[go: up one dir, main page]

WO2018163864A1 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板 - Google Patents

ヒートシンク付パワーモジュール用基板 Download PDF

Info

Publication number
WO2018163864A1
WO2018163864A1 PCT/JP2018/006745 JP2018006745W WO2018163864A1 WO 2018163864 A1 WO2018163864 A1 WO 2018163864A1 JP 2018006745 W JP2018006745 W JP 2018006745W WO 2018163864 A1 WO2018163864 A1 WO 2018163864A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
aluminum
copper
heat sink
thickness
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/006745
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
遼平 湯本
宗太郎 大井
Original Assignee
三菱マテリアル株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱マテリアル株式会社 filed Critical 三菱マテリアル株式会社
Priority to KR1020197024544A priority Critical patent/KR102434878B1/ko
Priority to US16/491,707 priority patent/US11302602B2/en
Priority to EP18764170.9A priority patent/EP3595001B1/en
Priority to CN201880015803.0A priority patent/CN110383468B/zh
Publication of WO2018163864A1 publication Critical patent/WO2018163864A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/142—Metallic substrates having insulating layers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0271—Arrangements for reducing stress or warp in rigid printed circuit boards, e.g. caused by loads, vibrations or differences in thermal expansion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the groups H01L21/18 - H01L21/326 or H10D48/04 - H10D48/07
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/13—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3733—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon having a heterogeneous or anisotropic structure, e.g. powder or fibres in a matrix, wire mesh, porous structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the groups H01L21/18 - H01L21/326 or H10D48/04 - H10D48/07
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
    • H01L21/4882—Assembly of heatsink parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/30—Technical effects
    • H01L2924/35—Mechanical effects
    • H01L2924/351—Thermal stress
    • H01L2924/3511—Warping
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/06—Thermal details
    • H05K2201/068—Thermal details wherein the coefficient of thermal expansion is important
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/0058—Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates
    • H05K3/0061—Laminating printed circuit boards onto other substrates, e.g. metallic substrates onto a metallic substrate, e.g. a heat sink

