CN102646604B - 自带散热器的功率模块用基板及其制造方法以及功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够抑制散热器与第二金属板的接合界面处空隙的产生而紧固接合散热器与第二金属板的自带散热器的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。其特征在于，在第二金属板的另一面接合散热器的散热器接合工序具有：Si层形成工序(S01)，在第二金属板的另一面与散热器的接合面中的至少一方形成Si层；散热器层压工序(S02)，通过Si层层压第二金属板和散热器；散热器加热工序(S03)，将第二金属板和散热器向层压方向加压的同时进行加热，使Si层的Si向第二金属板及散热器扩散，从而形成熔融金属区域，及熔融金属凝固工序(S04)，通过凝固该熔融金属区域而接合第二金属板与散热器。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制大电流、高电压的半导体装置中使用的自带散热器的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。
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，例如使用有如下自带散热器的功率模块用基板：在由AlN(氮化铝)或Si3N4(氮化硅)等构成的陶瓷基板上接合Al(铝)的第一金属板的同时，通过Al(铝)的第二金属板在基板的相反侧接合散热器。
在这种自带散热器的功率模块用基板中，第一金属板作为电路层形成，在第一金属板上，通过焊料搭载功率元件的半导体芯片。
以往，所述自带散热器的功率模块用基板，例如如专利文献1所示，按以下顺序制造。
首先，在陶瓷基板的一面通过钎料层压第一金属板，在陶瓷基板的另一面通过钎料层压第二金属板，以预定的压力向层压方向对其加压的同时进行加热，使陶瓷基板与第一金属板及第二金属板接合(陶瓷基板接合工序)。
接着，在第二金属板中陶瓷基板的相反侧的面，通过钎料层压散热器，以预定的压力向层压方向加压的同时进行加热，由此使第二金属板与散热器接合(散热器接合工序)。
专利文献1：日本专利公开2002-009212号公报
但是，在接合散热器与第二金属板的散热器接合工序中，使用钎料箔时，在第二金属板与散热器的界面部分存在如下倾向：在第二金属板及散热器的表面、钎料箔的两面的4个面存在氧化薄膜，氧化薄膜的总计厚度变厚。在此，接合第二金属板与散热器时，为了去除这些氧化薄膜，以充分的压力向层压方向加压散热器及第二金属板(功率模块用基板)并进行加热处理。然而，在加压不充分的部分未能去除氧化薄膜，有可能在散热器与第二金属板的接合界面处局部产生空隙。
尤其，近几年提出有在1个功率模块用基板安装多个半导体元件的方法，散热器与第二金属板的接合面积有大型化的趋势，产生所述空隙的危险性增加。
并且，钎焊第二金属板与散热器时，为了较低地设定熔点，大多使用含有7.5质量％以上Si的Al-Si系合金钎料箔。如此含有较多Si的Al-Si系合金中，由于延伸性不充分，难以通过压延等制造箔料。
另外，在散热器与第二金属板之间配置钎料箔，将这些向层压方向加压并进行加热，但需要层压配置钎料箔、散热器及第二金属板，以免加压时发生钎料箔的错位。
发明内容
本发明是鉴于所述情况而完成的，其目的在于提供一种能够抑制散热器与第二金属板的接合界面处空隙的产生，可紧固接合散热器与第二金属板，且可提供高品质的自带散热器的功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，及根据该制造方法获得的自带散热器的功率模块用基板、功率模块。
为解决这种课题并实现所述目的，本发明的自带散热器的功率模块用基板的制造方法中，所述自带散热器的功率模块用基板具备：陶瓷基板；第一金属板，由铝构成且一面接合于该陶瓷基板的表面；第二金属板，由铝构成且一面接合于所述陶瓷基板的背面；及散热器，由铝或铝合金构成且接合于该第二金属板的另一面、即与所述陶瓷基板接合的所述一面的相反侧的面，其特征在于，具有：陶瓷基板接合工序，接合所述陶瓷基板与所述第一金属板，以及接合所述陶瓷基板与所述第二金属板；及散热器接合工序，在所述第二金属板的另一面接合所述散热器，所述散热器接合工序具有：Si层形成工序，在所述第二金属板的另一面和所述散热器的接合面中的至少一方固着Si而形成Si层；散热器层压工序，通过所述Si层，层压所述第二金属板与所述散热器；散热器加热工序，将被层压的所述第二金属板和所述散热器向层压方向加压的同时进行加热，在所述第二金属板与所述散热器的界面形成熔融金属区域；以及熔融金属凝固工序，通过凝固该熔融金属区域来接合所述第二金属板与所述散热器，在所述散热器加热工序中，通过使所述Si层的Si向所述第二金属板及所述散热器扩散，从而在所述第二金属板与所述散热器的界面形成所述熔融金属区域。
