CN110383468B - 带散热片的功率模块用基板 - Google Patents

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Abstract

本发明的带散热片的功率模块用基板具备：功率模块用基板，在陶瓷基板的两面配设有由铜等构成的电路层及金属层；铝层；铜层；及由铝浸渗的碳化硅多孔质构成的散热片，在金属层与铝层之间、铝层与铜层之间、铜层与铝浸渗的碳化硅多孔体之间，形成具有铝与铜的金属间化合物的扩散层，电路层的厚度t1为0.1mm以上且3.0mm以下，金属层的厚度t2为0.1mm以上且3.0mm以下，厚度t3为3.0mm以下，厚度t4为0.1mm以上且5.0mm以下，比例[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]设在0.06以上且0.70以下的范围内。

Description

带散热片的功率模块用基板
技术领域
本发明涉及一种使用于控制强电流、高电压的半导体装置的带散热片的功率模块用基板。
本申请主张基于2017年3月7日申请的日本专利申请2017-42544号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
作为带散热片的功率模块用基板，例如已知有如专利文献1或专利文献2记载的以下结构：在成为绝缘层的陶瓷基板的一个表面形成由铜等构成的电路层，而在陶瓷基板的另一个表面形成由铜等构成的金属层，在该金属层的与陶瓷基板相反一侧的表面接合了由铝或铜等构成的散热片(散热板)。在这种结构的带散热片的功率模块用基板的电路层的表面(上表面)，通过焊接(安装)半导体元件等电子部件而制造功率模块。
由铝或铜构成的散热片与功率模块用基板的线膨胀差较大。因此，带散热片的功率模块用基板通过在电子部件的安装工序中进行加热或暴露于功率模块的使用环境的温度变化而产生弯曲。例如，若在电子部件的安装工序中带散热片的功率模块用基板产生弯曲，则产生电子部件的位置偏移或焊锡接合部产生变形或裂纹等而导致接合可靠性受损等。
另外，若在功率模块的使用环境中带散热片的功率模块用基板产生弯曲，则夹在散热片与冷却器之间的热传导性润滑油通过泵出现象流出，从而散热片与冷却器的密合性受损，会导致热阻抗的增加。而且，通过如此反复而带散热片的功率模块用基板产生弯曲，会导致陶瓷基板产生裂纹。
因此，对这种带散热片的功率模块用基板，通过低热膨胀，高导热率的铝浸渗的碳化硅多孔体代替铝或铜来形成散热片，从而实现减少由功率模块用基板与散热片之间的线膨胀差引起的弯曲。
如专利文献3或专利文献4所记载，铝浸渗的碳化硅多孔体为铝与碳化硅的复合体，其在主要由碳化硅(SiC)构成的多孔体中浸渗有铝(Al)或铝合金的同时，在其多孔体表面形成了铝或铝合金的包覆层。
专利文献1：日本特开平10-270596号公报
专利文献2：日本特开2016-51778号公报
专利文献3：日本特开2014-143351号公报
专利文献4：日本特开2003-306730号公报
如专利文献3或专利文献4记载，以往通过低热膨胀，由高导热率的铝浸渗的碳化硅多孔体形成散热片，从而实现了缩小功率模块用基板与散热片的线膨胀差，减少产生于带散热片的功率模块用基板的弯曲。但减少产生于带散热片的功率模块用基板的弯曲量并不充分，而要求进一步的改善。
发明内容
本发明鉴于这种情况而完成，其目的在于提供一种对于功率循环或冷热循环的可靠性高的带散热片的功率模块用基板。
本发明的带散热片的功率模块用基板具备：功率模块用基板，在陶瓷基板的一个表面配设有由铜或铜合金构成的电路层，而在所述陶瓷基板的另一个表面配设有由铜或铜合金构成的金属层；铝层，接合于所述金属层，且由铝构成；铜层，由接合于所述铝层的铜或铜合金构成；及散热片，接合于所述铜层，由铝浸渗的碳化硅多孔体构成，所述铝浸渗的碳化硅多孔体在由碳化硅构成的多孔体中浸渗有铝或铝合金，在所述金属层与所述铝层之间、所述铝层与所述铜层之间、所述铜层与所述铝浸渗的碳化硅多孔体之间，形成具有铝与铜的金属间化合物的扩散层，将所述电路层的屈服强度设为σ1(MPa)、所述电路层的厚度设为t1(mm)、所述电路层与所述陶瓷基板的接合面积设为A1(mm2)，将所述金属层的屈服强度设为σ2(MPa)、所述金属层的厚度设为t2(mm)、将所述金属层与所述陶瓷基板的接合面积设为A2(mm2)，将所述铝层的屈服强度设为σ3(MPa)、所述铝层的厚度设为t3(mm)、所述金属层与所述铝层的接合面积设为A3(mm2)，将所述铜层的屈服强度设为σ4(MPa)、所述铜层的厚度设为t4(mm)、所述铝层与所述铜层的接合面积设为A4(mm2)时，所述厚度t1形成为0.1mm以上且3.0mm以下，所述厚度t2形成为0.1mm以上且3.0mm以下，所述厚度t3形成为3.0mm以下，所述厚度t4形成为0.1mm以上且5.0mm以下，而比例[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]设为在0.06以上且0.70以下的范围内。
