金屬層之銅板係使用OFC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：200MPa)或ZC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：270MPa)所成之平面尺寸為37mm×37mm之矩形板。陶瓷基板係使用AlN(線膨脹率：4.5×10-6 /K)所成之厚度t6=0.635mm、平面尺寸40mm×40mm之矩形板。
對於各銅板與陶瓷基板之接合係使用Ag-Ti系活性金屬焊接材，層積銅板，活性金屬焊接材，陶瓷基板，以對於層積方向加壓荷重0.1MPa、加熱溫度850℃、加熱時間10分中進行加壓･加熱，各接合成對電路層之銅板與陶瓷基板，成為金屬層之銅板與陶瓷基板，而製造功率模組用基板。
對於成為鋁層之鋁板係使用4N-Al(線膨脹率：23.6×10-6 /K、耐力：28MPa)所成之平面尺寸為37mm×37mm之矩形板。對於成為銅層之銅板係使用OFC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：200MPa)所成之平面尺寸為37mm×37mm之矩形板。
表1之接合面積A1~A4係從各成為電路層，金屬層，鋁層，銅層之金屬板的平面尺寸算出的值，而使用此等的值而算出表2所示之比率S=[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]。
散熱片係使用由含浸Al-Si系合金於碳化矽(SiC)之鋁含浸碳化矽多孔質體(線膨脹率：8.5×10-6 /K)所成，作為全體的厚度t5=5.0mm、平面尺寸50mm×60mm之矩形板，表背面的被覆層之厚度t151則形成為100μm之構成。並且，依序層積此等之功率模組用基板，鋁板，銅板，散熱片，如表1所記載地，使用具有曲率半徑R之加壓面的加壓板，在真空環境中，以加壓荷重2.1MPa、加熱溫度510℃、加熱時間150分進行加壓･加熱，經由固相擴散接合而接合各層，而製造附有散熱片功率模組用基板。然而，曲率半徑R為「∞」之情況，表示加壓面為平面者。
將所得到之附有散熱片功率模組用基板之各試料的縱剖面，使用離子束剖面研磨(日本電子股份有限公司製SM-09010、離子加速電壓：5kV、加工時間：14小時、自遮蔽板的突出量：100μm)而進行離子蝕刻之後加以觀察。並且，測定形成於金屬層與鋁層之接合界面的擴散層之厚度，鋁層之厚度，形成於鋁層與銅層之接合界面之擴散層的厚度之3個。
鋁層與各擴散層之厚度係經由於金屬層，鋁層及銅層之接合界面的厚度方向，進行經由EPMA(日本電子股份有限公司製JXA-8530F、加速電壓：15kV、點徑：1μm以下、倍率：500倍、間隔：0.3μm)之線分析而加以測定。在線分析中，(1)將鋁(Al)濃度則成為90atm%以上之處作為鋁層，(2)將銅(Cu)濃度則成為99atm%以上之處作為銅層，(3)將鋁濃度不足90atm%，且銅(Cu)濃度則成為不足99atm%之處作為擴散層，而測定各厚度。並且，自所得到之鋁層的厚度，和形成於鋁層兩側之各擴散層的厚度，算出構成附有散熱片功率模組用基板之金屬層，銅層厚度。然而，擴散層之厚度係作為形成於金屬層與鋁層之接合界面的擴散層之厚度，和形成於鋁層與銅層之接合界面的擴散層之厚度的平均值。
對於附有散熱片功率模組用基板之各試料，各評估「變形量Z」、「陶瓷斷裂」、「元件位置偏移」。
變形量Z之測定係進行(1)280℃加熱時，(2)280℃加熱後冷卻至30℃時之測定。並且，將在各時點之散熱片下面(背面)之平面度的變化，經由依據JESD22-B112或JEITAED-7306之雲紋干涉術而測定。
