CN102194766A - 功率模块用基板及制法、自带散热器的该基板及功率模块 - Google Patents

功率模块用基板及制法、自带散热器的该基板及功率模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种功率模块用基板、功率模块用基板的制造方法、自带散热器的功率模块用基板及功率模块，该功率模块用基板在热循环负荷时，能抑制电路层表面产生起伏或褶皱，并且，能够抑制热应力作用于陶瓷基板和电路层的接合界面，另外，热循环可靠性优异。一种功率模块用基板(10)，在陶瓷基板(11)的一面配设有铝制电路层(12)，其中，电路层(12)具有主体层(12B)及配置成在所述一面侧暴露的表面硬化层(12A)，电路层(12)的所述一面的压痕硬度(Hs)设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内，该压痕硬度(Hs)的80％以上的区域成为表面硬化层(12A)，主体层(12B)的压痕硬度(Hb)不到所述压痕硬度Hs的80％。

Description

功率模块用基板及制法、自带散热器的该基板及功率模块
技术领域
本发明涉及一种具备搭载有半导体元件等电子零件的电路层的功率模块用基板、该功率模块用基板的制造方法、利用该功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板及功率模块。
背景技术
由于在半导体元件中用于电力供给的功率元件的发热量比较高，所以作为搭载该功率元件的基板，例如，如专利文献1所示，广泛使用有如下功率模块用基板：在由AlN(氮化铝)构成的陶瓷基板上，通过Al-Si系钎料接合有成为电路层的Al(铝)的金属板。
并且，例如，如专利文献2-4所示，提出有如下功率模块用基板：在陶瓷基板上通过熔融金属接合法接合铝合金部件而形成电路层。
在这种功率模块用基板中，作为功率元件的半导体元件通过焊层搭载于电路层上，并作为功率模块使用。
在此，上述功率模块中，在使用时热循环会被负荷。于是，存在如下忧虑：基于陶瓷基板与铝的热膨胀系数之差的应力作用于陶瓷基板与电路层的接合界面，从而接合可靠性下降。因此，以往由纯度为99.99％以上的4N铝等变形阻力比较小的铝构成电路层，通过电路层的变形来吸收热应力，从而谋求接合可靠性的提高。
专利文献1：日本专利公开2005-328087号公报
专利文献2：日本专利公开2002-329814号公报
专利文献3：日本专利公开2005-252136号公报
专利文献4：日本专利公开2007-092150号公报
但是，由纯度为99.99％以上(4N铝)等变形阻力比较小的铝构成电路层时，存在负荷热循环时在电路层的表面产生起伏或褶皱的问题。若像这样在电路层的表面产生起伏或褶皱，则由于在焊层产生裂纹，所以功率模块的可靠性会下降。
尤其，最近，由于功率模块的小型化、薄壁化正在发展的同时，其使用环境也越来越严峻，并且来自半导体元件等电子零件的发热量逐渐变大，所以热循环的温度差就会变大，在电路层的表面产生起伏或褶皱。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种在热循环负荷时，能够抑制在电路层的表面产生起伏或褶皱，并且，能够抑制热应力作用于陶瓷基板与电路层的接合界面，热循环可靠性优异的功率模块用基板、该功率模块用基板的制造方法、具备该功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板及功率模块。
为了解决这样的课题而实现所述目的，本发明的功率模块用基板，在陶瓷基板的一面配设铝制电路层，并且在该电路层的一面上配设电子零件，其特征在于，所述电路层具有主体层及配置成在所述一面侧暴露的表面硬化层，所述电路层的所述一面的压痕硬度Hs设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内，所述电路层中，具有所述压痕硬度Hs的80％以上的压痕硬度的区域成为所述表面硬化层，所述表面硬化层含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，所述主体层的压痕硬度Hb不到所述压痕硬度Hs的80％。
另外，本发明的压痕硬度H是指，利用称为伯克维奇压头的棱间角为114.8°以上115.1°以下的三棱锥金刚石压头，将试验载荷设为5000mgf而计量施加负荷时的载荷-位移关系，并用式：H＝37.926×10-3×(载荷〔mgf〕)÷位移〔μm〕2)定义的硬度。
根据该结构的功率模块用基板，由于在电路层中，形成有焊层的电路层的一面侧形成有表面硬化层，该表面硬化层的压痕硬度设定为所述电路层的所述一面的压痕硬度Hs(50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下)的80％以上，所以电路层的一面侧部分的变形阻力变大，能够抑制热循环负荷时的起伏或褶皱的产生。
另外，由于所述表面硬化层含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，所以通过这些添加元素硬化铝，从而能够形成所述表面硬化层。
并且，电路层具有压痕硬度Hb为不到所述压痕硬度Hs的80％的主体层，所以在该主体层中，变形阻力变得较小。因此，能够通过该主体层的变形吸收热循环负荷时的热应力，并且能够提高陶瓷基板与电路层的接合可靠性。
在此，优选所述表面硬化层的厚度为1μm以上300μm以下，所述主体层的厚度为100μm以上1500μm以下。
此时，由于表面硬化层的厚度为1μm以上300μm以下，所以能够确实地防止在电路层的一面产生起伏或褶皱。并且，由于主体层的厚度为100μm以上1500μm以下，所以能够用主体层确实地吸收热循环负荷时的热应力。
并且，优选所述表面硬化层中的所述添加元素的含量的总计为0.2atom％以上10atom％以下。
此时，由于表面硬化层含有总计0.2atom％以上10atom％以下的上述添加元素，所以能够通过这些添加元素确实地硬化铝，并且能够形成具有所述压痕硬度的表面硬化层。
另外，所述陶瓷基板优选由AlN、Si3N4或Al2O3构成。
此时，陶瓷基板的绝缘性优异，因此能够提供绝缘可靠性高的功率模块用基板。
本发明的功率模块用基板的制造方法，制造所述功率模块用基板，其特征在于，具备有：固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素固着于成为所述电路层的金属板的所述一面，形成含有该添加元素的固着层；以及加热工序，加热所述电路层，通过使所述添加元素朝向所述电路层的内部扩散，从而在所述电路层的所述一面形成表面硬化层。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法，在加热工序中，通过使形成于电路层的一面的固着层中所含的选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素向电路层的内部扩散，从而电路层的一面侧的添加元素浓度变高，随着远离一面添加元素浓度变低。而且，通过该添加元素的浓度分布，在电路层的一面侧形成表面硬化层，以层压在该表面硬化层的方式形成主体层。因此能够制造具备表面硬化层和主体层的功率模块用基板。
并且，本发明的功率模块用基板的制造方法，制造所述功率模块用基板，其特征在于，具有：固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素固着在成为所述电路层的金属板的一面，形成含有该添加元素的固着层；层压工序，在所述金属板的另一面侧通过钎料层压所述陶瓷基板；加热工序，将被层压的所述陶瓷和所述金属板向层压方向加压的同时进行加热，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；以及凝固工序，通过使该熔融金属区域凝固来接合所述陶瓷基板和所述金属板，在所述加热工序中，通过使所述固着层的所述添加元素朝向所述电路层的内部扩散，从而在所述电路层的所述一面形成表面硬化层。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法，在用于钎焊所述金属板和所述陶瓷基板的加热工序中，可使固着于金属板的一面侧的选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素扩散来形成表面硬化层。因此，无需为了形成表面硬化层而另外进行加热处理，即可削减该功率模块用基板的制造成本。