形成散热片的铝浸渗的碳化硅多孔体具有接近陶瓷基板的线膨胀率，但稍微存在少许线膨胀率差。因此，功率模块用基板与散热片接合时，在陶瓷基板与散热片的接合面之间，产生由线膨胀率差引起的弯曲，会导致功率模块用基板与散热片产生接合不良。
在本发明的带散热片的功率模块用基板中，在功率模块用基板与散热片之间设置铝层与铜层，依次层叠由铜或铜合金构成的金属层、由铝构成的铝层、由铜或铜合金构成的铜层及由浸渗铝或铝合金而形成的铝浸渗的碳化硅多孔体构成的散热片，而设为交替层叠铜与铝的结构。将这些彼此接合的各层之间，通过具有接合于其表面的部件中的金属原子、即由铜与铝构成的金属间化合物的扩散层而固相扩散接合。并且，在本发明的带散热片的功率模块用基板中，将功率模块用基板与散热片进行固相扩散接合，由此通过接合铝层与铜层，使各部件彼此密合而牢固地接合。另外，将各部件形成在规定的厚度的范围内，将各部件的关系调整为比例[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]为0.06以上且0.70以下的范围内，从而功率模块用基板与散热片接合时不会产生弯曲，而形成带散热片的功率模块用基板。
另外，在功率模块用基板与散热片之间，配设应力缓冲效果高的铝层，从而可通过铝层吸收由功率模块用基板与散热片的热伸缩差引起的热应力，可缓解对于功率模块用基板的冷热循环时的负荷。另外，通过配设刚性高，且线膨胀系数大于铝浸渗的碳化硅多孔体或陶瓷的铜层，可减少由陶瓷基板与散热片的线膨胀差引起的弯曲。因此，可减少在例如半导体元件的接合等对带散热片的功率模块用基板进行加热时的热伸缩导致的弯曲，从而可抑制陶瓷基板的裂缝(裂纹)的发生。因此，可形成对于功率循环或冷热循环的可靠性高的带散热片的功率模块用基板。
另外，电路层、金属层、铝层及铜层的每个厚度t1～t4是不包括扩散层的厚度。当电路层的厚度t1及金属层的厚度t2小于0.1mm时，会导致分别使用于陶瓷基板与电路层的接合及陶瓷基板与金属层的接合的接合材料在加热时渗出到电路层表面，而当厚度t1及厚度t2超过3.0mm时，会导致在例如接合半导体元件时等对带散热片的功率模块用基板进行加热的情况下，陶瓷基板产生裂缝。
若铝层的厚度t3超过3.0mm，则通过加大(厚)厚度t3，带散热片的功率模块用基板的弯曲变大。另外，通过增加厚度t3而热阻抗变大，而使冷却性能下降。
当铜层的厚度t4小于0.1mm时，无法充分发挥通过设置铜层而减少带散热片的功率模块用基板产生弯曲的效果。若厚度t4超过5.0mm，则对陶瓷基板赋予来自高刚性且高线膨胀率的铜层的强应力，从而会导致在例如在接合半导体元件时等对带散热片的功率模块用基板进行加热的情况下，陶瓷基板产生裂缝。
作为本发明的带散热片的功率模块用基板的优选的实施方式，在所述散热片的下表面，将所述散热片与所述铜层的接合面的中心位置作为测定范围的中心，而将该测定范围的最大长度设为L(mm)，将在所述测定范围的所述散热片的变形量设为Z(mm)，将加热到285℃时的弯曲(Z/L2)的值设为X，将加热到所述285℃之后冷却至30℃时的弯曲(Z/L2)的值设为Y时，将所述弯曲X与所述弯曲Y的差值(Y-X)设为-18.0×10-6(mm-1)以上且18.0×10-6(mm-1)以下。其中，变形量Z在电路层侧，将凸的变形设为正，而在散热片下表面侧，将凸的变形设为负。
将加热到285℃时的弯曲X与在该加热之后自285℃冷却至30℃时的弯曲Y的差值(Y-X)设为-18.0×10-6(mm-1)以上且18.0×10-6(mm-1)以下的带散热片的功率模块用基板，在低温时(30℃)及高温时(285℃)所产生的弯曲的变化也小。在这种带散热片的功率模块用基板中，将电子部件通过进行焊接或引线键合等接合至电路层时所产生的弯曲、或功率模块在冷热循环负荷时所产生的弯曲较小，从而可改善在电子部件的焊接等制造工序的作业性，或可防止加热引起的陶瓷基板的裂缝。
作为本发明的带散热片的功率模块用基板的优选的实施方式，所述电路层的厚度t1与所述金属层的厚度t2之比(t1/t2)只要是0.75以上且小于1.25即可。
电路层的厚度t1与金属层的厚度t2大致相等，因功率模块用基板几乎不产生弯曲，从而接合功率模块用基板与散热片时，使铝板(铝层)及铜板(铜层)夹在功率模块用基板与散热片之间时，可抑制各层之间产生间隙，可改善各层的接合性。
作为本发明的带散热片的功率模块用基板的优选的实施方式，只要所述弯曲X为-50×10-6(mm-1)以上且50×10-6(mm-1)以下，而所述弯曲Y为-50×10-6(mm-1)以上且50×10-6(mm-1)以下即可。
在弯曲X及Y超过50×10-6(mm-1)的情况下，将带散热片的功率模块用基板固定在水冷式冷却器等时，会导致在散热片与水冷式冷却器之间需要使用大量的润滑油，而热阻抗上升。另外，在弯曲X及Y成为小于-50×10-6(mm-1)的情况下，将带散热片的功率模块用基板固定在水冷式冷却器等时，会导致负荷赋予到陶瓷基板，而产生裂缝等。
作为本发明的带散热片的功率模块用基板的优选的实施方式，只要所述铝层的厚度t3为0.01mm以上即可。
若铝层的厚度t3小于0.01mm，则会导致金属层与铝层、及铝层与铜层的接合性下降。
