CN110383469B - 带散热片的功率模块用基板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带散热片的功率模块用基板，其具备：功率模块用基板；及散热片，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为在由碳化硅构成的多孔体中浸渗铝等而形成，在将电路层的屈服强度设为σ1(MPa)，将电路层的厚度设为t1(mm)，将电路层与陶瓷基板的接合面积设为A1(mm2)，将金属层的屈服强度设为σ2(MPa)，将金属层的厚度设为t2(mm)，将金属层与陶瓷基板的接合面积设为A2(mm2)时，厚度t1形成为0.1mm以上且3.0mm以下，厚度t2形成为0.15mm以上且5.0mm以下的同时，厚度t2形成为大于厚度t1，比例{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}设在1.5以上且15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2017-42543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率差较大。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，由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；散热片，接合于所述带散热片的功率模块用基板的所述金属层，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为在由碳化硅构成的多孔体中浸渗有铝或铝合金，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)时，所述厚度t1为0.1mm以上且3.0mm以下，而所述厚度t2为0.15mm以上且5.0mm以下的同时，所述厚度t2形成为大于较所述厚度t1，而比例{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}设在1.5以上且15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，若金属层薄，则产生由陶瓷基板与散热片的线膨胀率差引起的弯曲。
在本发明的带散热片的功率模块用基板中，使刚性高的由铜或铜合金构成的金属层的厚度t2大(厚)于电路层的厚度t1，从而金属层的阻抗力相对于沿着金属层的正面和背面的应力差成为主导地位。因此，可减少由陶瓷基板与散热片的线膨胀差引起的弯曲，进一步可减少产生于带散热片的功率模块用基板的弯曲。
但是，若将金属层的厚度t2设为过大，通过冷热循环时的金属层的热伸缩，会导致陶瓷基板产生裂缝(裂纹)。另外，若电路层的厚度t1大于金属层的厚度t2，则电路层的热伸缩的影响变大，从而产生弯曲。因此，在规定的厚度范围内形成电路层与金属层，将电路层与金属层的关系调整为比例{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}在1.5以上且15以下的范围内。如此，可减少带散热片的功率模块用基板的整体的弯曲，而可形成对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，当电路层的厚度t1小于0.1mm时，会导致使用于陶瓷基板与电路层的接合的接合材料在加热时渗出到电路层的表面。另外，若电路层的厚度t1超过3.0mm，则在例如接合半导体元件的情况等对带散热片的功率模块用基板进行加热时，会导致陶瓷基板产生裂缝。
在金属层的厚度t2小于0.15mm时，无法充分发挥通过加大金属层的厚度t2而减少产生于带散热片的功率模块用基板的弯曲的效果。另外，若金属层的厚度t2超过5.0mm，则在例如接合半导体元件的情况等对带散热片的功率模块用基板进行加热时，会导致陶瓷基板产生裂缝。
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金属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，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，弯曲X及Y成为小于-50×10-6(mm-1)的情况，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，在所述金属层与所述散热片之间，只要形成了具有铝与铜的金属间化合物的扩散层即可。
通过在功率模块用基板的金属层与散热片之间，形成具有铝与铜的金属间化合物的扩散层，通过扩散层而接合金属层与散热片，从而可使金属层与散热片密合而牢固地接合。
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7A是说明弯曲的测定方法的示意图，是表示测定范围的俯视图。
图7B是表示在图7A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7C是表示在图7A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，参照附图的同时进行说明。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的散热片20。
如图2所示，功率模块用基板10具备构成绝缘层的陶瓷基板11，配设于该陶瓷基板11的一个表面(在图1为上表面)的电路层12，及配设于陶瓷基板11的另一个表面(在图1为下表面)的金属层13。
陶瓷基板11为防止电路层12与金属层13之间的电连接的结构。陶瓷基板11例如由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t3形成在0.32mm以上且1.0mm以下的范围内。
电路层12通过在陶瓷基板11的一个表面接合由铜或铜合金(优选无氧铜：OFC)构成的铜板而形成。电路层12通过蚀刻等而形成规定的电路图案。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。
金属层13通过在陶瓷基板11的另一个表面接合由铜或铜合金(优选无氧铜：OFC)构成的铜板而形成。金属层13的厚度t2(铜板的厚度)形成在0.15mm以上且5.0mm以下的范围内。
在功率模块用基板10中，如图2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)、金属层13与陶瓷基板11的接合面积设为A2(mm2)时，金属层13的厚度t2形成为大(厚)于电路层12的厚度t1，将电路层12与金属层13的关系调整为比例{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}为1.5以上且15以下的范围内。
另外，在电路层12形成了电路图案，在具有已分割成多部分的图案形状的情况下，各图案形状的接合面积的总和成为接合面积A1(mm2)，通常将电路层12的接合面积A1设为金属层13的接合面积A2的90％左右的面积。另外，将电路层12的屈服强度σ1，金属层13的屈服强度σ2设为调质(质别)符号“O”的25℃的屈服强度。
散热片20用于冷却功率模块用基板10。如图1所示，散热片20接合于金属层13的下表面。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的。