另外，本发明的功率模块用基板的制造方法，制造所述功率模块用基板，其特征在于，具有：固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素固着于成为所述电路层的金属板的一面，形成含有该添加元素的固着层；第2固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li的1种或2种以上的第2添加元素固着于所述金属板的另一面和所述陶瓷基板的一面中的至少一方，形成第2固着层；层压工序，通过所述第2固着层来层压所述陶瓷基板和所述金属板；加热工序，将被层压的所述陶瓷基板和所述金属板向层压方向加压的同时进行加热，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；以及凝固工序，通过使该熔融金属区域凝固来接合所述陶瓷基板和所述金属板，在所述加热工序中，通过使所述固着层的所述添加元素朝向所述电路层的内部扩散，从而在所述电路层的所述一面形成表面硬化层。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法，可通过加热工序使选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li中的1种或2种以上的第2添加元素扩散来形成熔融金属区域，并且通过接合所述金属板和所述陶瓷基板来形成电路层。并且，在该加热工序中，能够使固着于金属板的一面侧的选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素扩散来形成表面硬化层。因此，无需为了形成表面硬化层而另外进行加热处理，即可消减该功率模块用基板的制造成本。
并且，本发明的功率模块用基板的制造方法，制造所述功率模块用基板，其特征在于，具有：固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素固着于成为所述电路层的金属板的一面，形成含有该添加元素的固着层；第2固着工序，将选自Si、Cu、Ag及Ge中的1种或2种以上的第2添加元素和选自Ti、Zr、Hf、Ta、Nb及Mo中的1种或2种以上的活性元素固着于所述金属板的另一面和所述陶瓷基板的一面中的至少一方，由此形成含有这些第2添加元素及活性元素的第2固着层；层压工序，通过所述第2固着层来层压所述陶瓷基板和所述金属板；加热工序，将被层压的所述陶瓷基板和所述金属板向层压方向加压的同时进行加热，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；以及凝固工序，通过使该熔融金属区域凝固来接合所述陶瓷基板和所述金属板，在所述加热工序中，通过使所述添加元素扩散在所述金属板，从而在所述金属板表层形成金属硬化层。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法，可通过加热工序使选自Si、Cu、Ag及Ge的1种或2种以上的第2添加元素和选自Ti、Zr、Hf、Ta、Nb及Mo的1种或2种以上的活性元素扩散来形成熔融金属区域，并且通过接合所述金属板和所述陶瓷基板来形成电路层。尤其，所述第2添加元素为使铝的熔点降低的元素，所以在比较低温的条件下，能够在金属板与陶瓷基板的界面形成熔融金属区域。
并且，在该加热工序中，能够使固着于金属板的一面侧的选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素扩散来形成表面硬化层。因此，无需为了形成表面硬化层而另外进行加热处理，即可消减该功率模块用基板的制造成本。
在此，在所述固着工序中优选与所述添加元素一同固着Al。
此时，由于与所述添加元素一同固着Al，所以能够确实地固着添加元素。并且，使用Ca、Li等作为添加元素，也能够防止这些元素的氧化。另外，为了与所述添加元素一同固着Al，可以同时蒸镀所述添加元素和Al，也可以将所述添加元素和Al的合金作为靶来使用而进行溅射。
并且，优选通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者涂布分散有含所述添加元素的粉末的糊剂或墨水来固着所述添加元素，形成所述固着层。
此时，可通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者涂布分散有含所述添加元素的粉末的糊剂或墨水将所述添加元素确实地固着于所述金属板的一面，并且能够形成所述固着层。而且，能够精确地调整所述添加元素的固着量。
并且，本发明的自带散热器的功率模块用基板的特征在于，具备所述功率模块用基板及对该功率模块用基板进行冷却的散热器。
根据该结构的自带散热器的功率模块用基板，由于具备有对功率模块用基板进行冷却的散热器，所以能够通过散热器有效地冷却产生在功率模块用基板上的热。
另外，本发明的功率模块的特征在于，具备所述功率模块用基板及搭载于该功率模块用基板上的电子零件。
根据该结构的功率模块，由于陶瓷基板与电路层的接合强度高，并且，能够抑制形成于电路层与半导体元件之间的焊层上的裂纹的产生，所以即使在严峻的使用环境中，也能够使其可靠性飞跃地提高。
根据本发明能够提供一种，在热循环负荷时能够抑制在电路层的表面产生起伏或褶皱，并且，能够抑制热应力作用于陶瓷基板与电路层的接合界面，另外热循环可靠性优异的功率模块用基板、该功率模块用基板的制造方法、具备该功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板及功率模块。
附图说明
图1是使用本发明的第1实施方式的功率模块用基板的功率模块的简要说明图。
图2是表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的说明图。
图3是表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的电路层的说明图。
图4是表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图5是表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图6是表示图5中的金属板与陶瓷基板的接合界面附近的说明图。
图7是使用本发明的第2实施方式的功率模块用基板的功率模块的简要说明图。
图8是表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的说明图。
图9是表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的电路层(金属层)与陶瓷基板的接合界面的放大说明图。
图10是表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图11是表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图12是表示本发明的第3实施方式的功率模块用基板的说明图。
图13是表示本发明的第3实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图14是表示本发明的第4实施方式的功率模块用基板的说明图。
图15是表示本发明的第4实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图16是表示本发明的第5实施方式的功率模块用基板的说明图。