根据本发明的带散热片的功率模块用基板，可抑制伴随温度变化的陶瓷基板的裂缝的产生，可提高对于功率循环或冷热循环的可靠性。
附图说明
图1是表示本发明的带散热片的功率模块用基板的剖视图。
图2是图1所示的带散热片的功率模块用基板的立体图。
图3是散热片的主要部分剖视图。
图4是说明图1所示的带散热片的功率模块用基板的制造方法的一部分的图，是说明功率模块用基板的制造工序的剖视图。
图5是说明图1所示的带散热片的功率模块用基板的制造方法的一部分的图，是说明功率模块用基板与散热片接合工序的剖视图。
图6是金属层与铝层的接合界面的主要部分剖视图。
图7是说明弯曲的测定范围的示意图，是带散热片的功率模块用基板的散热片的下表面的俯视图。
图8A是说明弯曲的测定方法的示意图，表示测定范围的俯视图。
图8B是表示在图8A所示的测定范围，弯曲为正时的测定范围的对角线上的剖视图。
图8C是表示在图8A所示的测定范围，弯曲为负时的测定范围的对角线上的剖视图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式，参照附图的同时说明。在图1表示本实施方式的带散热片的功率模块用基板101。该带散热片的功率模块用基板101具备：功率模块用基板10、接合于功率模块用基板10的铝层31、接合于铝层31的铜层32及接合于铜层32的散热片20。带散热片的功率模块用基板101分别在功率模块用基板10的金属层13与铝层31之间、铝层31与铜层32之间、铜层32与散热片20之间、形成具有铝与铜的金属间化合物的扩散层33、扩散层34、扩散层35，从金属层13至散热片20的各层之间通过扩散层33、扩散层34、扩散层35而接合。
陶瓷基板11为防止电路层12与金属层13之间的电性连接的结构。陶瓷基板11由例如AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、AL2O3(氧化铝)、SiC(碳化硅)等绝缘性高的陶瓷形成，而厚度t6形成在0.32mm以上且1.0mm以下的范围内。
在陶瓷基板11的一个表面通过接合铜或铜合金(优选无氧铜：OFC)的铜板而形成电路层12。另外，电路层12的厚度t1(铜板的厚度)形成在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内。电路层12通过蚀刻等而形成规定的电路图案。
在陶瓷基板11的另一个表面通过接合铜或铜合金(优选无氧铜：OFC)的铜板而形成金属层13。金属层13的厚度t2(铜板的厚度)形成在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内。
功率模块用基板10为在陶瓷基板11的两面配设有电路层12及金属层13而构成。在功率模块用基板10中，如图1所示，将电路层12的厚度设为t1(mm)，金属层13的厚度设为t2(mm)时，只要将电路层12与金属层13的关系以比例(t1/t2)成为在0.75以上且小于1.25的范围内的方式进行调整即可。此时，因电路层12的厚度t1与金属层13的厚度t2大致相等，而在陶瓷基板11的两面接合了相同厚度的电路层12及金属层13，从而在功率模块用基板10几乎不产生弯曲。因此，通过后述的铝板(铝层31)及铜板(铜层32)而接合功率模块用基板10与散热片20时，使铝板及铜板夹在功率模块用基板10与散热片20之间时，可抑制各层之间产生间隙，并可改善各层的接合性。
另外，在电路层12形成了电路图案，如图2所示，在具有已分割成多部分的图案形状的情况下，通常将各图案形状的与陶瓷基板11的接合面积A1(mm2)设为金属层13的与陶瓷基板11的接合面积A2(mm2)的90％左右的面积。
如图1所示，通过在金属层13的下表面将铝板或铝合金板进行固相扩散接合形成铝层31。通过金属层13的铜原子与铝层31的铝原子相互扩散，形成具有由铜与铝构成的金属间化合物的扩散层33而接合金属层13与铝层31。铝层31接合于金属层13的下表面的整面，将铝层31与金属层13的接合面积A3(mm2)设为和金属层13与陶瓷基板11的接合面积A2(mm2)相同的大小。铝层31的厚度t3(mm)在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内。另外，扩散层33的厚度t133在2μm以上且50μm以下的范围内。
作为使用于铝层31的铝板或铝合金板，可使用纯度99.9质量％以上的铝板(2N-Al)、或纯度99.99质量％以上的铝板(4N-Al)、A3003板或A6063板等。铝层31的厚度t3是不包括扩散层33、扩散层34的厚度t133、厚度t134的厚度，而不含有扩散层33、扩散层34的厚度t133、厚度t134。