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12.6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t4设为0.5mm以上且5.0mm以下。散热片20的厚度t4包含包覆多孔体21两面的包覆层22的厚度t141的厚度。优选将包覆层22的每一单面的厚度t141设为散热片20的厚度t4的0.01倍以上且0.1倍以下。
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t141。
另外，在功率模块用基板10的金属层13与散热片20之间，通过金属层13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31。扩散层31的厚度t131在包覆层22的厚度t141的范围内，优选形成在2μm以上且50μm以下的范围内。
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t3＝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＝2.0mm的OFC(无氧铜，屈服强度σ2：200MPa)。在接合面积A1为1369mm2，且接合面积A2为1369mm2的情况下，比例成为{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}＝8.21。另外，散热片20的结构为：所浸渗的铝等由Al-Si系合金构成，整体的厚度t4为5.0mm，包覆层22的厚度t141为100μm左右，将扩散层31的厚度t131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及金属层13设为17.7×10-6/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30，如图1所示，可制造功率模块201。电子部件30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30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，及成为金属层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、接合成为金属层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、52，将分别对置的加压面51a、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、52而赋予加压力的弹簧等驱使机构。另外，作为加压板51、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，重叠配置功率模块用基板10及散热片20，将这些设成在层叠方向夹持的状态。此时，将功率模块用基板10与散热片20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)进行加压，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的加压状态而加热功率模块用基板10与散热片20的层叠体，从而通过固相扩散接合，将功率模块用基板10的金属层13的下表面与散热片20(包覆层22)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，功率模块用基板10的金属层13与散热片20(包覆层22)是指金属层13的铜原子与散热片20(包覆层22)的铝原子相互扩散。如此，在金属层13与散热片20之间，形成具有铜与铝的金属间化合物的扩散层31，而功率模块用基板10与散热片20通过扩散层31而接合。另外，扩散层31的厚度t131根据接合时间而增加。
扩散层31设为如下结构：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沿着金属层13与散热片20的界面层叠。即，在扩散层31侧的散热片20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31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。由此，可使金属层13与散热片20彼此密合而牢固地接合。
扩散层31为在金属层13与散热片20的接合界面，铝(Al)浓度为小于90原子％，且铜(Cu)浓度成为小于99原子％的部分。例如，在金属层13及散热片20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，从而可测定带散热片的功率模块用基板101的纵剖面。在线分析中，将铝浓度小于90原子％，且铜(Cu)浓度成为小于99原子％的部分的厚度设为扩散层的厚度t131。
接着，以安装于加压夹具50的状态，即加压的状态，将该功率模块用基板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。
在带散热片的功率模块用基板101，将刚性高的由铜或铜合金构成的金属层13的厚度t2设成大(厚)于电路层12的厚度t1，从而金属层13的阻抗力相对于沿着金属层13的正面和背面(上下表面)的应力差成为主导地位。因此，陶瓷基板11与形成散热片20的铝浸渗的碳化硅多孔体虽稍微存在少许线膨胀率差，但可减少由陶瓷基板11与散热片20的线膨胀差引起的弯曲。因此，可减少带散热片的功率模块用基板101的整体产生弯曲。
但是，若金属层13的厚度t2过大，则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，通过金属层13的热伸缩，会导致陶瓷基板11产生裂缝(裂纹)。另外，若电路层12的厚度t1大于金属层13的厚度t2，则电路层12的热伸缩的影响变大，从而产生弯曲。
因此，在本实施方式的带散热片的功率模块用基板101中，将电路层12的厚度t1形成在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内，将金属层13的厚度t2形成为大于厚度t1的同时，形成在0.15mm以上且5.0mm以下的范围内，而且，将电路层12与金属层13的关系调整为比例{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}成为1.5以上且15以下的范围内，从而实现作为带散热片的功率模块用基板101的整体的平衡，而减少带散热片的功率模块用基板101的整体的弯曲。
在具有这种结构的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6及图7A～图7C所示，将散热片20与金属层13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。
如以上说明，在带散热片的功率模块用基板101中，可减少制造功率模块时所产生的弯曲，可抑制在热处理过程中的弯曲变形，从而可提高在电子部件30的焊接等制造工序的作业性，或提高对于功率模块的冷热循环负荷的可靠性。
另外，当电路层的厚度t1小于0.1mm时，会导致使用于陶瓷基板11与电路层12的接合的接合材料在加热时渗出到电路层12的表面。另外，若电路层12的厚度t1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进行加热时，会导致陶瓷基板11产生裂缝。