图17是表示本发明的第5实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
[符号说明]
1、101-功率模块，3-半导体芯片(电子零件)，10、110、210、310、410-功率模块用基板，11、111、211、311、411-陶瓷基板，12、112、212、312、412-电路层，12A、112A、212A、312A、412A-表面硬化层，12B、112B、212B、312B、412B-主体层，40、140-散热器。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示使用本发明的第1实施方式的功率模块用基板的功率模块。
该功率模块1具备有：功率模块用基板10，配设有电路层12；半导体芯片3，通过焊层2接合于电路层12的表面；及散热器40。在此，焊层2为例如Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊料。另外，在本实施方式中，电路层12与焊层2之间设置有Ni镀层(未图示)。
如图1及图2所示，功率模块用基板10具备有：陶瓷基板11，构成绝缘层；电路层12，配设于该陶瓷基板11的一面(在图1及图2中为上部)；及金属层13，配设于陶瓷基板11的另一面(在图1及图2中为下部)。
陶瓷基板11为防止电路层12与金属层13之间的电连接的基板，由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板11的厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中设定为0.635mm。另外，如图1及图2所示，在本实施方式中，陶瓷基板11的宽度设定为宽于电路层12及金属层13的宽度。
如图5所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一面(在图5中为上部)接合具有导电性的金属板22形成。在本实施方式中，电路层12通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)的压延板构成的金属板22接合于陶瓷基板11而形成。
如图5所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一面(在图5中为下部)接合金属板23形成。在本实施方式中，金属层13与电路层12同样通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)的压延板构成的金属板23接合于陶瓷基板11而形成。
散热器40用于冷却所述功率模块用基板10，如图1所示，具备有：顶板部41；及流路42，用于使冷却介质(例如冷却水)流通。散热器40(顶板部41)优选由热传导性良好的材质构成，在本实施方式中，由A6063(铝合金)构成。
并且，在本实施方式中，在散热器40的顶板部41与金属层13之间设置有由铝或铝合金或者包含铝的复合材料(例如AlSiC等)构成的缓冲层15。
而且，如图2所示，电路层12具备有：表面硬化层12A，配设于其一面(在图2中的上部)侧；及主体层12B，位于该表面硬化层12A的另一面侧。
表面硬化层12A在电路层12的一面暴露，从该一面朝向另一面侧(在图2中为下侧)延伸，是相对于电路层12的一面的压痕硬度Hs具有80％以上的压痕硬度的区域。在此，在本实施方式中，电路层12的一面的压痕硬度Hs设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内。
主体层12B成为其压痕硬度Hb不到所述压痕硬度Hs的80％的区域。
另外，在本实施方式中，电路层12中与陶瓷基板11的接合界面附近形成有界面附近层12C，该界面附近层的压痕硬度Hc高于主体层12B的压痕硬度Hb。
在此，在本实施方式中，表面硬化层12A的厚度ts为1μm以上300μm以下，主体层12B的厚度tb为100μm以上1500μm以下，界面附近层12C的厚度tc为50μm以上300μm以下。
并且，表面硬化层12A含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，该添加元素的含量的总计为0.2atom％以上10atom％以下。另外，在本实施方式中，含有0.2atom％以上10atom％以下的Ni作为添加元素。
如图3所示，在电路层12中，构成为如下：其一面的添加元素的含量最高，随着朝向另一面侧，含量变低。这是因为通过该添加元素电路层12的一部分被硬化，并且形成了上述表面硬化层12A。
另一方面，如图3所示，在主体层12B中，由于添加元素的含量少，因此Al的纯度高，变形阻力依旧小。
另外，在位于陶瓷基板11侧的界面附近层12C中，陶瓷基板11与金属板22的接合中所利用的元素扩散而Al的纯度变得低于主体层12B。
以下，参照图4至图6对所述结构的功率模块用基板10的制造方法进行说明。
(固着工序S01)
首先，如图5所示，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素通过溅射固着在成为电路层12的金属板22的一面，形成含有该添加元素的固着层22A。
在本实施方式中，将Ni作为添加元素固着，将其固着量设定为0.05mg/cm2以上2.0mg/cm2以下。
(层压工序S02)
接着，如图5所示，成为电路层12的金属板22(4N铝的压延板)通过厚度为5～50μm(本实施方式中为14μm)的钎料箔24层压于陶瓷基板11的一面侧，成为金属层13的金属板23(4N铝的压延板)通过厚度为5～50μm(本实施方式中为14μm)的钎料箔25层压于陶瓷基板11的另一面侧。此时，金属板22层压成形成有固着层22A的面的相反面朝向陶瓷基板11侧。如此形成层压体20。
另外，在本实施方式中，钎料箔24、25成为含有熔点降低元素Si的Al-Si系钎料。
(加热工序S03)
接着，将在层压工序S02中形成的层压体20以向其层压方向加压(压力为1～5kgf/cm2)的状态装入加热炉内进行加热。通过该加热工序S03，钎料箔24、25和金属板22、23的一部分熔融，如图6所示，在金属板22、23与陶瓷基板11的界面处分别形成熔融金属区域26、27。在此，加热温度为550℃以上650℃以下，加热时间为30分钟以上180分钟以下。
并且，通过该加热工序S03，金属板22的固着层22A中所含的添加元素(本实施方式中为Ni)朝向金属板22的另一面侧扩散。
(凝固工序S04)
接着，通过对层压体20进行冷却，使熔融金属区域26、27凝固，并接合陶瓷基板11、金属板22及金属板23。此时，钎料箔24、25中所含的熔点降低元素(Si)向金属板22、23侧扩散。
如此，成为电路层12及金属层13的金属板22、23与陶瓷基板11接合，制造出本实施方式的功率模块用基板10。
并且，在电路层12中通过固着层22A中所含的添加元素扩散而形成表面硬化层12A及主体层12B。并且，通过钎料箔24中所含的Si扩散而形成接合附近层12C。
并且，在该功率模块用基板10的金属层13的另一面侧，通过缓冲层15由钎焊等接合散热器40，形成自带散热器的功率模块用基板。并且，在电路层12的表面通过焊层2搭载半导体芯片3，从而制造出本实施方式的功率模块1。
成为如以上结构的本实施方式的功率模块用基板10及功率模块用基板的制造方法中，电路层12的一面侧形成有表面硬化层12A，电路层12的一面的压痕硬度Hs设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内，由于该压痕硬度Hs的80％以上的区域成为表面硬化层12A，所以电路层12的一面侧部分的变形阻力变大，能够抑制热循环负荷时的起伏或褶皱的产生。