在铝层31的下表面，通过将铜或铜合金的铜板进行固相扩散接合而形成铜层32。通过铝层31的铝原子与铜层32的铜原子相互扩散，形成具有由铜与铝构成的金属间化合物的扩散层34而接合铝层31与铜层32。铜层32接合于铝层31的下表面的整面，将铜层32与铝层31的接合面积A4(mm2)设为和铝层31与金属层13的接合面积A3(mm2)、及金属层13与陶瓷基板11的接合面积A2(mm2)相同大小。铜层32的厚度t4(mm)形成在0.1mm以上且5.0mm以下的范围内。另外，扩散层34的厚度t134在2μm以上且50μm以下的范围内。铜层32的厚度t4是不包括扩散层34、扩散层35的厚度t134、厚度t135的厚度，而不含有扩散层34、扩散层35的厚度t134、厚度t135。
如图1所示，将电路层12的屈服强度设为σ1(MPa)、电路层12的厚度设为t1(mm)、将电路层12与陶瓷基板11的接合面积设为A1(mm2)，将金属层13的屈服强度设为σ2(MPa)、金属层13的厚度设为t2(mm)、将金属层13与陶瓷基板11的接合面积设为A2(mm2)，将铝层31的屈服强度设为σ3(MPa)、铝层31的厚度设为t3(mm)、将金属层13与铝层31的接合面积设为A3(mm2)，将铜层32的屈服强度设为σ4(MPa)、铜层32的厚度设为t4(mm)、将铝层31与铜层32的接合面积设为A4(mm2)时，对电路层12、金属层13、铝层31及铜层32的关系以比例[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]成为在0.06以上且0.70以下的范围内的方式进行调整。将此时的屈服强度σ1～σ4设为调质(质别)符号“O”的25℃的屈服强度。
散热片20是用于冷却功率模块用基板10的结构。如图1所示，散热片20通过固相扩散接合而接合于铜层32的下表面。散热片20冷却自功率模块用基板10通过铝层31及铜层32传递的热。如图3所示，散热片20由铝浸渗的碳化硅多孔体构成，并形成为平板状，所述铝浸渗的碳化硅多孔体在由碳化硅(SiC)构成的多孔体21中浸渗有铝(Al)或铝合金，在多孔体21的表面形成在内部浸渗有铝或铝合金的包覆层22。
作为浸渗于散热片20的多孔体21的铝可使用纯度99质量％以上的铝(2N-Al)或纯度99.99质量％的铝(4N-Al)等纯铝，或者具有如下组成的铝合金：Al：80质量％以上且99.99质量以下，Si：0.01质量％以上且13.5质量％以下，Mg：0.03质量％以上且5.0质量％以下，剩余部分：杂质。另外，也可使用ADC12或A356等铝合金。
可将散热片20的厚度t5设为0.5mm以上且5.0mm以下。如图3所示，散热片20的厚度t5包含包覆多孔体21两面的包覆层22的厚度t151的厚度。优选将包覆层22的每一单面的厚度t151设为散热片20的厚度t5的0.01倍以上且0.1倍以下。另外，在铜层32与散热片20之间通过铜层32的铜原子与散热片20的铝原子相互扩散，形成具有由铜与铝构成的金属间化合物的扩散层35。该扩散层35的厚度t135在包覆层22的厚度t151的范围内，优选形成在2μm以上且50μm以下的范围内。
关于在多孔体21的表面形成有包覆层22的散热片20，例如通过如下方法制造：将多孔体21配置于以在其周围具有规定间隙的方式设置的模型内，将加热熔融的铝或铝合金压入到该模型内，并以加压的状态进行冷却。如此，通过将铝等进行压入，可在与铝等的润湿性差的碳化硅的多孔体21内部浸渗铝合金，而且在多孔体21的周围间隙填充铝等，可在多孔体21表面形成规定厚度的包覆层22。另外，也可以通过对所形成的包覆层22进行切削加工，调整包覆层22的厚度t151。
另外，作为本实施方式的带散热片的功率模块用基板101的优选组合例，功率模块用基板10的各部件例如，通过以下构成：陶瓷基板11为厚度t6＝0.635mm的AlN(氮化铝)，电路层12为厚度t1＝0.3mm的OFC(无氧铜，屈服强度σ1：200MPa)，金属层13为厚度t2＝0.3mm的OFC(无氧铜，屈服强度σ2：200MPa)。另外，铝层31以厚度t3＝0.25mm的4N-Al(所谓4N铝，屈服强度σ3：28MPa)构成，铜层32以厚度t4＝2.0mm的OFC(无氧铜，屈服强度σ4：200MPa)构成。在各接合面积A1～A4为1369mm2的情况下，比例成为[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]＝0.13。另外，散热片20的结构为：所浸渗的铝等由Al-Si系合金组成，整体的厚度t5为5.0mm，包覆层22的厚度t151为100μm左右，将扩散层33、扩散层34、扩散层35的各厚度t133～135设为25μm左右。
另外，各部件的线膨胀率如下：将由AlN构成的陶瓷基板11设为4.5×10-6/K，将由OFC构成的电路层12，金属层13及铜层32设为17.7×10-6/K，将由4N-Al构成的铝层31设为23.6×10-6/K，将由浸渗有Al-Si系合金的铝浸渗的碳化硅多孔体构成的散热片20设为8.5×10-6/K。
在这种结构的带散热片的功率模块用基板101的电路层12的上表面搭载了半导体元件等电子部件80，如图1所示，制造功率模块201。电子部件80通过Sn-Cu，Sn-Cu-Ni等焊锡材料而焊锡接合于电路层12的上表面，虽省略图示，但在电子部件80与电路层12之间形成厚度50μm～200μm左右的焊锡接合部。