另外，当金属层13的厚度t2小于0.15mm，无法充分发挥产生于通过加大金属层13的厚度t2而减少带散热片的功率模块用基板101的弯曲的效果。另外，当金属层13的厚度t2超过5.0mm时，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进行加热时，会导致陶瓷基板11产生裂缝。
另外，本发明并非限定于上述实施方式，而在详细配置中，在不脱离本发明的宗旨的范围，可以进行各种变更。
实施例
以下，说明为了确认本发明的效果而进行的实施例。如表1记载，制造多个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的功率模块用基板。然后将各功率模块用基板的金属层与散热片通过固相扩散接合而制造了在金属层与散热片之间形成了扩散层的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t3＝0.635mm、平面尺寸40mm×40mm的矩形板。
在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分钟进行加压的同时进行加热，分别接合成为电路层的铜板与陶瓷基板，接合成为金属层的铜板与陶瓷基板，而制造功率模块用基板。
表1的接合面积A1与接合面积A2为分别由成为电路层或金属层的铜板的平面尺寸算出的值，并使用他们的值算出表2所示之比S＝{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}。
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，且整体的厚度为t4＝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t141形成为100μm。并且，关于功率模块用基板与散热片的固相扩散接合，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。另外，曲率半径R为“∞”的情况表示加压面为平面。
对所得到的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6所示，将散热片20与金属层13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7A～图7C)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6及图7A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7B或图7C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19个试样来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19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 GDA0002190837630000121
[表2]
试样No. 曲率半径R(mm) 比例S
1 3000 1.50
2 3000 3.33
3 3000 6.67
4 3000 10.00
5 3000 10.00
6 3000 5.00
7 3000 1.67
8 3000 15.00
9 3000 5.36
10 3000 6.67
11 3000 6.67
12 3000 6.67
13 7000 6.67
14 ∞ 6.67
15 3000 1.00
16 3000 16.67
17 3000 14.00
18 3000 1.75
19 3000 20.00
[表3]
Figure GDA0002190837630000131
如从表1～3可知，对于将厚度t1设为0.1mm以上且3.0mm以下、厚度t2设为0.15mm以上且5.0mm以下、厚度t2形成为大于厚度t1，且将比例{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}设在1.5以上且15以下的范围内的No.1～14的试样，差值(Y-X)成为-18.0×10-6(mm-1)以上且18.0×10-6(mm-1)以下。并且，在这些No.1～14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，对于比例{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}的条件在上述范围之外的No.15、16、19的试样，差值(Y-X)在-18×10-6(mm-1)以上且18.0×10-6(mm-1)以下的范围之外，而弯曲的变化量较大，并产生“元件位置偏移”。另外，在厚度t2超过5.0mm的No.17的试样中，弯曲的变化量变大，加热到285℃之后，确认为陶瓷基板产生裂缝的试样。在厚度t1超过3.0mm，而厚度t2超过5.0mm的No.18中，虽弯曲的变化量较小，但加热到285℃之后，确认为陶瓷基板产生裂缝的试样。
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，30-电子部件，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 (3)

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，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；及
散热片，接合于所述功率模块用基板的所述金属层，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为在由碳化硅构成的多孔体中浸渗有铝或铝合金，
将所述电路层的屈服强度设为σ1MPa，将所述电路层的厚度设为t1 mm，将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σ2MPa，将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0.15mm以上且5.0mm以下的同时，所述厚度t2形成为大于所述厚度t1，
比例{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}设在1.5以上且15以下的范围内，
在所述散热片的下表面，
将所述散热片与所述金属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设为X，
将加热到所述285℃之后冷却至30℃时的弯曲Z/L2设为Y时，
所述弯曲X与所述弯曲Y的差值Y-X设在-18.0×10-6mm-1以上且18.0×10-6mm-1以下。
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，
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。
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，
在所述金属层与所述散热片之间，形成了具有铝与铜的金属间化合物的扩散层。
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