并且，电路层12具有压痕硬度Hb不到所述压痕硬度Hs的80％的主体层12B，所以在该主体层12B中变形阻力比较小，能够通过该主体层12B的变形吸收热循环负荷时的热应力。因此，能够提高陶瓷基板11与电路层12的接合可靠性。
另外，由于表面硬化层12A的厚度为1μm以上300μm以下，所以能够确实地防止在电路层12的一面产生起伏或褶皱。另外，由于主体层12B的厚度为100μm以上1500μm以下，所以能够以主体层12B确实地吸收热循环负荷时的热应力。
因此，热循环负荷时，能够抑制电路层12表面的起伏或褶皱的产生，并能够抑制焊层2中的裂纹的产生。并且，能够抑制热应力作用于陶瓷基板11与电路层12的接合界面，提高热循环可靠性。
该表面硬化层12A中含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，该添加元素的含量的总计为0.2atom％以上10atom％以下，在本实施方式中，含有0.2atom％以上10atom％以下的Ni作为添加元素，所以通过该添加元素能够使金属板22硬化，并能够将电路层12的一面的压痕硬度Hs设在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内。
并且，在成为电路层12的金属板22的一面通过溅射固着选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，形成含有该添加元素(本实施方式中为Ni)的固着层22A，通过加热该金属板22(电路层12)使添加元素扩散，所以在电路层12的一面侧，添加元素的含量变高，并能够形成上述表面硬化层12A。并且，添加元素的含量随着远离一面而变低，从而以层压于表面硬化层12A的方式形成上述主体层12B。
在此，本实施方式中，在钎焊陶瓷基板11和金属板22、23的加热工序S03中，由于使固着层22A的添加元素扩散，所以无需进行特别的热处理工序，能够控制使该功率模块用基板10的制造成本变低。
接着，参照图7至图11对本发明的第2实施方式进行说明。
该功率模块101具备有：功率模块用基板110，配设有电路层112；半导体芯片3，通过焊层2接合于电路层112的表面；及散热器140。在此，焊层2例如为Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊料。另外，本实施方式中，在电路层112与焊层2之间设置有Ni镀层(未图示)。
功率模块用基板110具备有：陶瓷基板111；电路层112，配设于该陶瓷基板111的一面(在图7中为上部)；及金属层113，配设于陶瓷基板111的另一面(在图7中为下部)。
陶瓷基板111为防止电路层112与金属层113之间的电连接的基板。本实施方式中，陶瓷基板111由绝缘性高的Al2O3(氧化铝)构成。并且，陶瓷基板111的厚度设定在0.2～0.8mm的范围内，在本实施方式中设定为0.32mm。
如图11所示，电路层112通过在陶瓷基板111的一面接合具有导电性的金属板122而形成。在本实施方式中，电路层112通过由纯度为99.99％以上的铝(4N铝)压延板构成的金属板122接合于陶瓷基板111而形成。
并且，金属层113通过在陶瓷基板111的另一面接合金属板123而形成。在本实施方式中，金属层113与电路层112同样通过由纯度为99.99％以上的铝(4N铝)压延板构成的金属板123接合于陶瓷基板111而形成。
散热器140用于冷却所述功率模块用基板110，如图7所示，具备有与功率模块用基板110接合的顶板部141。本实施方式中，在该顶板部141的下方侧配设有波纹状散热片146和底板部145，通过这些顶板部141、波纹状散热片146及底板部145划分出用于使冷却介质(例如冷却水)流通的流路142。
另外，散热器140(顶板部141)优选由热传导性良好的材质构成，在本实施方式中由A3003(铝合金)构成。
并且，如图8所示，电路层112具备有：表面硬化层112A，配设于其一面(图8中为上部)侧；及主体层112B，位于该表面硬化层112A的另一面侧。
表面硬化层112A在电路层112的一面暴露，并且从该一面朝向另一面侧(图8中为下侧)延伸，是相对于电路层112的一面的压痕硬度Hs具有80％以上的压痕硬度的区域。在此，本实施方式中，电路层112的一面的压痕硬度Hs设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内。
主体层112B成为其压痕硬度Hb不到所述压痕硬度Hs的80％的区域。
另外，在本实施方式中，电路层112中与陶瓷基板111的接合界面附近形成有其压痕硬度Hc高于主体层112B的压痕硬度Hb的界面附近层112C。
在此，本实施方式中，表面硬化层112A的厚度ts为1μm以上300μm以下，主体层112B的厚度tb为100μm以上1500μm以下，界面附近层112C的厚度tc为50μm以上300μm以下。
并且，表面硬化层112A含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，该添加元素的含量总计为0.2atom％以上10atom％以下。另外，本实施方式中，含有0.2atom％以上10atom％以下的Ni作为添加元素。
电路层112中，构成为如下：其一面的添加元素的含量最高，并且随着朝向另一面侧，含量变低。这是因为通过该添加元素电路层112的一部分被硬化，并形成了上述表面硬化层112A。
另一方面，主体层112B中，上述添加元素的含量少，所以Al的纯度高，变形阻力依旧小。
另外，在位于陶瓷基板111侧的界面附近层112C中，在陶瓷基板111与金属板122的接合中所利用的元素扩散，从而Al的纯度变得低于主体层。
若详细叙述，在界面附近层112C中固溶有选自Si、Cu、Ag及Ge中的1种或2种以上的第2添加元素。在此，该界面附近层112C的接合界面侧的所述第2添加元素浓度的总计设定在0.05质量％以上5质量％以下的范围内。
本实施方式中，将Cu和Ge作为第2添加元素使用，界面附近层112C的Cu浓度设定在0.05质量％以上1质量％以下的范围内，Ge浓度设定在0.05质量％以上1质量％以下的范围内。
另外，界面附近层112C的所述第2添加元素浓度是以EPMA分析(斑点直径30μm)在接合界面至50μm的范围内进行5点测定的平均值。该EPMA分析中，使整个斑点直径进入从接合界面至50μm的范围内而实施分析。
并且，陶瓷基板111与电路层112(金属板122)的接合界面130介入有选自Ti、Zr、Hf、Ta、Nb及Mo中的1种或2种以上的活性元素。另外，在本实施方式中介入有Hf作为活性元素。
在此，如图9所示，接合界面130部分中形成有氧化物层132，该氧化物层由包含活性金属Hf和氧的氧化合物构成。该氧化物层132是通过活性金属Hf和由Al2O3构成的陶瓷基板111的氧反应而生成的。该氧化物层132的厚度H例如为0.1μm以上5μm以下。
另外，在本实施方式中，对成为金属层113的金属板123与陶瓷基板111的接合，也与成为电路层112的金属板122和陶瓷基板111相同地进行，在接合界面部分形成有氧化物层，金属层113的接合界面附近也固溶有第2添加元素。
以下，参照图10及图11对所述结构的功率模块用基板110的制造方法进行说明。
(第1固着工序S11)
首先，如图11所示，在成为电路层112的金属板122的一面通过溅射固着选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，形成含有该添加元素的固着层122A。
在本实施方式中，固着Ni作为添加元素，并将其固着量设定在0.05mg/cm2以上2.0mg/cm2以下。
(第2固着工序S12)
接着，在金属板122、123的各接合面通过溅射固着第2添加元素Cu及Ge和活性元素Hf，形成第2固着层124、125。
在本实施方式中，第2固着层124、125中的Cu量设定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下，Ge量设定在0.002mg/cm2以上2.5mg/cm2以下，Hf量设定在0.1mg/cm2以上6.7mg/cm2以下。