以下，说明本实施方式的带散热片的功率模块用基板101的制造工序。
首先，接合成为电路层12的铜板与陶瓷基板11，并接合成为金属层13的铜板与陶瓷基板11。通过所谓活性金属焊接法来实施接合成为电路层12的铜板及成为金属层13的铜板与陶瓷基板11。
详细而言，在陶瓷基板11的上表面，通过Ag-Cu-Ti或Ag-Ti等活性金属焊接材料(未图示)而层叠成为电路层12的铜板的同时，在陶瓷基板11的下表面，也通过同样的活性金属焊接材料而层叠成为金属层13的铜板。并且，将层叠了这些铜板、活性金属焊接材料、陶瓷基板11的层叠体，如图4所示，在其层叠方向，以在0.1MPa以上且3.5MPa以下的范围内进行加压的状态进行加热，分别接合成为电路层12的铜板与陶瓷基板11，以及成为金属层13的铜板与陶瓷基板11而制造功率模块用基板10。此时的加热条件例如，将加热温度设为850℃，加热时间设为10分钟。
接着，在功率模块用基板10的金属层13的下表面，通过铝层31及铜层32而接合散热片20。对于功率模块用基板10与散热片20的接合，如图5所示，优选使用具有加压板51和加压板52的加压夹具50，所述加压板51具有凸曲面状的加压面51a，及所述加压板52具有凹曲面状的加压面52a。对于两片加压板51、加压板52，将分别对置的加压面51a、加压面52a形成为具有曲率半径R设为3000mm～7000mm的曲面的凹面或凸面。此时，如图5所示，在层叠方向对散热片20的下表面进行加压的加压板52的加压面52a以凹面形成，而在层叠方向对功率模块用基板10的上表面(电路层12的上表面)进行加压的加压板51的加压面51a以凸面形成。另外，虽省略图示，但加压夹具50具备在层叠方向驱使加压板51、加压板52而赋予加压力的弹簧等驱使机构。另外，作为加压板51、加压板52，也可使用平板。
在这种结构的加压夹具50的加压板51与加压板52之间，依次重叠配置功率模块用基板10，成为铝层31的铝板，成为铜层32的铜板，散热片20，将这些设成沿层叠方向夹持的状态。此时，已将这些进行重叠的层叠体，通过加压板51的加压面51a与加压板52的加压面52a，在层叠方向(厚度方向)加压，而保持在使散热片20的下表面朝向下方而产生设为凸状的变形(弯曲)的状态。以基于加压夹具50的加压状态而加热该层叠体，从而通过固相扩散接合，分别将功率模块用基板10的金属层13的下表面与铝层13的上表面、铝层31的下表面与铜层32的上表面、铜层32的下表面与散热片20的上表面进行接合。
此时，在真空环境中，通过以加压荷重(加压力)0.1MPa～3.5MPa，在加热温度为450℃以上且小于548℃的加热温度下，保持5分钟～240分钟而进行固相扩散接合。如此，通过铜原子与铝原子相互扩散，在各层之间形成具有铜与铝的金属间化合物的扩散层33、扩散层34、扩散层35，而通过这些扩散层33、扩散层34、扩散层35而接合金属层13与铝层31、铝层31与铜层32、铜层32与散热片20。
另外，各扩散层33、扩散层34、扩散层35的厚度根据接合时间增加，各扩散层33、扩散层34、扩散层35形成为相同程度的厚度。各扩散层33、扩散层34、扩散层35的厚度形成在2μm以上且50μm以下的范围内。
其中，对于在铝(铝层31，散热片20)与铜(金属层13、铜层32)之间的固相扩散接合，将铝层31与金属层13的接合作为例，参照图6进行说明。
通过铝层31的铝原子与金属层13的铜原子相互扩散，形成具有铝与铜的金属间化合物的扩散层33而接合铝层31与金属层13。如图6所示，扩散层33的结构设为如下：根据铝原子与铜原子的存在比例，多种组成的金属间化合物41、金属间化合物42、金属间化合物43沿着界面层叠。即，在扩散层33的铝层31侧的区域，铝原子的存在比例高，而形成铝的含量多的金属间化合物相。另一方面，在扩散层33的金属层13侧的区域，铜原子的存在比例高，而形成铜的含量多的金属间化合物相。在图6所示的例中，将扩散层33的结构设为从铝层31侧朝向金属层13侧，依次层叠θ相43、η2相42、ζ2相41这3种金属间化合物。
另外，扩散层33可以是以下结构：从铝层31侧朝向金属层13侧，沿着接合界面，依次层叠θ相、η2相，进一步层叠ζ2相、δ相及γ2相中的至少一个相。扩散层34、扩散层35的结构也相同。
接着，以安装于加压夹具50的状态，即加压的状态，将以这种方式接合的功率模块用基板10与散热片20的接合体冷却至30℃。此时，功率模块用基板10与散热片20的接合体通过加压夹具50在厚度方向加压，并约束在使散热片20的下表面朝向下方而产生设为凸状的弯曲的变形的状态。因此，伴随冷却的接合体的形状表面上看似没有变化，但抵抗应力而加压，约束在冷却时无法产生弯曲的变形的状态，其结果，产生塑性变形。并且，在冷却至30℃之后，解放通过加压夹具50的加压而制造带散热片的功率模块用基板101。