Definitions

  • the present invention relates to a power module substrate with a heat sink used in a semiconductor device that controls a large current and a high voltage.
  • a circuit layer made of copper or the like is formed on one surface of a ceramic substrate serving as an insulating layer, and the other surface of the ceramic substrate.
  • a metal layer made of copper or the like is formed, and a heat sink (heat radiating plate) made of aluminum, copper or the like is bonded to the surface of the metal layer opposite to the ceramic substrate.
  • a power module is manufactured by soldering (mounting) an electronic component such as a semiconductor element on the surface (upper surface) of the circuit layer of the power module substrate with a heat sink thus configured.
  • the heat sink made of aluminum or copper has a large difference in linear expansion from the power module substrate. For this reason, the board
  • the heat conductive grease intervening between the heat sink and the cooler will flow out due to the pump-out phenomenon. Property may be impaired and thermal resistance may increase. Furthermore, the ceramic substrate may be cracked by repeatedly warping the power module substrate with a heat sink in this manner.
  • a heat sink is formed of an aluminum-impregnated silicon carbide porous body having a low thermal expansion and a high thermal conductivity. Attempts have been made to reduce warpage due to linear expansion differences.
  • the aluminum-impregnated silicon carbide porous body is impregnated with aluminum (Al) or an aluminum alloy in a porous body mainly made of silicon carbide (SiC), and This is a composite of aluminum and silicon carbide in which a coating layer of aluminum or an aluminum alloy is formed on the surface of the porous body.
  • a heat sink is formed of an aluminum-impregnated silicon carbide porous body with low thermal expansion and high thermal conductivity, so that a difference in linear expansion between the power module substrate and the heat sink is achieved.
  • the warpage generated in the power module substrate with a heat sink was reduced.
  • it cannot be said that the amount of warpage generated in the power module substrate with a heat sink is sufficiently reduced, and further improvement is required.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a power module substrate with a heat sink that is highly reliable with respect to a power cycle and a thermal cycle.
  • a circuit layer made of copper or a copper alloy is arranged on one surface of the ceramic substrate, and a metal layer made of copper or a copper alloy is arranged on the other surface of the ceramic substrate.
  • a power module substrate, an aluminum layer made of aluminum joined to the metal layer, a copper layer made of copper or a copper alloy joined to the aluminum layer, and made of silicon carbide joined to the copper layer A heat sink made of an aluminum-impregnated silicon carbide porous body in which a porous body is impregnated with aluminum or an aluminum alloy, and between the metal layer and the aluminum layer, between the aluminum layer and the copper layer, A diffusion layer having an intermetallic compound of aluminum and copper is formed between the copper layer and the aluminum-impregnated silicon carbide porous body.
  • the thickness t1 is formed to be 0.1 mm to 3.0 mm
  • the thickness t2 is formed to 0.1 mm to 3.0 mm.
  • the thickness t3 is 3.0 mm or less
  • the thickness t4 is 0.1 mm or more and 5.0 mm or less
  • the ratio [( ⁇ 1 ⁇ t1 ⁇ A1) / ⁇ ( ⁇ 2 ⁇ t2 ⁇ A2) + ( ⁇ 3 ⁇ t3 ⁇ A3) + ( ⁇ 4 ⁇ t4 ⁇ A4) ⁇ ] is in the range of 0.06 to 0.70.
  • the aluminum-impregnated silicon carbide porous body forming the heat sink has a linear expansion coefficient close to that of the ceramic substrate, but has a slight difference in linear expansion coefficient. For this reason, when the power module substrate and the heat sink are bonded, warpage due to a difference in linear expansion coefficient occurs between the bonding surfaces of the ceramic substrate and the heat sink, which may cause a bonding failure between the power module substrate and the heat sink. .
  • an aluminum layer and a copper layer are provided between the power module substrate and the heat sink, a metal layer made of copper or a copper alloy, an aluminum layer made of aluminum, and copper or copper.
  • a copper layer made of an alloy and a heat sink made of an aluminum-impregnated porous silicon carbide body impregnated with aluminum or an aluminum alloy are sequentially laminated, and copper and aluminum are alternately laminated.
  • the layers bonded to each other are solid phase diffusion bonded via a diffusion layer having a metal atom in a member bonded to the surface thereof, that is, an intermetallic compound composed of copper and aluminum.
  • the power module substrate with a heat sink In the power module substrate with a heat sink according to the present invention, the power module substrate and the heat sink are bonded to each other by solid phase diffusion bonding through the aluminum layer and the copper layer, thereby firmly attaching the members to each other. It is joined. Further, each member is formed within a predetermined thickness range, and the relationship between the members is a ratio ([( ⁇ 1 ⁇ t1 ⁇ A1) / ⁇ ( ⁇ 2 ⁇ t2 ⁇ A2) + ( ⁇ 3 ⁇ t3 ⁇ A3) + ( ⁇ 4 Xt4 ⁇ A4) ⁇ ] within the range of 0.06 or more and 0.70 or less), the power module substrate with a heat sink can be manufactured without causing warpage when the power module substrate and the heat sink are joined. Is formed.
  • the aluminum layer can absorb the thermal stress caused by the thermal expansion and contraction difference between the power module substrate and the heat sink, The load during the cooling / heating cycle on the power module substrate can be reduced. Further, by disposing a copper layer having high rigidity and a linear expansion coefficient larger than that of the aluminum-impregnated silicon carbide porous body or ceramics, it is possible to reduce warpage caused by the difference in linear expansion between the ceramic substrate and the heat sink.
  • the thicknesses t1 to t4 of the circuit layer, metal layer, aluminum layer, and copper layer are the thickness excluding the diffusion layer. If the thickness t1 of the circuit layer and the thickness t2 of the metal layer are less than 0.1 mm, the bonding materials used for bonding the ceramic substrate and the circuit layer and the ceramic substrate and the metal layer may ooze out to the surface of the circuit layer during heating. If the thickness t1 and the thickness t2 exceed 3.0 mm, the ceramic substrate may be cracked when the power module substrate with a heat sink is heated, for example, when semiconductor elements are bonded.
  • the warpage of the power module substrate with a heat sink increases due to the increase (thickness) of the thickness t3. Further, the thermal resistance due to the increase in the thickness t3 is increased, and the cooling performance is lowered.
  • the thickness t4 of the copper layer is less than 0.1 mm, the effect of reducing the warp generated in the power module substrate with a heat sink due to the provision of the copper layer cannot be sufficiently exhibited.
  • the thickness t4 exceeds 5.0 mm, a large stress from the copper layer having high rigidity and high linear expansion coefficient is applied to the ceramic substrate. For example, when the semiconductor element is joined, the power module substrate with a heat sink is heated. In such a case, the ceramic substrate may be cracked.
  • the maximum length of the measurement range is set to L on the lower surface of the heat sink, with the center position of the joint surface between the heat sink and the copper layer being the center of the measurement range.
  • Mm the amount of deformation of the heat sink in the measurement range is Z (mm)
  • the value of warpage (Z / L 2 ) when heated to 285 ° C. is X, 30 ° C. after heating to 285 ° C.
  • the difference (Y ⁇ X) between the warpage X and the warpage Y is ⁇ 18.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 )
  • the value is 18.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or less.
  • the deformation amount Z is positive for convex deformation on the circuit layer side and negative for convex deformation on the heat sink lower surface side.
  • the difference (YX) between the warp X during heating at 285 ° C. and the warp Y when cooled from 285 ° C. to 30 ° C. after the heating is ⁇ 18.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or more 18.0
  • the change in warpage occurring at low temperatures (30 ° C.) and high temperatures (285 ° C.) is small.
  • warpage that occurs when soldering or wire bonding an electronic component to a circuit layer, or warpage that occurs when a power module is subjected to a cooling cycle is small. Improvement in workability in the manufacturing process and cracking of the ceramic substrate due to heating can be prevented.
  • a ratio (t1 / t2) between the thickness t1 of the circuit layer and the thickness t2 of the metal layer is preferably 0.75 or more and less than 1.25.
  • the thickness t1 of the circuit layer and the thickness t2 of the metal layer are substantially equal and the warp of the power module substrate hardly occurs, when the power module substrate and the heat sink are joined, the gap between the power module substrate and the heat sink is reduced.
  • an aluminum plate (aluminum layer) and a copper plate (copper layer) are interposed in each other, it is possible to suppress the formation of a gap between the layers and improve the bondability of the layers.
  • the warp X is -50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or more and 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or less
  • the warp Y is ⁇ It may be 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or more and 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or less.
  • warpage X and Y exceeds 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 )
  • use between heat sink and water-cooled cooler when power module board with heat sink is fastened to water-cooled cooler A large amount of grease is required, which may increase the thermal resistance.
  • the warpages X and Y are less than ⁇ 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 )
  • a load is applied to the ceramic substrate when the power module substrate with a heat sink is fastened to a water-cooled cooler, etc. There is a risk of cracking.
  • the thickness t3 of the aluminum layer is preferably 0.01 mm or more.
  • the thickness t3 of the aluminum layer is less than 0.01 mm, the bondability between the metal layer and the aluminum layer and between the aluminum layer and the copper layer may be reduced.
  • the substrate for a power module with a heat sink of the present invention it is possible to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate accompanying a temperature change, and it is possible to improve the reliability with respect to the power cycle and the cooling cycle.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the board
  • FIG. 8A shows a cross-sectional view on the diagonal line of the measurement range when warping is positive in the measurement range shown in FIG. 8A.
  • FIG. 8A shows a cross-sectional view on the diagonal line of the measurement range when warping is negative in the measurement range shown in FIG. 8A.
  • FIG. 1 the board
  • the power module substrate 101 with a heat sink is bonded to the power module substrate 10, the aluminum layer 31 bonded to the power module substrate 10, the copper layer 32 bonded to the aluminum layer 31, and the copper layer 32.
  • the power module substrate 101 with a heat sink includes aluminum between the metal layer 13 and the aluminum layer 31 of the power module substrate 10, between the aluminum layer 31 and the copper layer 32, and between the copper layer 32 and the heat sink 20. Diffusion layers 33, 34, and 35 having an intermetallic compound of copper and copper are formed, and the layers from the metal layer 13 to the heat sink 20 are joined via the diffusion layers 33, 34, and 35.
  • the ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13.
  • the ceramic substrate 11 is formed of a highly insulating ceramic such as AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (alumina), SiC (silicon carbide), and has a thickness t6 of 0. It is formed within the range of 32 mm or more and 1.0 mm or less.
  • the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate of copper or a copper alloy (preferably oxygen-free copper: OFC) to one surface of the ceramic substrate 11.
  • the thickness t1 (thickness of the copper plate) of the circuit layer 12 is formed within a range of 0.1 mm to 3.0 mm.
  • the circuit layer 12 has a predetermined circuit pattern formed by etching or the like.
  • the metal layer 13 is formed by bonding a copper plate of copper or a copper alloy (preferably oxygen-free copper: OFC) to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • the thickness t2 (thickness of the copper plate) of the metal layer 13 is formed within a range of 0.1 mm to 3.0 mm.
  • the power module substrate 10 is configured such that a circuit layer 12 and a metal layer 13 are disposed on both surfaces of a ceramic substrate 11.
  • the circuit layer 12 and the metal layer 13 The relationship may be adjusted so that the ratio (t1 / t2) is in the range of 0.75 or more and less than 1.25.
  • the thickness t1 of the circuit layer 12 and the thickness t2 of the metal layer 13 are substantially equal, and the circuit layer 12 and the metal layer 13 having the same thickness are bonded to both surfaces of the ceramic substrate 11. Hardly warps.
  • the bonding area A1 (mm 2) with the ceramic substrate 11 of each pattern shape. ) Is usually about 90% of the area A2 (mm 2 ) of bonding between the metal layer 13 and the ceramic substrate 11.
  • the aluminum layer 31 is formed by solid-phase diffusion bonding an aluminum plate or an aluminum alloy plate to the lower surface of the metal layer 13.
  • the metal layer 13 and the aluminum layer 31 are bonded by forming a diffusion layer 33 having an intermetallic compound composed of copper and aluminum by interdiffusion of copper atoms of the metal layer 13 and aluminum atoms of the aluminum layer 31.
  • the aluminum layer 31 is bonded to the entire lower surface of the metal layer 13, and the bonding area A3 (mm 2 ) between the aluminum layer 31 and the metal layer 13 is equal to the bonding area A2 (mm) between the metal layer 13 and the ceramic substrate 11. 2 ) and the same size.
  • a thickness t3 (mm) of the aluminum layer 31 is formed within a range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less. Further, the thickness t133 of the diffusion layer 33 is formed in the range of 2 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • Examples of the aluminum plate or aluminum alloy plate used for the aluminum layer 31 include an aluminum plate (2N-Al) having a purity of 99.9% by mass or more, an aluminum plate (4N-Al) having a purity of 99.99% by mass or more, an A3003 plate, and an A6063.
  • a board etc. can be used.
  • the thickness t3 of the aluminum layer 31 is a thickness excluding the thicknesses t133 and t134 of the diffusion layers 33 and 34, and does not include the thicknesses t133 and t134 of the diffusion layers 33 and 34.
  • the copper layer 32 is formed by solid-phase diffusion bonding a copper plate of copper or copper alloy to the lower surface of the aluminum layer 31.
  • the aluminum layer 31 and the copper layer 32 are bonded by forming a diffusion layer 34 having an intermetallic compound composed of copper and aluminum by interdiffusion of aluminum atoms in the aluminum layer 31 and copper atoms in the copper layer 32.
  • the copper layer 32 is bonded to the entire lower surface of the aluminum layer 31, and the bonding area A4 (mm 2 ) between the copper layer 32 and the aluminum layer 31 is equal to the bonding area A3 (mm between the aluminum layer 31 and the metal layer 13). and 2) it is the same size as the junction area A2 (mm 2) between the metal layer 13 and the ceramic substrate 11.
  • the thickness t4 (mm) of the copper layer 32 is formed within a range of 0.1 mm to 5.0 mm. Further, the thickness t134 of the diffusion layer 34 is formed in the range of 2 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less. The thickness t4 of the copper layer 32 is a thickness excluding the thicknesses t134 and t135 of the diffusion layers 34 and 35, and does not include the thicknesses t134 and t135 of the diffusion layers 34 and 35.
  • the proof stress of the circuit layer 12 is ⁇ 1 (MPa), the thickness of the circuit layer 12 is t1 (mm), and the bonding area between the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 is A1 (mm 2 ).
  • the proof stress of 13 is ⁇ 2 (MPa), the thickness of the metal layer 13 is t2 (mm), the bonding area between the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 is A2 (mm 2 ), and the proof stress of the aluminum layer 31 is ⁇ 3 (MPa),
  • the thickness of the aluminum layer 31 is t3 (mm), the bonding area between the metal layer 13 and the aluminum layer 31 is A3 (mm 2 ), the proof stress of the copper layer 32 is ⁇ 4 (MPa), and the thickness of the copper layer 32 is t4 (mm) )
  • the bonding area between the aluminum layer 31 and the copper layer 32 is A4 (mm 2 )
  • the relationship between the circuit layer 12, the metal layer 13, the aluminum layer 31, and the copper layer 32 is the ratio [( ⁇ 1 ⁇ t1 ⁇ A1)
  • the heat sink 20 is for cooling the power module substrate 10. As shown in FIG. 1, the heat sink 20 is bonded to the lower surface of the copper layer 32 by solid phase diffusion bonding. The heat sink 20 cools the heat transferred from the power module substrate 10 via the aluminum layer 31 and the copper layer 32. As shown in FIG. 3, the heat sink 20 is formed by impregnating a porous body 21 made of silicon carbide (SiC) with aluminum (Al) or an aluminum alloy and impregnating the surface of the porous body 21 with aluminum or aluminum. It consists of an aluminum impregnation silicon carbide porous body in which the alloy coating layer 22 is formed, and is formed in a flat plate shape.
  • pure aluminum such as aluminum (2N-Al) having a purity of 99% by mass or more, aluminum (4N-Al) having a purity of 99.99% by mass, or Al : 80% by mass or more and 99.99% by mass or less, Si: 0.01% by mass or more and 13.5% by mass or less, Mg: 0.03% by mass or more and 5.0% by mass or less, balance: aluminum alloy having a composition of impurities Can be used.
  • An aluminum alloy such as ADC12 or A356 can also be used.
  • the thickness t5 of the heat sink 20 can be 0.5 mm or more and 5.0 mm or less. As shown in FIG. 3, the thickness t5 of the heat sink 20 is a thickness including the thickness t151 of the coating layer 22 that covers both surfaces of the porous body 21. The thickness t151 per one side of the coating layer 22 is preferably 0.01 times or more and 0.1 times or less than the thickness t5 of the heat sink 20. Further, between the copper layer 32 and the heat sink 20, a diffusion layer 35 having an intermetallic compound composed of copper and aluminum is formed by mutual diffusion of copper atoms of the copper layer 32 and aluminum atoms of the heat sink 20. ing. The thickness t135 of the diffusion layer 35 is preferably formed within the range of 2 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less within the range of the thickness t151 of the coating layer 22.
  • the heat sink 20 in which the coating layer 22 is formed on the surface of the porous body 21 includes, for example, the porous body 21 placed in a mold provided with a predetermined gap around it, It is manufactured by press-fitting aluminum or aluminum alloy that has been heated and melted into a metal, and cooling in a pressurized state.
  • press-fitting aluminum or the like an aluminum alloy can be impregnated into the inside of the porous body 21 of silicon carbide having poor wettability with aluminum or the like, and further, aluminum is introduced into the gap around the porous body 21.
  • the covering layer 22 having a predetermined thickness can be formed on the surface of the porous body 21. Note that the thickness t151 of the coating layer 22 may be adjusted by cutting the coating layer 22 formed.
  • the ratio [( ⁇ 1 ⁇ t1 ⁇ A1) / ⁇ ( ⁇ 2 ⁇ t2 ⁇ A2) + ( ⁇ 3 ⁇ t3 ⁇ A3) + ( ⁇ 4 ⁇ t4 ⁇ A4) ⁇ ] 0.13.