(层压工序S13)
接着，将金属板122层压在陶瓷基板111的一面侧，并且，将金属板123层压在陶瓷基板111的另一面侧。此时，如图11所示，金属板122、123中形成有第2固着层124、125的面以朝向陶瓷基板111的方式进行层压。即，使第2固着层124、125介入于金属板122、123与陶瓷基板111之间。这样形成层压体120。
(加热工序S14)
接着，将在层压工序S13中形成的层压体120以向其层压方向加压(压力为1～5kgf/cm2)的状态装入加热炉内进行加热，在金属板122、123与陶瓷基板111的界面处分别形成熔融金属区域。该熔融金属区域是通过第2固着层124、125的Cu及Ge向金属板122、123侧扩散，金属板122、123的第2固着层124、125附近的Cu浓度、Ge浓度上升而熔点变低而形成的。
此时，活性金属Hf与构成陶瓷基板111的Al2O3反应，生成含Hf和氧的氧化合物(例如HfO2)，形成氧化物层132。
并且，通过该加热工序S14，金属板122的固着层122A中所含的添加元素(本实施方式中为Ni)朝向金属板122的另一面侧扩散。
另外，在本实施方式中，将加热炉内的气氛设为N2气体气氛，加热温度设定在550℃以上650℃以下的范围内。
(凝固工序S15)
接着，在形成有熔融金属区域的状态下将温度保持为恒定。这样，熔融金属区域中的Cu、Ge进一步向金属板122、123侧扩散。由此，曾为熔融金属区域的部分的Cu浓度、Ge浓度逐渐降低，熔点上升，在将温度保持为恒定的状态下进行凝固。即，陶瓷基板111和金属板122、123通过所谓等温扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)接合。如此，进行凝固之后进行冷却至常温。
如此，成为电路层112及金属层113的金属板122、123与陶瓷基板111接合，制造出本实施方式的功率模块用基板110。
并且，在电路层112中，通过固着层122A中所含的添加元素扩散来形成表面硬化层112A及主体层112B。而且，通过第2固着层124中所含的Cu及Ge扩散来形成接合附近层112C。
并且，散热器140通过钎焊等接合于该功率模块用基板110的金属层113的另一面侧，形成自带散热器的功率模块用基板。并且，通过焊层2在电路层112的表面搭载半导体芯片3，从而制造出本实施方式的功率模块101。
在成为如以上结构的本实施方式的功率模块用基板110及功率模块101中，由于在电路层112的一面形成有表面硬化层112A，所以电路层112的一面侧部分的变形阻力变大，能够抑制热循环负荷时的起伏或褶皱的产生。并且，由于电路层112具有压痕硬度低于所述表面硬化层112A的主体层112B，所以能够通过该主体层112B的变形吸收热循环负荷时的热应力。因此，能够提高陶瓷基板111与电路层112的接合可靠性。
并且，在本实施方式中，由于具备有在金属板122、123的接合面固着Cu、Ge作为第2添加元素的第2固着工序S12，所以Cu及Ge介入于金属板122、123与陶瓷基板111的接合界面130中。
而且，陶瓷基板111由Al2O3构成，金属板122、123与陶瓷基板111的接合界面130中介入有Hf作为活性元素，更具体地，由于在接合界面130形成有由含Hf和氧的氧化合物构成的氧化物层132，所以通过该氧化物层132能够谋求陶瓷基板111与金属板122、123的接合强度的提高。另外，由于该氧化物层132通过活性元素Hf和陶瓷基板111的氧进行反应而生成，所以与陶瓷基板111的接合强度极高。
并且，本实施方式中，在陶瓷基板111与金属板122、123的界面处形成熔融金属区域的加热工序S14中，由于使固着层122A的添加元素扩散，所以无需进行特别的热处理工序，从而能够控制使该功率模块用基板110的制造成本变低。
接着，利用图12及图13对本发明的第3实施方式的功率模块用基板进行说明。
本实施方式的功率模块用基板210具备有：陶瓷基板211；电路层212，配设于该陶瓷基板211的一面(在图12中为上部)；金属层213，配设于陶瓷基板211的另一面(在图12中为下部)。
陶瓷基板211为防止电路层212与金属层213之间的电连接的基板。在本实施方式中，陶瓷基板211由绝缘性高的Si3N4(氮化硅)构成。并且，陶瓷基板211的厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中设定为0.32mm。
电路层212通过在陶瓷基板211的一面接合具有导电性的金属板而形成。在本实施方式中，电路层212通过由纯度为99.99％以上的铝(4N铝)的压延板构成的金属板接合于陶瓷基板211而形成。
金属层213通过在陶瓷基板211的另一面接合金属板而形成。在本实施方式中，金属层213与电路层212同样通过由纯度为99.99％以上的铝(4N铝)的压延板构成的金属板接合于陶瓷基板211而形成。
并且，如图12所示，电路层212具备有：表面硬化层212A，配设于其一面(在图12中为上部)侧；以及主体层212B，位于该表面硬化层212A的另一面侧。
表面硬化层212A暴露在电路层212的一面，并从该一面朝向另一面侧(在图12中为下侧)延伸，是相对于电路层212的一面的压痕硬度Hs具有80％以上的压痕硬度的区域。在此，本实施方式中，电路层212的一面的压痕硬度Hs设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内。
主体层212B成为其压痕硬度Hb不到所述压痕硬度Hs的80％的区域。
另外，在本实施方式中，电路层212中与陶瓷基板211的接合界面附近形成有其压痕硬度Hc高于主体层212B的压痕硬度Hb的界面附近层212C。
在此，在本实施方式中，表面硬化层212A的厚度ts为1μm以上300μm以下，主体层212B的厚度tb为100μm以上1500μm以下，界面附近层212C的厚度tc为50μm以上300μm以下。
并且，表面硬化层212A含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，该添加元素的含量的总计为0.2atom％以上10atom％以下。另外，在本实施方式中，含有0.2atom％以上10atom％以下的Ni作为添加元素。
在电路层212中，构成为如下：其一面的添加元素的含量最高，随着朝向另一面侧，含量变低。这是因为通过该添加元素电路层212的一部分被硬化，并形成了上述表面硬化层212A。
另一方面，在主体层212B中，由于上述添加元素的含量少，所以Al的纯度高，变形阻力依旧小。
另外，在位于陶瓷基板211侧的界面附近层212C中，通过在陶瓷基板211与金属板的接合中所利用的元素扩散，从而Al的纯度变得低于主体层212B。
若详细叙述，在界面附近层212C中固溶有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li中的1种或2种以上的第2添加元素。在此，该界面附近层212C的所述第2添加元素浓度的总计设定在0.05质量％以上5质量％以下的范围内。
在本实施方式中，使用Si及Cu作为第2添加元素，界面附近层212C的Si浓度设定在0.05质量％以上0.5质量％以下的范围内，Cu浓度设定在0.05质量％以上1质量％以下的范围内。
另外，界面附近层212C的所述第2添加元素浓度是以EPMA分析(斑点直径30μm)在接合界面至50μm的范围内进行5点测定的平均值。该EPMA分析中，使整个斑点直径进入从接合界面到50μm的范围内而实施分析。
另外，在本实施方式中，对成为金属层213的金属板与陶瓷基板211的接合也与成为电路层212的金属板和陶瓷基板211相同地进行，金属层213的接合界面附近也固溶有第2添加元素。
以下，参照图13的流程图对所述结构的功率模块用基板210的制造方法进行说明。
(第1固着工序S21)