在此结构的自带散热器的功率模块用基板的制造方法中，由于在第二金属板的另一面接合散热器的散热器接合工序具备有在所述第二金属板的另一面和所述散热器的接合面中的至少一方固着Si而形成Si层的Si层形成工序，所以在第二金属板与散热器的接合界面介入有Si。在此，由于Si是降低铝的熔点的元素，因此在比较低温的条件下，也能够在所述第二金属板与所述散热器的界面形成熔融金属区域。
并且，加热工序中，通过使Si层内的Si向所述第二金属板及散热器侧扩散，在所述散热器与所述第二金属板的界面形成所述熔融金属区域，通过凝固该熔融金属区域而成为接合所述第二金属板与所述散热器的结构，因此无需使用Al-Si系的钎料箔等。
而且，由于在第二金属板与散热器直接固着Si，因此氧化薄膜只存在于第二金属板及散热器的表面，存在于第二金属板及散热器的界面的氧化薄膜的总计厚度比使用钎料箔时更薄。由此，接合时，能够确实去除氧化薄膜，并能够抑制在第二金属板与散热器的接合界面产生空隙，从而提高第二金属板及散热器的接合强度。
并且，如前所述，由于不使用制造困难的Al-Si系的钎料箔等而接合所述第二金属板与所述散热器，所以能够以低成本制造第二金属板与散热器确实接合的自带散热器的功率模块用基板。
另外，由于不使用钎料箔而在所述散热器的接合面及所述第二金属板的另一面中的至少一方直接固着Si，所以无需进行钎料箔的对位作业等。
在此，所述Si层形成工序中，优选在所述第二金属板的另一面与所述散热器的接合面中的至少一方，除了Si之外，还固着选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2中以上的添加元素。
此时，在第二金属板与散热器的接合界面，除了Si之外，还介入有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。在此，由于Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li之类的元素为降低铝熔点的元素，因此在比较低温的条件下，也能够在第二金属板与散热器的界面确实形成熔融金属区域。
由此，即使在比较低温、短时间的接合条件下接合，也能够进一步紧固接合第二金属板与散热器。
并且，在所述Si层形成工序中，优选设为与Si一同固着Al的结构。
此时，由于与Si一同固着Al，所以形成的Si层含有Al，加热工序中，该Si层优先熔融，可在第二金属板与散热器的界面确实形成熔融金属区域，并能够紧固接合第二金属板与散热器。另外，为了与Si一同固着Al，可同时蒸镀Si与Al，也可将Si与Al的合金作为靶进行溅射。另外，还可层压Si与Al。
并且，所述陶瓷基板接合工序也可以设为如下结构，即具有：金属固着工序，在所述陶瓷基板与所述第一金属板的接合界面处的所述陶瓷基板的接合面和所述第一金属板的接合面中的至少一方固着Cu或Si中的1种以上而形成第1金属层的同时，在所述陶瓷基板与所述第二金属板的接合界面中的所述陶瓷基板的接合面和所述第二金属板的接合面中的至少一方固着Cu或Si中的1种以上而形成第2金属层；陶瓷基板层压工序，通过所述第1金属层层压所述陶瓷基板和所述第一金属板的同时，通过所述第2金属层层压所述陶瓷基板和所述第二金属板；陶瓷基板加热工序，将被层压的所述第一金属板、所述陶瓷基板及所述第二金属板向层压方向加压的同时进行加热，在所述第一金属板与所述陶瓷基板的界面及所述陶瓷基板与所述第二金属板的界面形成第一熔融金属区域及第二熔融金属区域；及第一熔融金属及第二熔融金属凝固工序，通过凝固该第一熔融金属区域及第二熔融金属区域，接合所述第一金属板与所述陶瓷基板及所述陶瓷基板与所述第二金属板，其中，在所述陶瓷基板加热工序中，可以通过使所述第1金属层及所述第2金属层的Cu或Si中的1种以上向所述第一金属板及所述第二金属板扩散，在所述第一金属板与所述陶瓷基板的界面及所述陶瓷基板与所述第二金属板的界面形成所述第一熔融金属区域及所述第二熔融金属区域。
此时，在陶瓷基板与第一金属板及陶瓷基板与第二金属板的接合中，也无需使用钎料，可以低成本确实接合陶瓷基板与第一金属板及第二金属板。
并且，由于在陶瓷基板与第一金属板及第二金属板的接合界面介入有Si或Cu的至少1种，因此在比较短时间的接合条件下接合，也能够紧固接合陶瓷基板与金属板。
在此，在所述金属固着工序中，优选在所述陶瓷基板与所述第一金属板的接合界面处的所述陶瓷基板的接合面和所述第一金属板的接合面中的至少一方或者在所述陶瓷基板与所述第二金属板的接合界面处的所述陶瓷基板的接合面与所述第二金属板的接合面中的至少一方，除了Cu或Si中的1种以上之外，还固着选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。