  • the heat sink 20 is composed of Al-Si based alloy such as impregnated aluminum, the total thickness t5 is 5.0 mm, the thickness t151 of the coating layer 22 is about 100 ⁇ m, and the diffusion layers 33, 34, Each thickness t133 to 135 of 35 is set to about 25 ⁇ m.
  • the linear expansion coefficient of each member is 4.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K for the ceramic substrate 11 made of AlN, and 17.7 ⁇ 10 ⁇ 6 / K for the circuit layer 12, the metal layer 13, and the copper layer 32 made of OFC.
  • the aluminum layer 31 made of K, 4N—Al is 23.6 ⁇ 10 ⁇ 6 / K
  • the heat sink 20 made of an aluminum-impregnated porous silicon carbide impregnated with an Al—Si alloy is 8.5 ⁇ 10 ⁇ 6 / K. It is said.
  • An electronic component 80 such as a semiconductor element is mounted on the upper surface of the circuit layer 12 of the power module substrate 101 with a heat sink configured as described above, and the power module 201 is manufactured as shown in FIG.
  • the electronic component 80 is solder-bonded to the upper surface of the circuit layer 12 with a solder material such as Sn—Cu or Sn—Cu—Ni.
  • the thickness between the electronic component 80 and the circuit layer 12 is 50 ⁇ m.
  • a solder joint of about 200 ⁇ m is formed.
  • the copper plate to be the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 are joined to the copper plate to be the metal layer 13 and the ceramic substrate 11. Bonding of the copper plate to be the circuit layer 12 and the copper plate to be the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 is performed by a so-called active metal brazing method.
  • a copper plate to be the circuit layer 12 is laminated on the upper surface of the ceramic substrate 11 via an active metal brazing material (not shown) such as Ag-Cu-Ti and Ag-Ti, and also on the lower surface of the ceramic substrate 11.
  • a copper plate to be the metal layer 13 is laminated through the same active metal brazing material.
  • stacked these copper plates, an active metal brazing material, and the ceramic substrate 11 is heated in the state pressurized within the range of 0.1 MPa or more and 3.5 MPa or less in the lamination direction, as shown in FIG.
  • the power module substrate 10 is manufactured by bonding the copper plate to be the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11, and the copper plate to be the metal layer 13 and the ceramic substrate 11, respectively.
  • the heating conditions at this time are, for example, a heating temperature of 850 ° C. and a heating time of 10 minutes.
  • the heat sink 20 is bonded to the lower surface of the metal layer 13 of the power module substrate 10 via the aluminum layer 31 and the copper layer 32.
  • the power module substrate 10 and the heat sink 20 are joined with a pressure plate 51 having a convexly curved pressure surface 51a and a pressure plate 52 having a concavely curved pressure surface 52a.
  • the two pressing plates 51 and 52 are preferably formed with pressing surfaces 51a and 52a facing each other in a concave or convex surface having a curved surface with a curvature radius R of 3000 to 7000 mm. In this case, as shown in FIG.
  • the pressing surface 52a of the pressing plate 52 that presses the lower surface of the heat sink 20 in the stacking direction is formed as a concave surface
  • the upper surface of the power module substrate 10 (upper surface of the circuit layer 12) is stacked in the stacking direction.
  • the pressure surface 51a of the pressure plate 51 that pressurizes is formed as a convex surface.
  • the pressurization jig 50 is provided with urging means, such as a spring, which urges the pressurization plates 51 and 52 in the stacking direction to apply pressure. Note that flat plates may be used as the pressure plates 51 and 52.
  • the power module substrate 10 the aluminum plate serving as the aluminum layer 31, the copper plate serving as the copper layer 32, and the heat sink 20 are sequentially stacked. Arranged in a stacking direction. At this time, the laminated body in which these layers are stacked is pressed in the stacking direction (thickness direction) by the pressing surface 51a of the pressing plate 51 and the pressing surface 52a of the pressing plate 52, and protrudes with the lower surface of the heat sink 20 facing downward. It is held in a state where deformation (warping) is caused.
  • the lower surface of the metal layer 13 and the upper surface of the aluminum layer 31 of the power module substrate 10 By heating the laminate in a pressurized state by the pressing jig 50, the lower surface of the metal layer 13 and the upper surface of the aluminum layer 31 of the power module substrate 10, the lower surface of the aluminum layer 31 and the upper surface of the copper layer 32, The lower surface of the copper layer 32 and the upper surface of the heat sink 20 are joined together by solid phase diffusion bonding.
  • solid phase diffusion bonding is held in a vacuum atmosphere at a pressure load (pressing force) of 0.1 MPa to 3.5 MPa and a heating temperature of 450 ° C. to less than 548 ° C. for 5 minutes to 240 minutes.
  • a pressure load pressing force
  • the metal layer 13 and the aluminum layer 31, the aluminum layer 31 and the copper layer 32, and the copper layer 32 and the heat sink 20 are interdiffused between copper atoms and aluminum atoms.
  • Diffusion layers 33, 34, and 35 having an intermetallic compound are formed and bonded through these diffusion layers 33, 34, and 35.
  • each diffusion layer 33, 34, 35 increases according to joining time, and each diffusion layer 33, 34, 35 is formed in the comparable thickness.
  • the thickness of each diffusion layer 33, 34, 35 is formed in the range of 2 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the aluminum layer 31 and the metal layer 13 are joined by forming a diffusion layer 33 having an intermetallic compound of aluminum and copper by interdiffusion of aluminum atoms in the aluminum layer 31 and copper atoms in the metal layer 13.
  • the diffusion layer 33 has a configuration in which intermetallic compounds 41, 42, and 43 having a plurality of compositions are stacked along the interface according to the abundance ratio of aluminum atoms and copper atoms. That is, in the region on the aluminum layer 31 side of the diffusion layer 33, an intermetallic compound phase having a high aluminum atom content ratio and a high aluminum content is formed.
  • an intermetallic compound phase having a high copper atom content and a high copper content is formed.
  • three types of intermetallic compounds of the ⁇ phase 43, the ⁇ 2 phase 42, and the ⁇ 2 phase 41 are laminated in this order from the aluminum layer 31 side to the metal layer 13 side. It is configured.
  • the diffusion layer 33 is formed by laminating a ⁇ phase and a ⁇ 2 phase in order from the aluminum layer 31 side to the metal layer 13 side, and further comprising a ⁇ 2 phase, a ⁇ phase, and a ⁇ 2 phase.
  • a structure in which at least one phase is laminated may be used. The same applies to the diffusion layers 34 and 35.
  • the joined body of the power module substrate 10 and the heat sink 20 joined in this way is cooled to 30 ° C. in a state where the joined body is attached to the pressing jig 50, that is, in a pressurized state.
  • the joined body of the power module substrate 10 and the heat sink 20 is pressed in the thickness direction by the pressurizing jig 50, thereby causing a deformation such as a convex warp with the lower surface of the heat sink 20 facing downward. It is restrained by the state. For this reason, it seems that the shape of the joined body with cooling does not seem to change, but it is pressed against the stress and restrained in a state where it cannot be deformed as a warp during cooling. Arise. And after cooling to 30 degreeC, the pressurization by the pressurization jig 50 is released and the power module substrate 101 with a heat sink is manufactured.
  • the aluminum layer 31 and the copper layer 32 are laminated between the power module substrate 10 and the heat sink 20 formed flat in this manner, and the respective members are bonded by solid phase diffusion bonding.
  • the members can be brought into close contact with each other and firmly joined together, and the members are formed within a predetermined thickness range, and the relationship between the members is expressed as a ratio [( ⁇ 1 ⁇ t1 ⁇ A1) / ⁇ ( ⁇ 2 * T2 * A2) + ([sigma] 3 * t3 * A3) + ([sigma] 4 * t4 * A4) ⁇ ] is adjusted within a range of 0.06 or more and 0.70 or less to cause warping during bonding.
  • the power module substrate 101 with a heat sink is formed. Between the metal layer 13 and the aluminum layer 31 of the power module substrate 101 with a heat sink, between the aluminum layer 31 and the copper layer 32, between the copper layer 32 and the heat sink 20 (aluminum-impregnated silicon carbide porous body), The layers bonded to each other are bonded via diffusion layers 33, 34, and 35 having a metal atom in a member bonded to the surface thereof, that is, an intermetallic compound composed of copper and aluminum. .
  • a thermal expansion difference between the power module substrate 10 and the heat sink 20 is provided between the power module substrate 10 and the heat sink 20 by disposing an aluminum layer 31 having a high stress buffering effect.
  • the thermal stress resulting from this can be absorbed by the aluminum layer 31, and the load during the cooling cycle on the power module substrate 10 can be reduced.
  • the warp caused by the difference in linear expansion between the ceramic substrate 11 and the heat sink 20 is reduced by disposing a copper layer 32 having a high rigidity and a linear expansion coefficient larger than that of the aluminum-impregnated silicon carbide porous body or ceramics. it can.
  • the warp due to thermal expansion and contraction when the power module substrate 101 with a heat sink is heated in bonding of semiconductor elements or the like, generation of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed. Therefore, it is possible to form the power module substrate 101 with a heat sink having high reliability with respect to the power cycle and the cooling cycle.
  • the difference (Y ⁇ X) between these warpage X and warpage Y is ⁇ It is 18.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or more and 18.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or less, and the amount of change in warpage can be reduced at high temperatures (285 ° C.) and low temperatures (30 ° C.).
  • the deformation amount Z of the heat sink 20 is positive for convex deformation on the circuit layer side and negative for convex deformation on the lower surface side of the heat sink 20.
  • the power module substrate 101 with a heat sink has a warp (Z / L 2 ) value X of ⁇ 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or more and 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) when heated to 285 ° C.
  • the value Y of warpage (Z / L 2 ) when heated to 285 ° C. and then cooled to 30 ° C. is not less than ⁇ 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) and not less than 50 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1) )
  • the bonding materials used for bonding the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 are heated when the circuit layer 12 is heated. There is a risk of bleeding on the surface.
  • the thickness t1 and the thickness t2 exceed 3.0 mm, for example, when the power module substrate 101 with a heat sink is heated at the time of bonding a semiconductor element or the like, the ceramic substrate 11 may be cracked.
  • the thickness t3 of the aluminum layer 31 exceeds 3.0 mm, the warp of the power module substrate 101 with a heat sink increases, and the thermal resistance due to the increase in the thickness t3 increases, thereby reducing the cooling performance.
  • the thickness t3 of the aluminum layer 31 is 0.01 mm or more. If the thickness t3 is less than 0.01 mm, the bondability between the metal layer 13 and the aluminum layer 31 and between the aluminum layer 31 and the copper layer 32 may be reduced.
  • the thickness t4 of the copper layer 32 is less than 0.1 mm, the effect of reducing the warp generated in the power module substrate 101 with the heat sink by providing the copper layer 32 cannot be sufficiently exhibited.
  • the thickness t4 exceeds 5.0 mm, a large stress is applied to the ceramic substrate 11 from the copper layer 32 having a high rigidity and a high linear expansion coefficient. For example, when a semiconductor element is joined, a power module with a heat sink When the substrate 101 is heated, the ceramic substrate 11 may be cracked.
  • this invention is not limited to the thing 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.
  • the material of the circuit layer (yield strength ⁇ 1), the thickness t1 and the bonding area A1 of the circuit layer, the material of the metal layer (yield strength ⁇ 2), the thickness t2 and the bonding area A2 of the metal layer, and aluminum
  • the layer material (proof strength ⁇ 3), aluminum layer thickness t3 and bonding area A3, and copper layer material (proof strength ⁇ 4), copper layer thickness t4 and bonding area A4.
  • Samples of power module substrates with heat sinks were prepared by manufacturing a power module substrate having a circuit layer and a metal layer on both sides of a ceramic substrate, and then connecting the metal layer and heat sink of each power module substrate with an aluminum layer and It was manufactured by solid phase diffusion bonding through a copper layer.
  • the copper plate serving as the circuit layer has OFC (linear expansion coefficient: 17.7 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, proof stress: 200 MPa) and ZC (linear expansion coefficient: 17.7 ⁇ 10 ⁇ 6). / K, yield strength: 270 MPa), and a rectangular plate having a plane size of 37 mm ⁇ 37 mm was used.
  • the copper plate used as the metal layer is made of OFC (linear expansion coefficient: 17.7 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, yield strength: 200 MPa) or ZC (linear expansion coefficient: 17.7 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, yield strength: 270 MPa).
  • a rectangular plate having a plane size of 37 mm ⁇ 37 mm was used.
  • Ag-Ti based active metal brazing material is used for joining each copper plate and ceramic substrate, and a copper plate, active metal brazing material, and ceramic substrate are laminated, and a pressure load of 0.1 MPa, heating temperature of 850 ° C. is applied in the laminating direction.
  • the power module substrate was manufactured by pressurizing and heating in 10 minutes to join the copper plate and the ceramic substrate as the circuit layer, and the copper plate and the ceramic substrate as the metal layer, respectively.
  • a rectangular plate having a plane size of 37 mm ⁇ 37 mm made of 4N—Al (linear expansion coefficient: 23.6 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, yield strength: 28 MPa) was used as the aluminum plate to be the aluminum layer.
  • a rectangular plate having a plane size of 37 mm ⁇ 37 mm made of OFC (linear expansion coefficient: 17.7 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, yield strength 200 MPa) was used for the copper plate serving as the copper layer.
  • these power module substrates, aluminum plates, copper plates, and heat sinks are laminated in this order, and as shown in Table 1, using a pressure plate having a pressure surface with a radius of curvature R, in a vacuum atmosphere, a pressure load
  • a power module substrate with a heat sink was manufactured by applying pressure and heating at 2.1 MPa, a heating temperature of 510 ° C., and a heating time of 150 minutes, and bonding the layers by solid phase diffusion bonding.
  • the radius of curvature R is “ ⁇ ”
  • the pressing surface is a flat surface.
  • a cross section polisher (SM-09010, manufactured by JEOL Ltd., ion acceleration voltage: 5 kV, processing time: 14 hours, protrusion amount from shielding plate: 100 ⁇ m) is shown in a vertical section of each sample of the obtained power module substrate with heat sink. This was observed after ion etching using. Then, the thickness of the diffusion layer formed at the bonding interface between the metal layer and the aluminum layer, the thickness of the aluminum layer, and the thickness of the diffusion layer formed at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer are measured. did.
  • the thickness of the aluminum layer and each diffusion layer is EPMA (JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd., acceleration voltage: 15 kV, spot diameter: 1 ⁇ m or less, magnification in the thickness direction of the bonding interface of the metal layer, aluminum layer and copper layer. : 500 times, interval: 0.3 ⁇ m).
  • a location where the aluminum (Al) concentration is 90 atm% or more is an aluminum layer (2) a location where the copper (Cu) concentration is 99 atm% or more is a copper layer, and (3) the aluminum concentration is The thickness was measured by assuming that a portion having a copper (Cu) concentration of less than 90 atm% and a copper (Cu) concentration of less than 99 atm% was a diffusion layer.
  • substrate for power modules with a heat sink were computed from the thickness of the obtained aluminum layer, and the thickness of each diffusion layer formed in the both sides of the aluminum layer.
  • the thickness of the diffusion layer is the average value of the thickness of the diffusion layer formed at the bonding interface between the metal layer and the aluminum layer and the thickness of the diffusion layer formed at the bonding interface between the aluminum layer and the copper layer. .
  • the deformation amount Z was measured when (1) heated at 280 ° C. and (2) when cooled to 30 ° C. after heating at 280 ° C. Then, the change in flatness of the lower surface (back surface) of the heat sink at each time point was measured by the moire interferometry based on JESD22-B112 and JEITA ED-7306.
  • Moire interferometry irradiates measurement light onto a measurement surface through a diffraction grating formed with a constant pitch and width, and images the scattered light scattered on the measurement surface with an imaging unit through the diffraction grating.
  • moire interference fringes are obtained, and the amount of deformation of the measurement surface is measured based on information such as the moire interference fringes and the pitch and width of the diffraction grating.
  • Thermoire PS200 manufactured by AcroMetrix was used as a measuring device.
  • the lower surface of the heat sink in the measurement range E (see FIGS. 8A to 8C) with the center position C of the joint surface between the heat sink 20 and the copper layer 32 as the center of the measurement range E.
  • the amount of deformation Z was measured. Further, the deformation amount Z was positive for convex deformation on the circuit layer side and negative for convex deformation on the heat sink lower surface side.
  • the measurement range E is a rectangular range of W: 36 mm ⁇ H: 36 mm.
  • the length of the diagonal line of the measurement range E is the maximum length L.
  • the deformation amount Z is the difference between the maximum value and the minimum value of the measurement values on the diagonal line of the measurement range E, as shown in FIG. 8B or 8C.
  • the warpage (Z / L 2 ) was calculated from the deformation amount Z and the maximum length L.
  • the ceramic substrate was observed with an ultrasonic flaw detector after the heating test, and if a crack was generated in the ceramic substrate, the ceramic substrate was rejected, and if no crack was generated, it was determined to be acceptable.
  • the device position deviation was confirmed by manufacturing 30 samples by measuring the soldering position after soldering the electronic component to the circuit layer. And the case where the positional offset of 0.2 mm or more produced was made disqualified, and the positional offset of less than 0.2 mm was evaluated as the pass.
  • the thickness t1 and the thickness t2 are 0.1 mm to 3.0 mm
  • the aluminum layer thickness t3 is 3.0 mm or less
  • the copper layer thickness t4 is 0.1 mm to 5.0 mm.
  • the ratio [( ⁇ 1 ⁇ t1 ⁇ A1) / ⁇ ( ⁇ 2 ⁇ t2 ⁇ A2) + ( ⁇ 3 ⁇ t3 ⁇ A3) + ( ⁇ 4 ⁇ t4 ⁇ A4) ⁇ ] is in the range of 0.06 or more and 0.7 or less. No.
  • the difference (YX) was ⁇ 18.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or more and 18.0 ⁇ 10 ⁇ 6 (mm ⁇ 1 ) or less. And these No. In the samples 1 to 29, good results were obtained in any evaluation of “ceramics cracking” and “element position deviation”.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