首先，通过溅射在成为电路层212的金属板的一面固着选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，形成含有该添加元素的固着层。
在本实施方式中，固着Ni作为添加元素，将其固着量设定在0.05mg/cm2以上2.0mg/cm2以下。
(第2固着工序S22)
接着，通过溅射在成为电路层212的金属板及成为金属层213的金属板的各接合面固着第2添加元素即选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li中的1种或2种以上的第2添加元素，并形成第2固着层。
在本实施方式中，使用Cu及Si作为第2添加元素，第2固着层中的Cu量设定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下，Si量设定在0.002mg/cm2以上1.2mg/cm2以下。
(层压工序S23)
接着，层压陶瓷基板211和金属板。此时，以金属板中形成有第2固着层的面朝向陶瓷基板211的方式层压。即，这是因为使第2固着层介入于金属板与陶瓷基板211之间。这样形成层压体。
(加热工序S24)
接着，将在层压工序S23中形成的层压体以向其层压方向加压(压力为1～5kgf/cm2)的状态装入加热炉内进行加热，在金属板与陶瓷基板211的界面处分别形成熔融金属区域。该熔融金属区域是通过第2固着层的Cu及Si向金属板侧扩散，从而金属板的第2固着层附近的Cu浓度、Si浓度上升而熔点变低而形成的。
而且，通过该加热工序S24，成为电路层212的金属板的固着层中所含的添加元素(本实施方式中为Ni)朝向金属板的另一面侧扩散。
另外，在本实施方式中，将加热炉内的气氛设为N2气体气氛，加热温度设定在550℃以上650℃以下的范围内。
(凝固工序S25)
接着，在熔融金属区域形成的状态下将温度保持为恒定。这样，熔融金属区域中的Cu、Si进一步向金属板侧扩散。由此，曾为熔融金属区域的部分的Cu浓度、Si浓度逐渐降低，熔点上升，在将温度保持为恒定的状态下进行凝固。即，这是因为陶瓷基板211和金属板通过所谓等温扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)接合。如此，进行凝固之后进行冷却至常温。
如此，成为电路层212及金属层213的金属板与陶瓷基板211接合，制造出本实施方式的功率模块用基板210。
并且，在电路层212中，通过固着层中所含的添加元素扩散来形成表面硬化层212A及主体层212B。而且，通过第2固着层中所含的Cu及Si扩散来形成接合附近层212C。
在成为如以上结构的本实施方式的功率模块用基板210中，由于电路层212的一面形成有表面硬化层212A，所以能够抑制热循环负荷时的起伏或褶皱的产生。并且，电路层212具有硬度低于表面硬化层212A的主体层212B，所以能够通过该主体层212B的变形吸收热循环负荷时的热应力。
并且，本实施方式中，在陶瓷基板211与金属板的界面处形成熔融金属区域的加热工序中S24中，由于使形成于成为电路层212的金属板的固着层的添加元素扩散，所以无需进行特别的热处理工序就能够形成表面硬化层212A，并能够控制使该功率模块用基板210的制造成本变低。
接着，用图14及图15对本发明的第4实施方式的功率模块用基板进行说明。
本实施方式的功率模块用基板310具备有：陶瓷基板311；电路层312，配设于该陶瓷基板311的一面(在图14中为上部)；金属层313，配设于陶瓷基板311的另一面(在图14中为下部)。
陶瓷基板311为防止电路层312与金属层313之间的电连接的基板。在本实施方式中，陶瓷基板311由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板311的厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中设定为0.635mm。
电路层312通过在陶瓷基板311的一面接合具有导电性的金属板而形成。在本实施方式中，电路层312通过由纯度为99.99％以上的铝(4N铝)的压延板构成的金属板接合于陶瓷基板311而形成。
金属层313通过在陶瓷基板311的另一面接合金属板而形成。在本实施方式中，金属层313与电路层312同样通过由纯度为99.99％以上的铝(4N铝)的压延板构成的金属板接合于陶瓷基板311而形成。
并且，如图14所示，电路层312具备有：表面硬化层312A，配设于其一面(在图14中为上部)侧；以及主体层312B，位于该表面硬化层312A的另一面侧。
表面硬化层312A暴露在电路层312的一面，并从该一面朝向另一面侧(在图14中为下侧)延伸，是相对于电路层312的一面的压痕硬度Hs具有80％以上的压痕硬度的区域。在此，本实施方式中，电路层312的一面的压痕硬度Hs设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内。
主体层312B成为其压痕硬度Hb不到所述压痕硬度Hs的80％的区域。
另外，本实施方式中，电路层312中与陶瓷基板311的接合界面附近形成有其压痕硬度Hc高于主体层312B的压痕硬度Hb的界面附近层312C。
在此，在本实施方式中，表面硬化层312A的厚度ts为1μm以上300μm以下，主体层312B的厚度tb为100μm以上1500μm以下，界面附近层312C的厚度tc为50μm以上300μm以下。
并且，表面硬化层312A含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，该添加元素的含量的总计为0.2atom％以上10atom％以下。另外，在本实施方式中，含有0.2atom％以上10atom％以下的Ni作为添加元素。
在电路层312中，构成为如下：其一面的添加元素的含量最高，随着朝向另一面侧，含量变低。这是因为通过该添加元素电路层312的一部分被硬化，并形成了上述表面硬化层312A。
另一方面，在主体层312B中，由于上述添加元素的含量少，所以Al的纯度高，变形阻力依旧小。
另外，在位于陶瓷基板311侧的界面附近层312C中，通过在陶瓷基板311与金属板的接合中所利用的元素扩散，从而Al的纯度变得低于主体层312B。
若详细叙述，在界面附近层312C中固溶有Al-Si系钎料中所含的Si。
以下，参照图15的流程图对所述结构的功率模块用基板310的制造方法进行说明。
(层压工序S31)
首先，在陶瓷基板311的一面侧通过厚度为15～30μm(本实施方式中为20μm)的钎料箔对成为电路层312的金属板进行层压，并在陶瓷基板311的另一面侧通过厚度为15～30μm(本实施方式中为20μm)的钎料箔对成为金属层313的金属板进行层压而形成层压体。另外，本实施方式中，钎料箔设为含有熔点降低元素Si的Al-Si系钎料。
(接合加热工序S32)
接着，将在层压工序S31中形成的层压体以向其层压方向加压(压力为1～5kgf/cm2)的状态装入加热炉内进行加热，并在金属板与陶瓷基板311的界面处分别形成熔融金属区域。
另外，本实施方式中，将加热炉内的气氛设为N2气体气氛，加热温度设定在550℃以上650℃以下的范围内。
(凝固工序S33)
接着，通过对层压体进行冷却使熔融金属区域凝固，接合陶瓷基板311和金属板。如此，成为电路层312及金属层313的金属板与陶瓷基板311接合。此时，通过钎料箔中所含的Si扩散，电路层312上形成接合附近层312C。
(固着工序S34)
接着，在电路层312的一面通过溅射固着选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，形成含有该添加元素的固着层。
在本实施方式中，固着Ni作为添加元素，将其固着量设定在0.05mg/cm2以上2.0mg/cm2以下。
(加热工序S35)
而且，通过加热炉将形成有固着层的电路层312与被接合的陶瓷基板311及金属层313一同进行加热。此时的加热温度成为低于上述接合加热工序S32的温度。