带散热片的功率模块用基板101中，在以这种方式形成平坦状的功率模块用基板10与散热片20之间，层叠铝层31与铜层32，通过固相扩散接合而接合各部件，从而可使各部件彼此密合而牢固地接合的同时，在规定的厚度范围内形成各部件，将各部件的关系调整为比例[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]成为0.06以上且0.70以下的范围内，从而接合时不会产生弯曲而形成带散热片的功率模块用基板101。在带散热片的功率模块用基板101的金属层13与铝层31之间、铝层31与铜层32之间、铜层32与散热片20(铝浸渗的碳化硅多孔体)之间，即将这些相互接合的各层之间通过具有接合于其表面的部件中的金属原子、即由铜与铝构成的金属间化合物的扩散层33、扩散层34、扩散层35而接合。
带散热片的功率模块用基板101中，在功率模块用基板10与散热片20之间，通过配设应力缓冲效果高的铝层31，可通过铝层31吸收由功率模块用基板10与散热片20的热伸缩差引起的热应力，并可缓解对功率模块用基板10的冷热循环时的负荷。另外，通过配设刚性高且线膨胀系数大于铝浸渗的碳化硅多孔体及陶瓷的铜层32，可减少由陶瓷基板11与散热片20的线膨胀差引起的弯曲。可减少例如在半导体元件的接合等对带散热片的功率模块用基板101进行加热时的热伸缩导致的弯曲，从而可抑制陶瓷基板11的裂缝(裂纹)的发生。因此，可形成对于功率循环或冷热循环的可靠性高的带散热片的功率模块用基板101。
这种带散热片的功率模块用基板101中，在散热片20的下表面(背面)，如图7及图8A～图8C所示，将散热片20与铜层32的接合面的中心位置C设为测定范围E的中心，而将其测定范围E的最大长度设为L，将在测定范围E的散热片20的变形量设为Z，将加热到285℃时的弯曲(Z/L2)的值设为X，将加热到285℃之后冷却至30℃时的弯曲(Z/L2)的值设为Y时，这些弯曲X与弯曲Y的差值(Y-X)成为-18.0×10-6(mm-1)以上且18.0×10-6(mm-1)以下，可减少在高温时(285℃)和低温时(30℃)的弯曲的变化量。其中，散热片20的变形量Z在电路层侧，将凸的变形设为正，而在散热片20下表面侧，将凸的变形设为负。
另外，将带散热片的功率模块用基板101加热到285℃时的弯曲(Z/L2)的值X设为-50×10-6(mm-1)以上且50×10-6(mm-1)以下，而将加热到285℃之后冷却至30℃而的弯曲(Z/L2)的值Y设为-50×10-6(mm-1)以上且50×10-6(mm-1)以下。
在弯曲X及Y超过50×10-6(mm-1)的情况下，将带散热片的功率模块用基板101固定在水冷式冷却器等时，会导致在散热片20与水冷式冷却器之间需要使用大量的润滑油，而热阻抗上升。另外，在弯曲X及Y小于-50×10-6(mm-1)的情况下，将带散热片的功率模块用基板101固定在水冷式冷却器等时，会导致负荷赋予到陶瓷基板11，而产生裂缝等。
另外，在电路层的厚度t1及金属层的厚度t2小于0.1mm时，分别使用于接合陶瓷基板11与电路层12，接合陶瓷基板11与金属层13的接合材料在加热时会导致渗出到电路层12的表面。另外，若厚度t1及厚度t2超过3.0mm，则在例如接合半导体元件时等对带散热片的功率模块用基板101进行加热的情况下，会导致陶瓷基板11产生裂缝。
另外，若铝层31的厚度t3超过3.0mm，则带散热片的功率模块用基板101的弯曲变大的同时，通过增加厚度t3而热阻抗变大，而使冷却性能降低。另外，铝层31的厚度t3优选0.01mm以上。若厚度t3小于0.01mm，会导致金属层13与铝层31、及铝层31与铜层32的接合性下降。
另外，在铜层32的厚度t4小于0.1mm时，无法充分发挥通过设置铜层32而减少在带散热片的功率模块用基板101产生的弯曲的效果。并且，若厚度t4超过5.0mm，则对陶瓷基板11赋予来自高刚性且高线膨胀率的铜层32的强应力，从而会导致陶瓷基板11在例如接合半导体元件时等对带散热片的功率模块用基板101进行加热的情况，产生裂缝。
另外，本发明并非限定于上述实施方式，而在详细结构中，在不脱离本发明的内容的范围，可以进行各种修改。
实施例
以下，对于为了确认本发明的效果而进行的实施例进行说明。如表1记载，制造变更了电路层的材质(屈服强度σ1)、电路层的厚度t1及接合面积A1，金属层的材质(屈服强度σ2)、金属层的厚度t2及接合面积A2，铝层的材质(屈服强度σ3)、铝层的厚度t3及接合面积A3，铜层的材质(屈服强度σ4)、铜层的厚度t4及接合面积A4的带散热片的功率模块用基板。制造了在陶瓷基板的两侧配设有电路层与金属层的功率模块用基板之后，将各功率模块用基板的金属层与散热片通过铝层及铜层进行固相扩散接合而制造了各带散热片的功率模块用基板的试样。
如表1所示，成为电路层的铜板使用由OFC(线膨胀率：17.7×10-6/K，屈服强度：200MPa)或ZC(线膨胀率：17.7×10-6/K，屈服强度：270MPa)构成的平面尺寸为37mm×37mm的矩形板。成为金属层的铜板使用由OFC(线膨胀率：17.7×10-6/K，屈服强度：200MPa)或ZC(线膨胀率：17.7×10-6/K，屈服强度：270MPa)构成的平面尺寸为37mm×37mm的矩形板。陶瓷基板使用由AlN(线膨胀率：4.5×10-6/K)构成的厚度t6＝0.635mm，平面尺寸40mm×40mm的矩形板。