セラミックス基板の両面に銅等からなる回路層と金属層とが配設されたパワーモジュール用基板と、アルミニウム層と、銅層と、アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクと、を備え、金属層とアルミニウム層との間、アルミニウム層と銅層との間、銅層とアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に、アルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層が形成されており、回路層の厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、金属層の厚みｔ２が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、厚みｔ３が３．０ｍｍ以下、厚みｔ４が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内とされる。

Description

ヒートシンク付パワーモジュール用基板
　本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。
　本願は、２０１７年３月７日に出願された特願２０１７‐４２５４４に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板として、例えば特許文献１又は特許文献２に記載されるように、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に銅等からなる回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面に銅等からなる金属層が形成され、この金属層のセラミックス基板とは反対側の面にアルミニウムや銅等からなるヒートシンク（放熱板）が接合された構成のものが知られている。このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層の表面（上面）に、半導体素子等の電子部品がはんだ付け（実装）されることにより、パワーモジュールが製造される。
　アルミニウムや銅からなるヒートシンクは、パワーモジュール用基板との線膨張差が大きい。このため、電子部品の実装工程で加熱されたり、パワーモジュールの使用環境における温度変化にさらされることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じる。例えば、電子部品の実装工程でヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じると、電子部品の位置ずれが発生したり、はんだ接合部に歪みやクラック等が生じて接合信頼性が損なわれたりするおそれがある。
　また、パワーモジュールの使用環境においてヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じると、ヒートシンクと冷却器との間に介在する熱導電性グリースがポンプアウト現象により流れ出すことにより、ヒートシンクと冷却器との密着性が損なわれ、熱抵抗の増加を招くことがある。さらには、このように繰り返してヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じることにより、セラミックス基板にクラックが生じるおそれがある。
　そこで、この種のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、アルミニウムや銅に替えて、低熱膨張で高熱伝導率のアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体によりヒートシンクを形成することにより、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの線膨張差に起因する反りを低減する試みがなされている。
　アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、特許文献３又は特許文献４に記載されるように、主に炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体中にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が含浸されるとともに、その多孔質体の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金の被覆層が形成された、アルミニウムと炭化珪素の複合体である。
特開平１０‐２７０５９６号公報 特開２０１６‐５１７７８号公報 特開２０１４‐１４３３５１号公報 特開２００３‐３０６７３０号公報
　特許文献３又は特許文献４に記載されるように、従前は、ヒートシンクを低熱膨張で高熱伝導率のアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により形成することで、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの線膨張差を小さくし、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りの低減を図っていた。しかし、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反り量の低減は十分とは言えず、さらなる改善が求められている。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することを目的とする。
　本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記金属層に接合されたアルミニウムからなるアルミニウム層と、前記アルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、前記銅層に接合され、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクと、を備え、前記金属層と前記アルミニウム層との間、前記アルミニウム層と前記銅層との間、前記銅層と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に、アルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層が形成されており、前記回路層の耐力をσ１（ＭＰａ）、前記回路層の厚みをｔ１（ｍｍ）、前記回路層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、前記金属層の耐力をσ２（ＭＰａ）、前記金属層の厚みをｔ２（ｍｍ）、前記金属層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とし、前記アルミニウム層の耐力をσ３（ＭＰａ）、前記アルミニウム層の厚みをｔ３（ｍｍ）、前記金属層と前記アルミニウム層との接合面積をＡ３（ｍｍ２）とし、前記銅層の耐力をσ４（ＭＰａ）、前記銅層の厚みをｔ４（ｍｍ）、前記アルミニウム層と前記銅層との接合面積をＡ４（ｍｍ２）としたときに、前記厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、前記厚みｔ２が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、前記厚みｔ３が３．０ｍｍ以下に形成され、前記厚みｔ４が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に形成されており、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内とされている。
　ヒートシンクを形成するアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、セラミックス基板に近い線膨張率を有しているが、わずかながら線膨張率に差がある。このため、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合時に、セラミックス基板とヒートシンクとの接合面間に線膨張率差に起因する反りが生じ、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合不良が生じるおそれがある。
　本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にアルミニウム層と銅層とを設け、銅又は銅合金からなる金属層と、アルミニウムからなるアルミニウム層と、銅又は銅合金からなる銅層と、アルミニウム又はアルミニウム合金が含浸して形成させたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクと、を順に積層し、銅とアルミニウムとを交互に積層した構造としている。これらの相互に接合された各層の間は、その表面に接合された部材中の金属原子、すなわち、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層を介して固相拡散接合されている。そして、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを固相拡散接合により、アルミニウム層と銅層とを介して接合することにより、各部材を互いに密着させて強固に接合している。また、各部材を所定の厚みの範囲内で形成し、各部材の関係を比率（［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内）に調整することにより、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合時の反りを生じさせることなくヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成されている。
　また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に、応力緩衝効果の高いアルミニウム層を配設することにより、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの熱伸縮差に起因する熱応力をアルミニウム層で吸収でき、パワーモジュール用基板に対する冷熱サイクル時の負荷を緩和できる。また、剛性が高く、かつ線膨張係数がアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体やセラミックスよりも大きな銅層を配設することにより、セラミックス基板とヒートシンクとの線膨張差に起因する反りを低減できる。このため、例えば半導体素子の接合等においてヒートシンク付パワーモジュール用基板を加熱した際の熱伸縮による反りを低減できるので、セラミックス基板の割れ（クラック）の発生を抑制できる。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成できる。
　なお、回路層、金属層、アルミニウム層及び銅層の各厚みｔ１～ｔ４は、拡散層を除いた厚みとされる。回路層の厚みｔ１及び金属層の厚みｔ２が０．１ｍｍ未満では、セラミックス基板と回路層、セラミックス基板と金属層のそれぞれの接合に用いた接合材が加熱時に回路層の表面に染み出すおそれがあり、厚みｔ１及び厚みｔ２が３．０ｍｍを超えると、例えば、半導体素子を接合する際など、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加熱した場合に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがある。
　アルミニウム層の厚みｔ３が３．０ｍｍを超えると、厚みｔ３を大きく（厚く）したことにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りが大きくなる。また、厚みｔ３を増したことによる熱抵抗が大きくなり、冷却性能を低下させる。
　銅層の厚みｔ４が０．１ｍｍ未満では、銅層を設けたことによるヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りの低減の効果を十分に発揮できない。厚みｔ４が５．０ｍｍを超えると、高剛性かつ高線膨張率である銅層からの大きな応力がセラミックス基板にかかるため、例えば、半導体素子を接合する際など、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加熱した場合に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがある。
　本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の好ましい実施態様として、前記ヒートシンクの下面において、前記ヒートシンクと前記銅層との接合面の中心位置を測定範囲の中心として、該測定範囲の最大長さをＬ（ｍｍ）とし、前記測定範囲における前記ヒートシンクの変形量をＺ（ｍｍ）とし、２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＸとし、前記２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＹとしたときに、前記反りＸと前記反りＹとの差分（Ｙ－Ｘ）が－１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以上１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以下とされる。ここで、変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正、ヒートシンク下面側に凸の変形を負とする。
　２８５℃加熱時における反りＸと、その加熱後に２８５℃から３０℃まで冷却したときの反りＹとの差分（Ｙ－Ｘ）が－１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以上１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以下とされるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、低温時（３０℃）と高温時（２８５℃）とに生じる反りの変化も小さい。このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、電子部品を回路層へはんだ付けやワイヤーボンディング等する際に生じる反りや、パワーモジュールの冷熱サイクル負荷時に生じる反りが小さいので、電子部品のはんだ付け等の製造工程における作業性の向上や、加熱によるセラミックス基板の割れを防止できる。
　本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の好ましい実施態様として、前記回路層の厚みｔ１と前記金属層の厚みｔ２との比率（ｔ１／ｔ２）が０．７５以上１．２５未満であるとよい。
　回路層の厚みｔ１と金属層の厚みｔ２とがほぼ等しく、パワーモジュール用基板の反りがほとんど生じないので、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にアルミニウム板（アルミニウム層）及び銅板（銅層）を介在させた際に、各層の間に隙間が生じることを抑制でき、各層の接合性を向上できる。
　本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の好ましい実施態様として、前記反りＸが－５０×１０－６（ｍｍ－１）以上５０×１０－６（ｍｍ－１）以下であり、前記反りＹが－５０×１０－６（ｍｍ－１）以上５０×１０－６（ｍｍ－１）以下であるとよい。
　反りＸ及びＹが、５０×１０－６（ｍｍ－１）を超える場合では、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を水冷式冷却器などに締結した際に、ヒートシンクと水冷式冷却器との間に使用するグリースの量が多く必要となり、熱抵抗が上昇するおそれがある。また、反りＸ及びＹが、－５０×１０－６（ｍｍ－１）未満となった場合、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を水冷式冷却器などに締結した際に、セラミックス基板に負荷がかかり、割れなどが生じるおそれがある。
　本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の好ましい実施態様として、前記アルミニウム層の厚みｔ３が０．０１ｍｍ以上であるとよい。
　アルミニウム層の厚みｔ３が０．０１ｍｍ未満であると、金属層とアルミニウム層、及びアルミニウム層と銅層、の接合性が低下するおそれがある。
　本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、温度変化に伴うセラミックス基板の割れの発生を抑制でき、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性を高めることができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の斜視図である。 ヒートシンクの要部断面図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の一部を説明する図であり、パワーモジュール用基板の製造工程を説明する断面図である。 図１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の一部を説明する図であり、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合工程を説明する断面図である。 金属層とアルミニウム層との接合界面の要部断面図である。 反りの測定範囲を説明する模式図であり、ヒートシンク付パワーモジュール用基板のヒートシンクの下面の平面図である。 反りの測定方法を説明する模式図であり、測定範囲の平面図を示す。 図８Ａに示す測定範囲において、反りが正のときの測定範囲の対角線上の断面図を示す。 図８Ａに示す測定範囲において、反りが負のときの測定範囲の対角線上の断面図を示す。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１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に接合されたアルミニウム層３１と、アルミニウム層３１に接合された銅層３２と、銅層３２に接合されたヒートシンク２０と、を備える。ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１は、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とアルミニウム層３１との間、アルミニウム層３１と銅層３２との間、銅層３２とヒートシンク２０との間に、それぞれアルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層３３，３４，３５が形成され、金属層１３からヒートシンク２０までの各層の間が拡散層３３，３４，３５を介して接合されている。
　セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものである。セラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム），Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素），Ａｌ２Ｏ３（アルミナ），ＳｉＣ（炭化珪素）等の絶縁性の高いセラミックスで形成され、厚みｔ６が０．３２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。
　回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金（好ましくは無酸素銅：ＯＦＣ）の銅板が接合されることにより形成されている。また、回路層１２の厚みｔ１（銅板の厚み）は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。回路層１２は、エッチング等により所定の回路パターンが形成されている。
　金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、銅又は銅合金（好ましくは無酸素銅：ＯＦＣ）の銅板が接合されることにより形成されている。金属層１３の厚みｔ２（銅板の厚み）は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。
　パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の両面に回路層１２及び金属層１３が配設された構成とされる。パワーモジュール用基板１０において、図１に示すように、回路層１２の厚みをｔ１（ｍｍ）とし、金属層１３の厚みをｔ２（ｍｍ）としたときに、回路層１２と金属層１３との関係が、比率（ｔ１／ｔ２）が０．７５以上１．２５未満の範囲内となるように調整されているとよい。この場合、回路層１２の厚みｔ１と金属層１３の厚みｔ２とがほぼ等しく、セラミックス基板１１の両面に等厚の回路層１２及び金属層１３が接合されているので、パワーモジュール用基板１０には反りがほとんど生じない。そのため、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０とを、後述するアルミニウム板（アルミニウム層３１）及び銅板（銅層３２）を介して接合する際に、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との間にアルミニウム板及び銅板を介在させた際に、各層の間に隙間が生じることを抑制でき、各層の接合性を向上させることができる。
　なお、回路層１２には回路パターンが形成されており、図２に示すように、複数に分割されたパターン形状を有する場合には、各パターン形状のセラミックス基板１１との接合面積Ａ１（ｍｍ２）は、通常は金属層１３のセラミックス基板１１との接合面積Ａ２（ｍｍ２）の９０％程度の面積とされる。
　アルミニウム層３１は、図１に示すように、金属層１３の下面に、アルミニウム板又はアルミニウム合金板が固相拡散接合されることにより形成されている。金属層１３とアルミニウム層３１とは、金属層１３の銅原子とアルミニウム層３１のアルミニウム原子とが相互拡散することにより、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層３３を形成して接合されている。アルミニウム層３１は、金属層１３の下面の全面に接合されており、アルミニウム層３１と金属層１３との接合面積Ａ３（ｍｍ２）は、金属層１３とセラミックス基板１１との接合面積Ａ２（ｍｍ２）と同じ大きさとされる。アルミニウム層３１の厚みｔ３（ｍｍ）が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。また、拡散層３３の厚みｔ１３３が２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に形成されている。
　アルミニウム層３１に用いるアルミニウム板又はアルミニウム合金板としては、純度９９．９質量％以上のアルミニウム板（２Ｎ‐Ａｌ）や純度９９．９９質量％以上のアルミニウム板（４Ｎ‐Ａｌ）、Ａ３００３板やＡ６０６３板等を用いることができる。アルミニウム層３１の厚みｔ３は、拡散層３３，３４の厚みｔ１３３，ｔ１３４を除いた厚みであり、拡散層３３，３４の厚みｔ１３３，ｔ１３４は含まれない。
　銅層３２は、アルミニウム層３１の下面に、銅又は銅合金の銅板が固相拡散接合されることにより形成されている。アルミニウム層３１と銅層３２とは、アルミニウム層３１のアルミニウム原子と銅層３２の銅原子とが相互拡散することにより、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層３４を形成して接合されている。銅層３２は、アルミニウム層３１の下面の全面に接合されており、銅層３２とアルミニウム層３１との接合面積Ａ４（ｍｍ２）は、アルミニウム層３１と金属層１３との接合面積Ａ３（ｍｍ２）と、金属層１３とセラミックス基板１１との接合面積Ａ２（ｍｍ２）と同じ大きさとされる。銅層３２の厚みｔ４（ｍｍ）が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。また、拡散層３４の厚みｔ１３４が２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に形成されている。銅層３２の厚みｔ４は、拡散層３４，３５の厚みｔ１３４，ｔ１３５を除いた厚みであり、拡散層３４，３５の厚みｔ１３４，ｔ１３５は含まれない。
　図１に示すように、回路層１２の耐力をσ１（ＭＰａ）、回路層１２の厚みをｔ１（ｍｍ）、回路層１２とセラミックス基板１１との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、金属層１３の耐力をσ２（ＭＰａ）、金属層１３の厚みをｔ２（ｍｍ）、金属層１３とセラミックス基板１１との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とし、アルミニウム層３１の耐力をσ３（ＭＰａ）、アルミニウム層３１の厚みをｔ３（ｍｍ）、金属層１３とアルミニウム層３１との接合面積をＡ３（ｍｍ２）とし、銅層３２の耐力をσ４（ＭＰａ）、銅層３２の厚みをｔ４（ｍｍ）、アルミニウム層３１と銅層３２との接合面積をＡ４（ｍｍ２）としたときに、回路層１２と金属層１３とアルミニウム層３１と銅層３２との関係が、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内となるように調整されている。このときの耐力σ１～σ４は、調質（識別）記号「Ｏ」の２５℃における耐力とされる。
　ヒートシンク２０は、パワーモジュール用基板１０を冷却するためのものである。ヒートシンク２０は、図１に示すように、銅層３２の下面に、固相拡散接合により接合されている。ヒートシンク２０は、パワーモジュール用基板１０からアルミニウム層３１及び銅層３２を介して伝達された熱を冷却する。ヒートシンク２０は、図３に示すように、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体２１にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が含浸され、多孔質体２１の表面に、内部に含浸されたアルミニウム又はアルミニウム合金の被覆層２２が形成されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなり、平板状に形成されている。
　ヒートシンク２０の多孔質体２１に含浸されるアルミニウムとしては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎ‐Ａｌ）や純度が９９．９９質量％のアルミニウム（４Ｎ‐Ａｌ）等の純アルミニウム、若しくは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、残部：不純物の組成を有するアルミニウム合金を用いることができる。また、ＡＤＣ１２やＡ３５６等のアルミニウム合金を用いることもできる。
　ヒートシンク２０の厚みｔ５は、０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とすることができる。ヒートシンク２０の厚みｔ５は、図３に示すように、多孔質体２１の両面を被覆する被覆層２２の厚みｔ１５１を含んだ厚みである。被覆層２２の片面当たりの厚みｔ１５１は、ヒートシンク２０の厚みｔ５の０．０１倍以上０．１倍以下とすることが好ましい。また、銅層３２とヒートシンク２０の間には、銅層３２の銅原子とヒートシンク２０のアルミニウム原子とが相互拡散することにより、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層３５が形成されている。この拡散層３５の厚さｔ１３５は、被覆層２２の厚みｔ１５１の範囲内で、２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に形成することが好ましい。
　多孔質体２１の表面に被覆層２２が形成されたヒートシンク２０は、例えば、多孔質体２１を、その周囲に所定の隙間を有するように設けられた型内に配置しておき、その型内に加熱溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金を圧入して、加圧された状態で冷却することにより製造される。このように、アルミニウム等を圧入することで、アルミニウム等との濡れ性が悪い炭化珪素の多孔質体２１の内部にアルミニウム合金を含浸させることができ、さらに多孔質体２１の周囲の隙間にアルミニウム等を充填して、多孔質体２１の表面に所定の厚みの被覆層２２を形成できる。なお、形成された被覆層２２を切削加工することにより、被覆層２２の厚みｔ１５１を調整してもよい。
　なお、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の好ましい組み合わせ例として、パワーモジュール用基板１０の各部材は、例えばセラミックス基板１１が厚みｔ６＝０．６３５ｍｍのＡｌＮ（窒化アルミニウム）、回路層１２が厚みｔ１＝０．３ｍｍのＯＦＣ（無酸素銅、耐力σ１：２００ＭＰａ）、金属層１３が厚みｔ２＝０．３ｍｍのＯＦＣ（無酸素銅、耐力σ２：２００ＭＰａ）により構成される。また、アルミニウム層３１が厚みｔ３＝０．２５ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ（いわゆる４Ｎアルミニウム、耐力σ３：２８ＭＰａ）、銅層３２が厚みｔ４＝２．０ｍｍのＯＦＣ（無酸素銅、耐力σ４：２００ＭＰａ）で構成される。それぞれの接合面積Ａ１～Ａ４が１３６９ｍｍ２の場合、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］＝０．１３となる。また、ヒートシンク２０は、含浸されるアルミニウム等がＡｌ‐Ｓｉ系合金で構成され、全体の厚みｔ５が５．０ｍｍで、被覆層２２の厚みｔ１５１が１００μｍ程度で構成され、拡散層３３，３４，３５の各厚みｔ１３３～１３５が２５μｍ程度とされる。
　なお、各部材の線膨張率は、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１が４．５×１０－６／Ｋ、ＯＦＣからなる回路層１２、金属層１３及び銅層３２が１７．７×１０－６／Ｋ、４Ｎ‐Ａｌからなるアルミニウム層３１が２３．６×１０－６／Ｋ、Ａｌ‐Ｓｉ系合金を含浸したアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンク２０が８．５×１０－６／Ｋとされる。
　このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の回路層１２の上面に半導体素子等の電子部品８０が搭載され、図１に示すように、パワーモジュール２０１が製造される。電子部品８０は、回路層１２の上面にＳｎ‐Ｃｕ、Ｓｎ‐Ｃｕ‐Ｎｉ等のはんだ材によりはんだ接合され、図示は省略するが、電子部品８０と回路層１２との間には、厚み５０μｍ～２００μｍ程度のはんだ接合部が形成される。
　以下、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の製造工程を説明する。
　まず、回路層１２となる銅板とセラミックス基板１１と、金属層１３となる銅板とセラミックス基板１１と、を接合する。回路層１２となる銅板及び金属層１３となる銅板と、セラミックス基板１１との接合は、いわゆる活性金属ろう付け法によって実施する。
　詳細には、セラミックス基板１１の上面にＡｇ‐Ｃｕ‐ＴｉやＡｇ‐Ｔｉ等の活性金属ろう材（図示略）を介して回路層１２となる銅板を積層するとともに、セラミックス基板１１の下面にも同様の活性金属ろう材を介して金属層１３となる銅板を積層する。そして、これらの銅板、活性金属ろう材、セラミックス基板１１を積層した積層体を、図４に示すように、その積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内で加圧した状態で加熱し、回路層１２となる銅板とセラミックス基板１１、金属層１３となる銅板とセラミックス基板１１をそれぞれ接合して、パワーモジュール用基板１０を製造する。この際の加熱条件は、例えば加熱温度が８５０℃、加熱時間が１０分とされる。
　次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面に、アルミニウム層３１及び銅層３２を介して、ヒートシンク２０を接合する。パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合には、図５に示すように、凸曲面状の加圧面５１ａを有する加圧板５１と、凹曲面状の加圧面５２ａを有する加圧板５２とを有する加圧治具５０を用いることが好ましい。二枚の加圧板５１，５２には、それぞれ対向する加圧面５１ａ，５２ａを、曲率半径Ｒが３０００ｍｍ～７０００ｍｍとされる曲面を有する凹面又は凸面に形成するとよい。この場合、図５に示すように、ヒートシンク２０の下面を積層方向に加圧する加圧板５２の加圧面５２ａが凹面で形成され、パワーモジュール用基板１０の上面（回路層１２の上面）を積層方向に加圧する加圧板５１の加圧面５１ａが凸面で形成されている。なお、図示は省略するが、加圧治具５０には、加圧板５１，５２を積層方向に付勢して加圧力を付与するばね等の付勢手段が備えられている。なお、加圧板５１，５２として、平板を用いることもできる。
　このように構成される加圧治具５０の加圧板５１と加圧板５２との間に、パワーモジュール用基板１０、アルミニウム層３１となるアルミニウム板、銅層３２となる銅板、ヒートシンク２０を順に重ねて配置し、これらを積層方向に挟んだ状態とする。この際、これらを重ねた積層体は、加圧板５１の加圧面５１ａと加圧板５２の加圧面５２ａとにより、積層方向（厚み方向）に加圧され、ヒートシンク２０の下面を下方に向けて凸状とする変形（反り）を生じさせた状態に保持される。この積層体を、加圧治具５０による加圧状態で加熱することにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面とアルミニウム層３１の上面、アルミニウム層３１の下面と銅層３２の上面、銅層３２の下面とヒートシンク２０の上面とを、それぞれ固相拡散接合により接合する。
　この場合、固相拡散接合は、真空雰囲気中で、加圧荷重（加圧力）０．１ＭＰａ～３．５ＭＰａ、加熱温度４５０℃以上５４８℃未満の加熱温度で、５分～２４０分保持することにより行う。これにより、金属層１３とアルミニウム層３１、アルミニウム層３１と銅層３２、銅層３２とヒートシンク２０とは、銅原子とアルミニウム原子とが相互拡散することにより、各層の間に銅とアルミニウムとの金属間化合物を有する拡散層３３，３４，３５が形成され、これらの拡散層３３，３４，３５を介して接合される。
　なお、各拡散層３３，３４，３５の厚みは、接合時間に応じて増加し、各拡散層３３，３４，３５が同程度の厚みに形成される。各拡散層３３，３４，３５の厚みは、２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に形成される。
　ここで、アルミニウム（アルミニウム層３１、ヒートシンク２０）と銅（金属層１３、銅層３２）との間における固相拡散接合について、アルミニウム層３１と金属層１３との接合を例として図６を参照して説明する。
　アルミニウム層３１と金属層１３とは、アルミニウム層３１のアルミニウム原子と金属層１３の銅原子とが相互拡散することにより、アルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層３３を形成して接合される。拡散層３３は、図６に示すように、アルミニウム原子と銅原子との存在比率に応じて複数の組成の金属間化合物４１，４２，４３が界面に沿って積層された構成とされている。つまり、拡散層３３のアルミニウム層３１側の領域では、アルミニウム原子の存在比率が高く、アルミニウムの含有量が多い金属間化合物相が形成される。一方、拡散層３３の金属層１３側の領域では、銅原子の存在比率が高く、銅の含有量が多い金属間化合物相が形成される。図６に示す例では、拡散層３３は、アルミニウム層３１側から金属層１３側に向けて、順にθ相４３、η２相４２、ζ２相４１の３種の金属間化合物が積層された構成とされている。
　なお、拡散層３３は、アルミニウム層３１側から金属層１３側に向けて順に、接合界面に沿って、θ相、η２相が積層され、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層された構造であってもよい。拡散層３４，３５においても、同様である。