通过该加热工序S35，金属板的固着层中所含的的添加元素(本实施方式中为Ni)朝向金属板的另一面侧扩散。由此，在电路层312中通过固着层中所含的添加元素扩散而形成表面硬化层312A及主体层321B，制造出本实施方式的功率模块用基板310。
在成为如以上结构的本实施方式的功率模块用基板310中，由于在电路层312的一面形成有表面硬化层312A，所以能够抑制热循环负荷时的起伏或褶皱的产生。并且，电路层312具有硬度低于表面硬化层312A的主体层312B，所以能够通过该主体层312B的变形吸收热循环负荷时的热应力。
接着，用图16及图17对本发明的第5实施方式的功率模块用基板进行说明。
本实施方式的功率模块用基板410具备有：陶瓷基板411；电路层412，配设于该陶瓷基板411的一面(在图16中为上部)；及金属层413，配设于陶瓷基板411的另一面(在图16中为下部)。
陶瓷基板411由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成，其厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，本实施方式中设定为0.635mm。
电路层412通过在陶瓷基板411的一面接合具有导电性的金属板而形成。在本实施方式中，电路层412通过由纯度为99.99％以上的铝(4N铝)的压延板构成的金属板接合于陶瓷基板411而形成。
金属层413通过在陶瓷基板411的另一面接合金属板而形成。在本实施方式中，金属层413与电路层412同样通过由纯度为99.99％以上的铝(4N铝)的压延板构成的金属板接合于陶瓷基板411而形成。
并且，如图16所示，电路层412具备有：表面硬化层412A，配设于其一面(在图16中为上部)侧；以及主体层412B，位于该表面硬化层412A的另一面侧。
表面硬化层412A暴露在电路层412的一面，并从该一面朝向另一面侧(在图16中为下侧)延伸，是相对于电路层412的一面的压痕硬度Hs具有80％以上的压痕硬度的区域。在此，本实施方式中，电路层412的一面的压痕硬度Hs设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内。
主体层412B成为其压痕硬度Hb不到所述压痕硬度Hs的80％的区域。
另外，本实施方式中，电路层412中与陶瓷基板411的接合界面附近形成有其压痕硬度Hc高于主体层412B的压痕硬度Hb的界面附近层412C。
在此，在本实施方式中，表面硬化层412A的厚度ts为1μm以上300μm以下，主体层412B的厚度tb为100μm以上1500μm以下，界面附近层412C的厚度tc为50μm以上300μm以下。
并且，表面硬化层412A含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，该添加元素的含量的总计为0.2atom％以上10atom％以下。另外，在本实施方式中，含有0.2atom％以上10atom％以下的Ni作为添加元素。
在电路层412中，构成为如下：其一面的添加元素的含量最高，随着朝向另一面侧，含量变低。这是因为通过该添加元素电路层412的一部分被硬化，并形成了上述表面硬化层412A。
另一方面，在主体层412B中，由于上述添加元素的含量少，所以Al的纯度高，变形阻力依旧小。
另外，在位于陶瓷基板411侧的界面附近层412C中，通过在陶瓷基板411与金属板的接合中所利用的元素扩散，从而Al的纯度变得低于主体层412B。本实施方式中，界面附近层412C中固溶有Al-Si系的钎料所含的Si。
以下，参照图17的流程图对所述结构的功率模块用基板410的制造方法进行说明。
(固着工序S41)
首先，在成为固着层的金属板的一面通过溅射固着选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，形成含有该添加元素的固着层。
在本实施方式中，固着Ni作为添加元素，将其固着量设定在0.05mg/cm2以上2.0mg/cm2以下。
(加热工序S42)
接着，通过加热炉对形成于固着层的金属板进行加热。此时的加热温度设定为150℃～600℃。
通过加热工序S42，金属板的固着层中所含的添加元素(本实施方式中为Ni)朝向金属板的另一面侧扩散。由此，在成为电路层的金属板中形成表面硬化层412A、主体层412B。
(层压工序S43)
接着，在陶瓷基板411的一面侧通过厚度为15～30μm(本实施方式中为20μm)的钎料箔对使添加元素扩散的金属板进行层压，并在陶瓷基板411的另一面侧通过厚度为15～30μm(本实施方式中为20μm)的钎料箔对成为金属层413的金属板进行层压而形成层压体。另外，本实施方式中，钎料箔设为含有熔点降低元素Si的Al-Si系钎料。
(接合加热工序S44)
接着，将在层压工序S43中形成的层压体以向其层压方向加压(压力为1～5kgf/cm2)的状态装入加热炉内进行加热，并在金属板与陶瓷基板411的界面处分别形成熔融金属区域。
另外，本实施方式中，将加热炉内的气氛设为N2气体气氛，加热温度设定在550℃以上650℃以下的范围内。即，设为低于所述加热工序S42的温度。
(凝固工序S45)
接着，通过对层压体进行冷却使熔融金属区域凝固，接合陶瓷基板411和金属板。如此，成为电路层412及金属层413的金属板与陶瓷基板411接合。此时，通过钎料箔中所含的Si扩散，从而在电路层412中形成接合附近层412C。
如此，制造出本实施方式的功率模块用基板410。
在成为如以上结构的本实施方式的功率模块用基板410中，由于电路层412的一面形成有表面硬化层412A，所以能够抑制热循环负荷时的起伏或褶皱的产生。并且，电路层412具有硬度低于表面硬化层412A的主体层412B，所以能够通过该主体层412B的变形吸收热循环负荷时的热应力。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不限定于此，在不脱离其发明的技术思想的范围内能够适当变更。
例如，以通过溅射固着选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素的情况进行了说明，但是不限定于此，也可通过电镀、蒸镀、CVD、冷喷涂或者涂布分散有含所述添加元素的粉末的糊剂或涂布墨水而固着添加元素。
并且，也可以与Al一同固着添加元素、第2添加元素、活性元素。此时，即使是Ca及Li等容易氧化的元素也能够确实地固着。另外，为了使Al与所述添加元素一同固着，可以同时蒸镀所述添加元素和Al，也可以利用所述添加元素和Al的合金作为靶而进行溅射。
并且，以由铝构成散热器的情况进行了说明，但也可以由铝合金或含铝的复合材料等构成。另外，对具有冷却介质的流路作为散热器的情况进行了说明，但是不特别限定于散热器的结构，能够使用各种结构的散热器。
并且，在第2、第3实施方式中，对利用N2气氛的加热炉进行陶瓷基板与金属板的接合进行了说明，但不限定于此，也可利用真空炉进行陶瓷基板与金属板的接合。此时的真空度优选设为10-6～10-3Pa的范围内。
另外，在第2实施方式中，使用Al2O3作为陶瓷基板，对在陶瓷基板与金属板的接合界面处形成含活性元素的氧化物层进行了说明，但不限定于此，也可以使用AlN或Si3N4作为陶瓷基板，在陶瓷基板与金属板接合的界面处形成含活性元素的氮化物层。
[实施例]
对为确认本发明的有效性而进行的比较试验进行说明。
首先，在由厚度为0.6mm的4N铝构成的金属板的一面固着表1所示的添加元素，通过加热形成表面硬化层及主体层。将添加元素的固着量、加热条件示于表1。
[表1]
Figure BSA00000439984600301
关于形成于金属板的表面硬化层及主体层，对表面硬化层的一面的压痕硬度Hs、表面硬化层的厚度、主体层的压痕硬度Hb、以及主体层的厚度进行了评价。另外，关于主体层的压痕硬度Hb，对金属板的面中央的金属板的厚度方向中央部进行了测定。