在对各铜板与陶瓷基板的接合中使用Ag-Ti系活性金属焊接材料，层叠铜板、活性金属焊接材料、陶瓷基板，在层叠方向以加压荷重0.1MPa，加热温度850℃，加热时间10分钟进行加压/加热，分别接合成为电路层的铜板与陶瓷基板及成为金属层的铜板与陶瓷基板，而制造功率模块用基板。
成为铝层的铝板使用由4N-Al(线膨胀率：23.6×10-6/K，屈服强度：28MPa)的平面尺寸为37mm×37mm的矩形板。并且成为铜层的铜板使用由OFC(线膨胀率：17.7×10-6/K，屈服强度：200MPa)构成的平面尺寸为37mm×37mm的矩形板。
表1的接合面积A1～A4为分别由成为电路层、金属层、铝层、铜层的金属板的平面尺寸算出的值，使用它们的值而算出表2所示之比S＝[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]。
使用如下散热片：设为由将Al-Si系合金浸渗于碳化硅(SiC)的、铝浸渗的碳化硅多孔体(线膨胀率：8.5×10-6/K)构成，整体的厚度为t5＝5.0mm，平面尺寸为50mm×60mm的矩形板，正面和背面的包覆层的厚度t151形成为100μm。并且，依次层叠这些功率模块用基板、铝板、铜板、散热片，如表2记载，使用具有曲率半径R的加压面的加压板，在真空环境下，以加压荷重2.1MPa、加热温度510℃、加热时间150分钟进行加压/加热，并通过固相扩散接合而接合各层，制造带散热片的功率模块用基板。另外，曲率半径R为“∞”的情况表示加压面为平面。
使用氩离子截面抛光仪(Cross Section Polisher)(JEOL公司制SM-09010，离子加速电压：5kV，加工时间：14小时，源于遮蔽板的突出量：100μm)对得到的带散热片的功率模块用基板的各试样的纵剖面进行离子蚀刻之后观察。并且，测定以下三个厚度：形成于金属层与铝层的接合界面的扩散层的厚度、铝层的厚度、形成于铝层与铜层的接合界面的扩散层的厚度。
在金属层、铝层及铜层的接合界面的厚度方向，通过EPMA(JEOL公司制造JXA-8530F，加速电压：15kV，点径：1μm以下，倍率：500倍，间隔：0.3μm)进行线分析，从而测定铝层与各扩散层的厚度。在线分析中，(1)将铝(Al)浓度为90原子％以上的部分设为铝层，(2)将铜(Cu)浓度成为99原子％以上的部分设为铜层，(3)将铝浓度小于90原子％，且铜(Cu)浓度为小于99原子％的部分设为扩散层，而测定各厚度。并且，通过得到的铝层的厚度及形成于铝层两侧的各扩散层的厚度，算出构成带散热片的功率模块用基板的金属层厚度、铜层厚度。另外，将扩散层的厚度设为形成于金属层与铝层的接合界面的扩散层的厚度、与形成于铝层与铜层的接合界面的扩散层的厚度的平均值。
对带散热片的功率模块用基板的各试样，分别评价了“变形量Z”、“陶瓷裂缝”、“元件位置偏移”。
变形量Z的测定在(1)加热到285℃时、(2)加热到285℃之后冷却至30℃时进行。并且，，通过基于JESD22-B112或JEITAED-7306的云纹干涉法而测定各时间点的散热片下表面(背面)的平坦度的变化。
云纹干涉法为如下的方法：通过以一定的间距、宽度形成的衍射光栅，将测定光照射于测定面，通过衍射光栅，将在其测定面散射的散射光由摄影部摄影，而得到云纹干涉纹，且根据其云纹干涉纹与衍射光栅的间距或宽度等信息测定测定面的变形量。另外，测定装置使用AkroMetrix公司制造的Thermoire PS200。
在本实施例中，如图7所示，将散热片20与铜层32的接合面的中心位置C设为测定范围E的中心，测定了其测定范围E(参照图8A～图8C)的散热片的下表面的变形量Z。另外，变形量Z在电路层侧，将凸的变形设为正，而在散热片下表面侧，将凸的变形设为负。
如图7及图8A所示，测定范围E为W：36mm×H：36mm的矩形的范围，而此时，测定范围E的对角线的长度成为最大长度L。另外，如图8B或图8C所示，变形量Z为在测定范围E的对角线上的测定值的最大值与最小值的差。并且，通过变形量Z与最大长度L，算出弯曲(Z/L2)。
关于陶瓷裂缝，在上述加热试验后，通过超声波探伤仪而观察陶瓷基板，若陶瓷基板产生裂纹，则判定为不合格，若未产生裂纹，则判定为合格。另外，关于元件位置偏移，在将电子部件焊接于电路层之后，通过测量其焊接位置，制作36个试样而确认是否发生位置偏移。并且，将产生0.2mm以上的位置偏移的情况评价为不合格，而将小于0.2mm的位置偏移的情况评价为合格。
并且，分别对36个试样进行了评价，将合格比例为90％以上的情况评价为“良”，而将合格比例小于90％的情况评价为“不良”。将结果示于表3。
[表1]
Figure GDA0002190587400000151
[表2]
试样No. 曲率半径R(mm) 比例S
1 7000 0.13
2 7000 0.11
3 7000 0.12
4 7000 0.13
5 7000 0.14
6 7000 0.69
7 7000 0.56
8 7000 0.32
9 7000 0.22
10 7000 0.09
11 7000 0.06
12 3000 0.13
13 ∞ 0.13
14 3000 0.13