　次に、このようにして接合されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合体を、加圧治具５０に取り付けた状態、つまり、加圧した状態で、３０℃まで冷却する。この場合、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合体は、加圧治具５０により厚み方向に加圧され、ヒートシンク２０の下面を下方に向けた凸状の反りとする変形を生じさせた状態で拘束されている。このため、冷却に伴う接合体の形状は見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧され、冷却時に反りとしての変形ができない状態に拘束されている結果、塑性変形が生じる。そして、３０℃まで冷却した後に、加圧治具５０による加圧を解放してヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を製造する。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、このように平坦に形成されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との間に、アルミニウム層３１と銅層３２とを積層して、各部材を固相拡散接合により接合することにより、各部材を互いに密着させて強固に接合できるとともに、各部材を所定の厚みの範囲内で形成し、各部材の関係を比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下となる範囲内に調整することにより、接合時の反りを生じさせることなくヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１が形成される。ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の金属層１３とアルミニウム層３１との間、アルミニウム層３１と銅層３２との間、銅層３２とヒートシンク２０（アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体）との間の、これらの相互に接合させた各層の間は、その表面に接合された部材中の金属原子、すなわち、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層３３，３４，３５を介して接合される。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との間に、応力緩衝効果の高いアルミニウム層３１を配設することにより、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との熱伸縮差に起因する熱応力をアルミニウム層３１で吸収でき、パワーモジュール用基板１０に対する冷熱サイクル時の負荷を緩和できる。また、剛性が高く、かつ線膨張係数がアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体やセラミックスよりも大きな銅層３２を配設することにより、セラミックス基板１１とヒートシンク２０との線膨張差に起因する反りを低減できる。例えば半導体素子の接合等において、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した際の熱伸縮による反りを低減できるので、セラミックス基板１１の割れ（クラック）の発生を抑制できる。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を形成できる。
　このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、ヒートシンク２０の下面（裏面）において、図７及び図８Ａ～図８Ｃに示すように、ヒートシンク２０と銅層３２との接合面の中心位置Ｃを測定範囲Ｅの中心として、その測定範囲Ｅの最大長さをＬとし、測定範囲Ｅにおけるヒートシンク２０の変形量をＺとし、２８５℃まで加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＸとし、２８０℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＹとしたときに、これらの反りＸと反りＹとの差分（Ｙ－Ｘ）が－１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以上１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以下となり、高温時（２８５℃）と低温時（３０℃）と反りの変化量を小さくできる。ここで、ヒートシンク２０の変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正、ヒートシンク２０の下面側に凸の変形を負とした。
　また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１は、２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘが－５０×１０－６（ｍｍ－１）以上５０×１０－６（ｍｍ－１）以下とされ、２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｙが－５０×１０－６（ｍｍ－１）以上５０×１０－６（ｍｍ－１）以下とされる。
　反りＸ及びＹが、５０×１０－６（ｍｍ－１）を超える場合では、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を水冷式冷却器などに締結した際に、ヒートシンク２０と水冷式冷却器との間に使用するグリースの量が多く必要となり、熱抵抗が上昇するおそれがある。また、反りＸ及びＹが、－５０×１０－６（ｍｍ－１）未満となった場合、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を水冷式冷却器などに締結した際に、セラミックス基板１１に負荷がかかり、割れなどが生じるおそれがある。
　なお、回路層の厚みｔ１及び金属層の厚みｔ２が０．１ｍｍ未満では、セラミックス基板１１と回路層１２、セラミックス基板１１と金属層１３のそれぞれの接合に用いた接合材が加熱時に回路層１２の表面にしみだすおそれがある。また、厚みｔ１及び厚みｔ２が３．０ｍｍを超えると、例えば、半導体素子を接合する際等にヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した場合に、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがある。
　また、アルミニウム層３１の厚みｔ３が３．０ｍｍを超えると、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の反りが大きくなるとともに、厚みｔ３を増したことによる熱抵抗が大きくなり、冷却性能を低下させる。なお、アルミニウム層３１の厚みｔ３は、０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。厚みｔ３が０．０１ｍｍ未満であると、金属層１３とアルミニウム層３１、及びアルミニウム層３１と銅層３２の、接合性が低下するおそれがある。
　また、銅層３２の厚みｔ４が０．１ｍｍ未満では、銅層３２を設けたことによるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１に生じる反りの低減の効果を十分に発揮できない。そして、厚みｔ４が５．０ｍｍを超えると、高剛性かつ高線膨張率である銅層３２からの大きな応力がセラミックス基板１１にかかるため、例えば、半導体素子を接合する際等にヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した場合に、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがある。
なお、本発明は、上記実施形態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。
　以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。表１に記載されるように、回路層の材質（耐力σ１）、回路層の厚みｔ１及び接合面積Ａ１と、金属層の材質（耐力σ２）、金属層の厚みｔ２及び接合面積Ａ２と、アルミニウム層の材質（耐力σ３）、アルミニウム層の厚みｔ３及び接合面積Ａ３と、銅層の材質（耐力σ４）、銅層の厚みｔ４及び接合面積Ａ４とを変更したヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。各ヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料は、セラミックス基板の両側に回路層と金属層とを配設したパワーモジュール用基板を製造した後、各パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをアルミニウム層及び銅層を介して固相拡散接合することにより、製造した。
　回路層となる銅板には、表１に示されるように、ＯＦＣ（線膨張率：１７．７×１０－６／Ｋ、耐力：２００ＭＰａ）やＺＣ（線膨張率：１７．７×１０－６／Ｋ、耐力：２７０ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。金属層となる銅板には、ＯＦＣ（線膨張率：１７．７×１０－６／Ｋ、耐力：２００ＭＰａ）やＺＣ（線膨張率：１７．７×１０－６／Ｋ、耐力：２７０ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。セラミックス基板は、ＡｌＮ（線膨張率：４．５×１０－６／Ｋ）からなる厚みｔ６＝０．６３５ｍｍ、平面サイズ４０ｍｍ×４０ｍｍの矩形板を用いた。
　各銅板とセラミックス基板との接合にはＡｇ‐Ｔｉ系活性金属ろう材を用い、銅板、活性金属ろう材、セラミックス基板を積層し、積層方向に加圧荷重０．１ＭＰａ、加熱温度８５０℃、加熱時間１０分で加圧・加熱して、回路層となる銅板とセラミックス基板、金属層となる銅板とセラミックス基板をそれぞれ接合して、パワーモジュール用基板を製造した。
　アルミニウム層となるアルミニウム板には、４Ｎ‐Ａｌ（線膨張率：２３．６×１０－６／Ｋ、耐力：２８ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。また、銅層となる銅板には、ＯＦＣ（線膨張率：１７．７×１０－６／Ｋ、耐力２００ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。
　表１の接合面積Ａ１～Ａ４は、それぞれ回路層、金属層、アルミニウム層、銅層となる金属板の平面サイズから算出した値であり、これらの値を用いて表２に示す比率Ｓ＝［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］を算出した。
　ヒートシンクは、炭化珪素（ＳｉＣ）にＡｌ‐Ｓｉ系合金を含浸したアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体（線膨張率：８．５×１０－６／Ｋ）からなり、全体の厚みｔ５＝５．０ｍｍ、平面サイズ５０ｍｍ×６０ｍｍの矩形板とされ、表裏面の被覆層の厚みｔ１５１が１００μｍに形成されたものを用いた。そして、これらのパワーモジュール用基板、アルミニウム板、銅板、ヒートシンクを順に積層し、表１に記載したように、曲率半径Ｒの加圧面を有する加圧板を用いて、真空雰囲気中で、加圧荷重２．１ＭＰａ、加熱温度５１０℃、加熱時間１５０分で加圧・加熱して、各層を固相拡散接合により接合して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。なお、曲率半径Ｒが「∞」の場合は、加圧面が平面であることを表す。
　得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板の各試料の縦断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ‐０９０１０、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍ）を用いてイオンエッチングした後に観察した。そして、金属層とアルミニウム層との接合界面に形成された拡散層の厚さ、アルミニウム層の厚さ、アルミニウム層と銅層との接合界面に形成された拡散層の厚さの３つを測定した。
　アルミニウム層と各拡散層の厚さは、金属層、アルミニウム層及び銅層の接合界面の厚さ方向にＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ‐８５３０Ｆ、加速電圧：１５ｋＶ、スポット径：１μｍ以下、倍率：５００倍、間隔：０．３μｍ）によるライン分析を行うことにより測定した。ライン分析において、（１）アルミニウム（Ａｌ）濃度が９０ａｔｍ％以上となる箇所をアルミニウム層とし、（２）銅（Ｃｕ）濃度が９９ａｔｍ％以上となる箇所を銅層とし、（３）アルミニウム濃度が９０ａｔｍ％未満で、かつ、銅（Ｃｕ）濃度が９９ａｔｍ％未満となる箇所を拡散層であるとし、それぞれの厚さを測定した。そして、得られたアルミニウム層の厚さと、アルミニウム層の両側に形成された各拡散層の厚さから、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成する金属層、銅層、厚みを算出した。なお、拡散層の厚みは、金属層とアルミニウム層との接合界面に形成された拡散層の厚みと、アルミニウム層と銅層との接合界面に形成された拡散層の厚みとの平均値とした。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板の各試料について、「変形量Ｚ」、「セラミックス割れ」、「素子位置ずれ」を、それぞれ評価した。
　変形量Ｚの測定は、（１）２８０℃加熱時、（２）２８０℃加熱後に３０℃まで冷却したとき、の測定を行った。そして、各時点におけるヒートシンク下面（裏面）の平面度の変化を、ＪＥＳＤ２２‐Ｂ１１２やＪＥＩＴＡ　ＥＤ－７３０６に準拠するモアレ干渉法により測定した。
　モアレ干渉法は、一定のピッチ、幅で形成された回折格子を介して測定光を測定面に照射し、その測定面で散乱した散乱光を回折格子を介して撮像部で撮像することにより、モアレ干渉縞を得て、そのモアレ干渉縞と回折格子のピッチや幅等の情報に基づいて、測定面の変形量を測定する方法である。なお、測定装置は、ＡｋｒｏＭｅｔｒｉｘ社製のＴｈｅｒｍｏｉｒｅ　ＰＳ２００を用いた。
　本実施例では、図７に示すように、ヒートシンク２０と銅層３２との接合面の中心位置Ｃを測定範囲Ｅの中心として、その測定範囲Ｅ（図８Ａ～図８Ｃ参照）におけるヒートシンクの下面の変形量Ｚを測定した。また、変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正とし、ヒートシンク下面側に凸の変形を負とした。
　測定範囲Ｅは、図７及び図８Ａに示すように、Ｗ：３６ｍｍ×Ｈ：３６ｍｍの矩形状の範囲であり、この場合、測定範囲Ｅの対角線の長さが最大長さＬとなる。また、変形量Ｚは、図８Ｂ又は図８Ｃに示すように、測定範囲Ｅの対角線上における測定値の最大値と最小値との差である。そして、変形量Ｚと最大長さＬから、反り（Ｚ／Ｌ２）を算出した。
　セラミックス割れは、上記加熱試験後に超音波探傷器によってセラミックス基板を観察し、セラミックス基板にクラックが生じていれば不合格とし、クラックが生じていなければ合格と判定した。また、素子位置ずれは、電子部品を回路層にはんだ付けした後に、そのはんだ付け位置を計測することにより、位置ずれ発生の有無を、試料を３０個製作して確認した。そして、０．２ｍｍ以上の位置ずれが生じた場合を不合格とし、０．２ｍｍ未満の位置ずれの場合は合格と評価した。
　そして、それぞれ試料３０個について行った各評価において、合格の比率が９０％以上の場合を「良」、合格の比率が９０％未満の場合を「不良」と評価した。表３に結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表１～３からわかるように、厚みｔ１と厚みｔ２が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、アルミニウム層の厚みｔ３が３．０ｍｍ以下、銅層の厚みｔ４が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下で、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７以下の範囲内とされるＮｏ．１～２９の試料については、差分（Ｙ－Ｘ）が－１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以上１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以下となった。そして、これらＮｏ．１～２９の試料においては、「セラミックス割れ」、「素子位置ずれ」のいずれの評価においても良好な結果が得られた。
　一方、厚みｔ１や厚みｔ２、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］、厚み３、厚みｔ４の条件が、上記範囲から外れるＮｏ．１００～１０５の試料や銅層及びアルミニウム層を設けなかったＮｏ．１０６の試料については、差分（Ｙ－Ｘ）が－１８×１０－６（ｍｍ－１）以上１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以下の範囲から外れ、反りの変化量が大きくなり、「素子位置ずれ」が発生した試料や、「セラミックス割れ」が発生した試料が確認された。
　温度変化に伴うセラミックス基板の割れの発生を抑制でき、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性を高めることができる。
１０　パワーモジュール用基板
１１　セラミックス基板
１２　回路層
１３　金属層
２０　ヒートシンク
２１　多孔質体
２２　被覆層
３１　アルミニウム層
３２　銅層
３３，３４，３５　拡散層
５０　加圧治具
５１，５２　加圧板
１０１　ヒートシンク付パワーモジュール用基板
２０１　パワーモジュール