雲紋干涉術係藉由以一定的間距，寬度所形成之繞射光柵，將測定光照射於測定面，再經由藉由繞射光柵，以攝影部而攝影在其測定面散射的散射光之時，得到雲紋干涉紋，依據其雲紋干涉紋與繞射光柵之間距或寬度等資訊而測定測定面的變形量之方法。然而，測定裝置係使用AkroMetrix公司製之Thermoire PS200。
在本實施例中，如圖7所示，將散熱片20與銅層32之接合面的中心位置C作為測定範圍E之中心，測定其測定範圍E(參照圖8A~圖8C)之散熱片的下面之變形量Z。另外，變形量Z係於電路層側，將凸的變形作為正，而於散熱片下面側，將凸的變形作為負。
測定範圍E係如圖7及圖8A所示地，為W：36mm×H：36mm之矩形狀的範圍，而此情況，測定範圍E之對角線的長度則成為最大長度L。另外，變形量Z係如圖8B或圖8C所示，在測定範圍E之對角線上之測定值的最大值與最小值的差。並且，自變形量Z與最大長度L，算出彎曲(Z/L2 )。
陶瓷斷裂係在上述加熱試驗後，經由超音波探傷器而觀察陶瓷基板，而如對於陶瓷基板產生有斷裂時，作為不合格，如未產生有斷裂時，判定為合格。另外，元件位置偏移係在將電子構件焊接於電路層之後，經由計測其焊接位置之時，製作30個試料而確認位置偏移發生之有無。並且，將產生有0.2mm以上之位置偏移的情況作為不合格，而不足0.2mm之位置偏移之情況係評估為合格。
並且，在對於各試料30個進行之各評估中，將合格的比率為90%以上之情況評估為「良」、而將合格比率不足90%之情況評估為「不良」。將結果示於表3。
Figure 02_image001
Figure 02_image003
Figure 02_image005
從表1~3了解到，對於厚度t1與厚度t2為0.1mm以上3.0mm以下、鋁層之厚度t3為3.0mm以下、銅層之厚度t4為0.1mm以上5.0mm以下，比率[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]則作為0.06以上0.7以下之範圍內的No.1~29之試料，係差分(Y-X)則成為-18.0× 10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下。並且，在此等No.1~29之試料中，在「陶瓷斷裂」，「元件位置偏移」之任何評估中均得到良好的結果。
另一方面，對於厚度t1與厚度t2、比率[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]、厚度3、厚度t4之條件則自上述範圍脫離之No.100~105之試料，或未設置銅層及鋁層之No.106之試料，係差分(Y-X)則自-18×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下的範圍脫離，彎曲的變化量變大，而確認到產生有「元件位置偏移」之試料，或產生有「陶瓷斷裂」之試料。 [產業上之利用可能性]
可抑制伴隨溫度變化之陶瓷基板的斷裂發生，而可提高對於功率循環或冷熱循環而言之信賴性。
10‧‧‧功率模組用基板11‧‧‧陶瓷基板12‧‧‧電路層13‧‧‧金屬層20‧‧‧散熱片21‧‧‧多孔質體22‧‧‧被覆層31‧‧‧鋁層32‧‧‧銅層33、34、35‧‧‧擴散層50‧‧‧加壓治具51、52‧‧‧加壓板101‧‧‧附有散熱片功率模組用基板201‧‧‧功率模組
圖1係顯示本發明之附有散熱片功率模組用基板之剖面圖。 　　圖2係圖1所示之附有散熱片功率模組用基板之斜視圖。 　　圖3係散熱片的要部剖面圖。 　　圖4係說明圖1所示之附有散熱片功率模組用基板之製造方法的一部分的圖，說明功率模組用基板之製造工程的剖面圖。 　　圖5係說明圖1所示之附有散熱片功率模組用基板之製造方法的一部分的圖，說明功率模組用基板與散熱片之接合工程的剖面圖。 　　圖6係金屬層與鋁層之接合界面的要部剖面圖。 　　圖7係說明彎曲之測定範圍的模式圖，附有散熱片功率模組用基板之散熱片的下面之平面圖。 　　圖8A係說明彎曲之測定方法的模式圖，顯示測定範圍的平面圖。 　　圖8B係在圖8A所示之測定範圍中，顯示彎曲為正時之測定範圍的對角線上之剖面圖。 　　圖8C係在圖8A所示之測定範圍中，顯示彎曲為負時之測定範圍的對角線上之剖面圖。
10‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
20‧‧‧散熱片
31‧‧‧鋁層
32‧‧‧銅層
33、34、35‧‧‧擴散層
80‧‧‧電子構件
101‧‧‧附有散熱片功率模組用基板
201‧‧‧功率模組
t1、t2、t3、t4、t5、t6、t133、t134、t135‧‧‧厚度

Claims (5)

  1. 一種附有散熱片功率模組用基板係具備：於陶瓷基板之一方的面，加以配設銅或銅合金所成之電路層，於前述陶瓷基板之另一方的面，加以配設銅或銅合金所成之金屬層的功率模組用基板， 　　和加以接合於前述金屬層之鋁所成的鋁層， 　　和加以接合於前述鋁層之銅或銅合金所成的銅層， 　　和加以接合於前述銅層，於碳化矽所成之多孔質體，加以含浸鋁或鋁合金之鋁含浸碳化矽多孔質體所成之散熱片； 　　於前述金屬層與前述鋁層之間，前述鋁層與前述銅層之間，前述銅層與前述鋁含浸碳化矽多孔質體之間，加以形成有具有鋁與銅之金屬間化合物的擴散層， 　　將前述電路層之耐力作為σ1(MPa)、前述電路層之厚度作為t1(mm)、前述電路層與前述陶瓷基板之接合面積作為A1(mm2 )，將前述金屬層之耐力作為σ2(MPa)、前述金屬層之厚度作為t2(mm)、前述金屬層與前述陶瓷基板之接合面積作為A2(mm2 )，將前述鋁層之耐力作為σ3(MPa)、前述鋁層之厚度作為t3(mm)、前述金屬層與前述鋁層之接合面積作為A3(mm2 )，將前述銅層之耐力作為σ4(MPa)、前述銅層之厚度作為t4(mm)、前述鋁層與前述銅層之接合面積作為A4(mm2 )時， 　　前述厚度t1則加以形成為0.1mm以上3.0mm以下， 　　前述厚度t2則加以形成為0.1mm以上3.0mm以下， 　　前述厚度t3則加以形成為3.0mm以下， 　　前述厚度t4則加以形成為0.1mm以上5.0mm以下，且比率[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]則作為0.06以上0.70以下之範圍內者。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之附有散熱片功率模組用基板，其中，在前述散熱片的下面中， 　　將前述散熱片與前述銅層之接合面的中心位置，作為測定範圍之中心，將該測定範圍之最大長度作為L(mm)，將在前述測定範圍的前述散熱片之變形量作為Z(mm)， 　　將加熱為285℃時之彎曲(Z/L2 )的值作為X， 　　將加熱為前述285℃之後冷卻至30℃時之彎曲(Z/L2 )的值作為Y時， 　　前述彎曲X與前述彎曲Y之差分(Y-X)則作為-18.0× 10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下者。
  3. 如申請專利範圍第1項記載之附有散熱片功率模組用基板，其中，前述電路層之厚度t1與前述金屬層之厚度t2之比率(t1/t2)則為0.75以上，不足1.25者。
  4. 如申請專利範圍第2項記載之附有散熱片功率模組用基板，其中，前述彎曲X則為-50×10-6 (mm-1 )以上50× 10-6 (mm-1 )以下，前述彎曲Y則為-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下者。
  5. 如申請專利範圍第1項記載之附有散熱片功率模組用基板，其中，前述鋁層之厚度t3則為0.01mm以上者。
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