15 7000 0.12
16 7000 0.10
17 3000 0.12
18 3000 0.12
19 3000 0.11
20 7000 0.17
21 7000 0.50
22 7000 0.13
23 7000 0.13
24 7000 0.13
25 7000 0.13
26 7000 0.13
27 7000 0.10
28 7000 0.06
29 7000 0.60
100 7000 0.78
101 7000 0.04
102 3000 0.08
103 7000 0.71
104 7000 0.05
105 7000 0.82
106 7000 -
[表3]
Figure GDA0002190587400000171
如从表1～3可知，对于将厚度t1与厚度t2设为0.1mm以上且3.0mm以下，铝层的厚度t3设为3.0mm以下，铜层的厚度t4设为0.1mm以上且5.0mm以下，且将比例[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]设在0.06以上且0.7以下的范围内的No.1～29的试样，差值(Y-X)变成-18.0×10-6(mm-1)以上且18.0×10-6(mm-1)以下。并且，在这些No.1～29的试样中，对“陶瓷裂缝”、“元件位置偏移”的任意评价均得到良好的结果。
另一方面，对于厚度t1与厚度t2、比例[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]、厚度t3、厚度t4的条件不包括在上述范围的No.100～105的试样，和未设置铜层及铝层的No.106的试样，差值(Y-X)为在-18×10-6(mm-1)以上且18.0×10-6(mm-1)以下的范围以外，而弯曲的变化量变大，确认为产生“元件位置偏移”的试样或产生“陶瓷裂缝”的试样。
产业上的可利用性
可抑制伴随温度变化的陶瓷基板的裂缝发生，而可提高对于功率循环或冷热循环的可靠性。
符号说明
10-功率模块用基板，11-陶瓷基板，12-电路层，13-金属层，20-散热片，21-多孔体，22-包覆层，31-铝层，32-铜层，33，34，35-扩散层，50-加压夹具，51，52-加压板，101-带散热片的功率模块用基板，201-功率模块。

Claims (5)

1.一种带散热片的功率模块用基板，其特征在于，具备：
功率模块用基板，在陶瓷基板的一个表面配设有由铜或铜合金构成的电路层，而在所述陶瓷基板的另一个表面配设有由铜或铜合金构成的金属层；
铝层，接合于所述金属层，且由铝或铝合金构成；
铜层，接合于所述铝层，且由铜或铜合金构成；及
散热片，接合于所述铜层，由铝浸渗的碳化硅多孔体构成，所述铝浸渗的碳化硅多孔体在由碳化硅构成的多孔体中浸渗有铝或铝合金，
在所述金属层与所述铝层之间、所述铝层与所述铜层之间、所述铜层与所述铝浸渗的碳化硅多孔体之间，形成有具有铝与铜的金属间化合物的扩散层，
将所述电路层的屈服强度设为σ1MPa、所述电路层的厚度设为t1 mm、所述电路层与所述陶瓷基板的接合面积设为A1 mm2，将所述金属层的屈服强度设为σ2 MPa、所述金属层的厚度设为t2 mm、所述金属层与所述陶瓷基板的接合面积设为A2 mm2，将所述铝层的屈服强度设为σ3 MPa、所述铝层的厚度设为t3 mm、所述金属层与所述铝层的接合面积设为A3mm2，将所述铜层的屈服强度设为σ4 MPa、所述铜层的厚度设为t4 mm、将所述铝层与所述铜层的接合面积设为A4 mm2时，
所述厚度t1形成为0.1mm以上且3.0mm以下，
所述厚度t2形成为0.1mm以上且3.0mm以下，
所述厚度t3形成为3.0mm以下，
所述厚度t4形成为0.1mm以上且5.0mm以下，
比例[(σ1×t1×A1)/{(σ2×t2×A2)+(σ3×t3×A3)+(σ4×t4×A4)}]设在0.06以上且0.70以下的范围内。
2.根据权利要求1所述的带散热片的功率模块用基板，其特征在于，
在所述散热片的下表面，
将所述散热片与所述铜层的接合面的中心位置作为测定范围的中心，将该测定范围的最大长度设为L mm，将在所述测定范围内的所述散热片的变形量设为Z mm，
将加热到285℃时的弯曲Z/L2的值设为X，
将加热到所述285℃之后冷却至30℃时的弯曲Z/L2的值设为Y时，
将所述弯曲X与所述弯曲Y的差值Y-X设为-18.0×10-6mm-1以上且18.0×10-6mm-1以下。
3.根据权利要求1所述的带散热片的功率模块用基板，其特征在于，
所述电路层的厚度t1与所述金属层的厚度t2之比t1/t2为0.75以上且小于1.25。
4.根据权利要求2所述的带散热片的功率模块用基板，其特征在于，
所述弯曲X为-50×10-6mm-1以上且50×10-6mm-1以下，所述弯曲Y为-50×10-6mm-1以上且50×10-6mm-1以下。
5.根据权利要求1所述的带散热片的功率模块用基板，其特征在于，
所述铝层的厚度t3为0.01mm以上。
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