Claims (5)

  1. セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、
    　前記金属層に接合されたアルミニウムからなるアルミニウム層と、
    　前記アルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、
    　前記銅層に接合され、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクと、を備え、
    　前記金属層と前記アルミニウム層との間、前記アルミニウム層と前記銅層との間、前記銅層と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に、アルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層が形成されており、
    　前記回路層の耐力をσ１（ＭＰａ）、前記回路層の厚みをｔ１（ｍｍ）、前記回路層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、前記金属層の耐力をσ２（ＭＰａ）、前記金属層の厚みをｔ２（ｍｍ）、前記金属層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とし、前記アルミニウム層の耐力をσ３（ＭＰａ）、前記アルミニウム層の厚みをｔ３（ｍｍ）、前記金属層と前記アルミニウム層との接合面積をＡ３（ｍｍ２）とし、前記銅層の耐力をσ４（ＭＰａ）、前記銅層の厚みをｔ４（ｍｍ）、前記アルミニウム層と前記銅層との接合面積をＡ４（ｍｍ２）としたときに、
    　前記厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、
    　前記厚みｔ２が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、
    　前記厚みｔ３が３．０ｍｍ以下に形成され、
    　前記厚みｔ４が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に形成されており、
    　比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  2. 　前記ヒートシンクの下面において、
    　前記ヒートシンクと前記銅層との接合面の中心位置を測定範囲の中心として、該測定範囲の最大長さをＬ（ｍｍ）とし、前記測定範囲における前記ヒートシンクの変形量をＺ（ｍｍ）とし、
    　２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＸとし、
    　前記２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＹとしたときに、
    　前記反りＸと前記反りＹとの差分（Ｙ－Ｘ）が－１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以上１８．０×１０－６（ｍｍ－１）以下とされることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  3. 　前記回路層の厚みｔ１と前記金属層の厚みｔ２との比率（ｔ１／ｔ２）が０．７５以上１．２５未満であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  4. 　前記反りＸが－５０×１０－６（ｍｍ－１）以上５０×１０－６（ｍｍ－１）以下であり、前記反りＹが－５０×１０－６（ｍｍ－１）以上５０×１０－６（ｍｍ－１）以下であることを特徴とする請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  5. 　前記アルミニウム層の厚みｔ３が０．０１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
PCT/JP2018/006745 2017-03-07 2018-02-23 ヒートシンク付パワーモジュール用基板 WO2018163864A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020197024544A KR102434878B1 (ko) 2017-03-07 2018-02-23 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
US16/491,707 US11302602B2 (en) 2017-03-07 2018-02-23 Power-module substrate with heat-sink
EP18764170.9A EP3595001B1 (en) 2017-03-07 2018-02-23 Substrate for power module having heat sink
CN201880015803.0A CN110383468B (zh) 2017-03-07 2018-02-23 带散热片的功率模块用基板