并且，将未形成表面硬化层的由4N铝构成的金属板设为比较例1A。另外，将由含1质量％Si的铝合金构成的金属板设为比较例2A。关于这些比较例1A、2A，也在相当于上述表面硬化层的一面的位置及相当于主体层的位置处分别测定压痕硬度。将结果示于表2。
[表2]
Figure BSA00000439984600311
关于试料1-9，均在金属板的表面形成表面硬化层，并形成硬度低于表面硬化层的主体层，以使层压于其表面硬化层进行。
接着，在由厚度为0.635mm的AlN构成的陶瓷基板利用Al-Si系的钎料接合由厚度为0.6mm的金属板作为电路层，以及接合由厚度为0.6mm的4N铝构成的金属板作为金属层，制造出功率模块用基板。
在此，将利用表1及表2的试料2、9的金属板形成电路层的情况设为本发明例1、2。
而且，将利用表2的比较例1A的金属板形成电路层的情况设为比较例1B。另外，将利用表2的比较例2A的金属板形成电路层的情况设为比较例2B。
而且，利用这些试验片实施热循环试验。具体而言，反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)之后，观察试验片，并且对电路层表面的起伏状态、陶瓷基板与电路层之间的接合率进行了评价。将结果示于表3。
另外，关于起伏，将具有半径为2μm的球状前端，锥角为90°的圆锥作为触针使用，在2.5(mm/基准长度)×5区间的距离，用载重4mN、速度1mm/s扫描表面而测定区间平均的粗糙度曲线，计算其十点平均粗糙度Rz(JIS B0601-1994)。
并且，用下式：接合率＝(初始接合面积-剥离面积)/初始接合面积来计算接合率。在此，“初始接合面积”是指接合前的需接合的面积。
[表3]
  起伏   接合率
 本发明例1   1.4μm   95.2％
 本发明例2   1.3μm   95.3％
 比较例1B   31.6μm   95.1％
 比较例2B   3.5μm   74.3％
在比较例1B中，虽然接合率高，但是在电路层的表面确认了起伏。另一方面，在比较例2B中，虽然抑制了电路层表面的起伏，但接合率低、接合可靠性差。
与此相反，在形成表面硬化层的本发明例1、2中，抑制了电路层表面的起伏，且接合率也高。

Claims (12)

1.一种功率模块用基板，在陶瓷基板的一面配设有铝制电路层，并且在该电路层的一面上配设电子零件，其特征在于，
所述电路层具有主体层及配置成在所述一面侧暴露的表面硬化层，
所述电路层的所述一面的压痕硬度Hs设定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范围内，
所述电路层中，具有所述压痕硬度Hs的80％以上的压痕硬度的区域成为所述表面硬化层，
所述表面硬化层含有选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素，
所述主体层的压痕硬度Hb不到所述压痕硬度Hs的80％。
2.如权利要求1所述的功率模块用基板，其特征在于，
所述表面硬化层的厚度为1μm以上300μm以下，所述主体层的厚度为100μm以上1500μm以下。
3.如权利要求1或2所述的功率模块用基板，其特征在于，
所述表面硬化层中的所述添加元素的含量的总计为0.2atom％以上10atom％以下。
4.如权利要求1或2所述的功率模块用基板，其特征在于，
所述陶瓷基板由AlN、Si3N4或Al2O3构成。
5.一种功率模块用基板的制造方法，制造权利要求1至4中的任一项所述的功率模块用基板，其特征在于，具备有：
固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素固着于成为所述电路层的金属板的所述一面，形成含有该添加元素的固着层；以及
加热工序，加热所述电路层，通过使所述添加元素朝向所述电路层的内部扩散，从而在所述电路层的所述一面形成表面硬化层。
6.一种功率模块用基板的制造方法，制造权利要求1至4中的任一项所述的功率模块用基板，其特征在于，具有：
固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素固着在成为所述电路层的金属板的一面，形成含有该添加元素的固着层；
层压工序，在所述金属板的另一面侧通过钎料层压所述陶瓷基板；
加热工序，将被层压的所述陶瓷基板和所述金属板向层压方向加压的同时进行加热，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；以及
凝固工序，通过使该熔融金属区域凝固来接合所述陶瓷基板和所述金属板，
在所述加热工序中，通过使所述固着层的所述添加元素朝向所述电路层的内部扩散，从而在所述电路层的所述一面形成表面硬化层。
7.一种功率模块用基板的制造方法，制造权利要求1至4中的任一项所述的功率模块用基板，其特征在于，具有：
固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素固着于成为所述电路层的金属板的一面，形成含有该添加元素的固着层；
第2固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li中的1种或2种以上的第2添加元素固着于所述金属板的另一面和所述陶瓷基板的一面中的至少一方，形成第2固着层；
层压工序，通过所述第2固着层来层压所述陶瓷基板和所述金属板；
加热工序，将被层压的所述陶瓷基板和所述金属板向层压方向加压的同时进行加热，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；以及
凝固工序，通过使该熔融金属区域凝固来接合所述陶瓷基板和所述金属板，
在所述加热工序中，通过使所述固着层的所述添加元素朝向所述电路层的内部扩散，从而在所述电路层的所述一面形成表面硬化层。
8.一种功率模块用基板的制造方法，制造权利要求1至4中的任一项所述的功率模块用基板，其特征在于，具有：
固着工序，将选自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Li及Ni中的1种或2种以上的添加元素固着于成为所述电路层的金属板的一面，形成含有该添加元素的固着层；
第2固着工序，将选自Si、Cu、Ag及Ge中的1种或2种以上的第2添加元素和选自Ti、Zr、Hf、Ta、Nb及Mo中的1种或2种以上的活性元素固着于所述金属板的另一面和所述陶瓷基板的一面中的至少一方，形成含有这些第2添加元素及活性元素的第2固着层；
层压工序，通过所述第2固着层来层压所述陶瓷基板和所述金属板；
加热工序，将被层压的所述陶瓷基板和所述金属板向层压方向加压的同时进行加热，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；以及
凝固工序，通过使该熔融金属区域凝固来接合所述陶瓷基板和所述金属板，
通过使所述添加元素扩散在所述金属板，从而在所述金属板表层形成金属硬化层。
9.如权利要求5至8中的任一项所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
在所述固着工程中，与所述添加元素一同固着Al。
10.如权利要求5至8中的任一项所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
所述固着工序通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者涂布分散有含所述添加元素的粉末的糊剂或墨水来固着所述添加元素，形成所述固着层。
11.一种自带散热器的功率模块用基板，其特征在于，具备：
权利要求1至4中的任一项所述的功率模块用基板；及
对该功率模块用基板进行冷却的散热器。
12.一种功率模块，其特征在于，具备：
权利要求1至4中的任一项所述的功率模块用基板；及
搭载于该功率模块用基板上的电子零件。
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