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-042544 2017-03-07
JP2017042544A JP6717238B2 (ja) 2017-03-07 2017-03-07 ヒートシンク付パワーモジュール用基板

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018163864A1 true WO2018163864A1 (ja) 2018-09-13

Family

ID=63448961

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/006745 WO2018163864A1 (ja) 2017-03-07 2018-02-23 ヒートシンク付パワーモジュール用基板

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11302602B2 (ja)
EP (1) EP3595001B1 (ja)
JP (1) JP6717238B2 (ja)
KR (1) KR102434878B1 (ja)
CN (1) CN110383468B (ja)
TW (1) TWI727146B (ja)
WO (1) WO2018163864A1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020158774A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
WO2020158775A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
JP2020123714A (ja) * 2019-06-05 2020-08-13 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
JP2020123713A (ja) * 2019-06-05 2020-08-13 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
CN113453491A (zh) * 2020-03-24 2021-09-28 大众汽车股份公司 用于制造用于电子构件的冷却体的方法
US11424217B2 (en) * 2019-08-01 2022-08-23 Infineon Technologies Ag Soldering a conductor to an aluminum layer

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7468342B2 (ja) * 2018-03-28 2024-04-16 大日本印刷株式会社 配線基板、および配線基板を製造する方法
JP7641120B2 (ja) * 2018-12-21 2025-03-06 日本発條株式会社 接合方法、接合体および流路付きプレート
CN114728857B (zh) * 2019-12-02 2023-03-17 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板、铜-陶瓷接合体的制造方法及绝缘电路基板的制造方法
JP7363583B2 (ja) * 2020-03-04 2023-10-18 三菱マテリアル株式会社 絶縁回路基板の製造方法
JP7428034B2 (ja) * 2020-03-23 2024-02-06 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法
CN111755413A (zh) * 2020-07-07 2020-10-09 深圳基本半导体有限公司 一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法
CN112151479B (zh) * 2020-11-24 2021-02-12 度亘激光技术（苏州）有限公司 器件用热沉、半导体器件及器件用热沉的制备方法
CN113068326B (zh) * 2021-03-29 2022-09-30 北京小米移动软件有限公司 一种焊接质量处理方法及装置、电路板
CN113658871B (zh) * 2021-06-27 2024-08-02 厦门芯光润泽科技有限公司 一种功率模块的制造方法
KR102802844B1 (ko) * 2022-02-14 2025-05-07 주식회사 아모그린텍 세라믹 기판 유닛 및 그 제조방법
WO2025142351A1 (ja) * 2023-12-26 2025-07-03 ローム株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10270596A (ja) 1997-03-26 1998-10-09 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付セラミック回路基板
JP2003306730A (ja) 2002-04-16 2003-10-31 Hitachi Metals Ltd Ａｌ−ＳｉＣ系複合体および放熱部品
JP2008147308A (ja) * 2006-12-07 2008-06-26 Hitachi Metals Ltd 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール
JP2014143351A (ja) 2013-01-25 2014-08-07 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
JP2015130430A (ja) * 2014-01-08 2015-07-16 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP2015216370A (ja) * 2014-04-25 2015-12-03 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP2016046356A (ja) * 2014-08-21 2016-04-04 三菱マテリアル株式会社 放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP2016051778A (ja) 2014-08-29 2016-04-11 Ｄｏｗａメタルテック株式会社 金属−セラミックス接合基板
JP2017042544A (ja) 2015-08-28 2017-03-02 シャープ株式会社 着座姿勢調整装置

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6033787A (en) * 1996-08-22 2000-03-07 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic circuit board with heat sink
JPH11354684A (ja) * 1998-06-09 1999-12-24 Nitto Denko Corp 低熱膨張配線基板および多層配線基板
EP2006895B1 (en) * 2006-03-08 2019-09-18 Kabushiki Kaisha Toshiba Electronic component module
JP4893096B2 (ja) 2006-05-01 2012-03-07 日立金属株式会社 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール
JP2009088330A (ja) * 2007-10-01 2009-04-23 Hitachi Metals Ltd 半導体モジュール
JP5120284B2 (ja) * 2009-02-04 2013-01-16 株式会社豊田自動織機 半導体装置
EP2265099B1 (en) * 2009-06-04 2013-11-27 Honda Motor Co., Ltd. Semiconductor device and method of manufacturing the same
CN102593009B (zh) * 2011-01-11 2016-02-17 三菱综合材料株式会社 电源模块用基板的制造方法、电源模块用基板和电源模块
JP5821389B2 (ja) * 2011-04-20 2015-11-24 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板
CN104067386B (zh) * 2012-02-01 2019-05-28 三菱综合材料株式会社 功率模块用基板的制造方法
JP6127540B2 (ja) * 2012-03-30 2017-05-17 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法
JP2014039062A (ja) * 2012-03-30 2014-02-27 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法
JP5752741B2 (ja) * 2012-09-26 2015-07-22 富士フイルム株式会社 多層基板および半導体パッケージ
JP6307832B2 (ja) * 2013-01-22 2018-04-11 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール
US9585241B2 (en) * 2013-09-24 2017-02-28 Infineon Technologies Ag Substrate, chip arrangement, and method for manufacturing the same
DE102013110815B3 (de) * 2013-09-30 2014-10-30 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungshalbleitereinrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Leistungshalbleitereinrichtung
EP3057125B1 (en) * 2013-10-10 2020-09-30 Mitsubishi Materials Corporation Substrate for heat sink-equipped power module, and production method for same
JP6384112B2 (ja) * 2014-04-25 2018-09-05 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
EP3166140B1 (en) * 2014-07-04 2020-06-03 Mitsubishi Materials Corporation Substrate unit for power modules, and power module
JP6357394B2 (ja) * 2014-09-30 2018-07-11 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
JP6417834B2 (ja) * 2014-10-02 2018-11-07 三菱マテリアル株式会社 冷却器付パワーモジュール用基板及び冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10270596A (ja) 1997-03-26 1998-10-09 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付セラミック回路基板
JP2003306730A (ja) 2002-04-16 2003-10-31 Hitachi Metals Ltd Ａｌ−ＳｉＣ系複合体および放熱部品
JP2008147308A (ja) * 2006-12-07 2008-06-26 Hitachi Metals Ltd 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール
JP2014143351A (ja) 2013-01-25 2014-08-07 Mitsubishi Materials Corp ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
JP2015130430A (ja) * 2014-01-08 2015-07-16 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP2015216370A (ja) * 2014-04-25 2015-12-03 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP2016046356A (ja) * 2014-08-21 2016-04-04 三菱マテリアル株式会社 放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP2016051778A (ja) 2014-08-29 2016-04-11 Ｄｏｗａメタルテック株式会社 金属−セラミックス接合基板
JP2017042544A (ja) 2015-08-28 2017-03-02 シャープ株式会社 着座姿勢調整装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3595001A4

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7116690B2 (ja) 2019-01-30 2022-08-10 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
WO2020158775A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
JP2020123638A (ja) * 2019-01-30 2020-08-13 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
JP2020123639A (ja) * 2019-01-30 2020-08-13 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
CN112997300A (zh) * 2019-01-30 2021-06-18 电化株式会社 散热构件及其制造方法
JP7116689B2 (ja) 2019-01-30 2022-08-10 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
WO2020158774A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
US12069837B2 (en) 2019-01-30 2024-08-20 Denka Company Limited Heat dissipation member and method of manufacturing the same
US12213286B2 (en) 2019-01-30 2025-01-28 Denka Company Limited Heat dissipation member and method of manufacturing the same
JP2020123714A (ja) * 2019-06-05 2020-08-13 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
JP2020123713A (ja) * 2019-06-05 2020-08-13 デンカ株式会社 放熱部材およびその製造方法
US11424217B2 (en) * 2019-08-01 2022-08-23 Infineon Technologies Ag Soldering a conductor to an aluminum layer
CN113453491A (zh) * 2020-03-24 2021-09-28 大众汽车股份公司 用于制造用于电子构件的冷却体的方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190121768A (ko) 2019-10-28
US11302602B2 (en) 2022-04-12
JP2018148065A (ja) 2018-09-20
US20210296204A1 (en) 2021-09-23
JP6717238B2 (ja) 2020-07-01
EP3595001B1 (en) 2022-09-21
EP3595001A4 (en) 2020-12-30
EP3595001A1 (en) 2020-01-15
TW201839934A (zh) 2018-11-01
CN110383468A (zh) 2019-10-25
KR102434878B1 (ko) 2022-08-19
CN110383468B (zh) 2023-04-28
TWI727146B (zh) 2021-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018163864A1 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板
KR102538201B1 (ko) 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판
JP4524716B2 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法、並びに、ヒートシンク付パワーモジュール、パワーモジュール用基板
KR101720921B1 (ko) 파워 모듈용 기판 유닛 및 파워 모듈
WO2015053316A1 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP6201827B2 (ja) 放熱板付パワーモジュール用基板の製造方法
KR20180066134A (ko) 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판 및 파워 모듈
KR20170044105A (ko) 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법
JP5786569B2 (ja) パワーモジュール用基板の製造方法
WO2019189329A1 (ja) ヒートシンク付き絶縁回路基板
KR20170046649A (ko) 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법
JP6638284B2 (ja) 放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP5141566B2 (ja) 絶縁回路基板の製造方法及び絶縁回路基板並びにパワーモジュール用基板
JP6303420B2 (ja) パワーモジュール用基板
JP6614256B2 (ja) 絶縁回路基板
WO2019188884A1 (ja) ヒートシンク付き絶縁回路基板
KR102363709B1 (ko) 구리/티탄/알루미늄 접합체, 절연 회로 기판, 히트싱크가 부착된 절연 회로 기판, 파워 모듈, led 모듈, 열전 모듈
JP2004327737A (ja) 複合基板及びその製造方法
CN117222608A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18764170

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20197024544

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018764170

Country of ref document: EP

Effective date: 20191007