此时，在所述陶瓷基板与所述第一金属板的接合界面或者所述陶瓷基板与所述第二金属板的接合界面，除了Cu或Si中的1种以上之外，还介入有选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。在此，由于Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li之类的元素为降低铝的熔点的元素，所以在比较低温的条件下，也能在所述陶瓷基板与所述第一金属板的界面确实形成第一熔融金属区域，或者能够在所述陶瓷基板与所述第二金属板的界面确实形成第二熔融金属区域。
由此，在比较低温、短时间的接合条件下接合，也能够进一步紧固接合陶瓷基板与第一金属板及第二金属板。
另外，优选同时进行所述陶瓷基板接合工序和所述散热器接合工序。
此时，通过同时进行所述陶瓷基板接合工序和所述散热器接合工序，能够大幅削减接合用成本。并且，由于不用反复加热、冷却而完成，所以还能够谋求该自带散热器的功率模块用基板的翘曲的降低。
并且，所述Si层形成工序优选通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者通过涂布分散有粉末的糊剂及墨水等，在所述散热器的接合面及所述第二金属板的另一面中的至少一方固着Si。
此时，由于Si通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者通过涂布分散有粉末的糊剂及墨水等，确实固着于所述散热器的接合面及所述第二金属板的另一面中的至少一方，所以能够使Si确实地介入于散热器与第二金属板的接合界面。并且，能够高精度调节Si的固着量，并且能够确实形成熔融金属区域而紧固接合散热器与第二金属板。
另外，优选所述第二金属板由多个金属板层压而构成。
此时，由于第二金属板成为层压多个金属板的结构，所以能够用该第二金属板充分缓和由散热器与陶瓷基板的热膨胀系数之差引起的热应变，并能够抑制在陶瓷基板中产生破裂。
本发明的自带散热器的功率模块用基板，具备：陶瓷基板；第一金属板，由铝构成且一面接合于该陶瓷基板的表面；第二金属板，由铝构成且一面接合于所述陶瓷基板的背面；及散热器，由铝或铝构成且接合于该第二金属板的另一面、即与所述陶瓷基板接合的所述一面的相反侧的面，其特征在于，在所述第二金属板及所述散热器固溶有Si，在所述第二金属板及所述散热器的接合界面附近的Si浓度设定在0.05质量％以上0.6质量％以下的范围内。
根据该结构的自带散热器的功率模块用基板，由于在所述第二金属板及所述散热器分别固溶有Si，所以第二金属板及散热器的各接合界面侧部分固溶强化。
在此，由于所述第二金属板及所述散热器的接合界面附近处的Si浓度为0.05质量％以上，所以能够确实地固溶强化所述第二金属板及所述散热器的接合界面侧部分。并且，由于所述第二金属板及所述散热器的接合界面附近处的Si浓度为0.6质量％以下，所以能够防止所述第二金属板及所述散热器的接合界面的强度过于变高，并能够用所述第二金属板及所述散热器吸收热应变。
并且，优选在所述第二金属板及所述散热器，除了Si之外，还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。
此时，由于在所述第二金属板及所述散热器，除了Si之外，还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，所以能够确实固溶强化所述第二金属板及所述散热器的接合界面侧部分。
另外，优选在所述第一金属板与所述陶瓷基板的接合界面附近处或者在所述第二金属板与所述陶瓷基板的接合界面附近处，除了Cu或Si中的1种以上之外，还固溶有选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。
此时，由于在所述第一金属板与所述陶瓷基板的接合界面附近处或者在所述第二金属板与所述陶瓷基板的接合界面附近处，除了Cu或Si中的1种以上之外，还固溶有选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，所以能够确实地固溶强化所述第一金属板及所述第二金属板中与所述陶瓷基板的接合界面侧部分。
并且，所述第二金属板的厚度优选设定为厚于所述第一金属板的厚度。
此时，能够使设置有散热器侧的刚性高于其相反侧的刚性，由此可抑制冷却后的翘曲。
另外，所述第二金属板优选由多个金属板层压而构成。
此时，由于第二金属板成为层压多个金属板的结构，所以能够用该第二金属板充分缓和由散热器与陶瓷基板的热膨胀系数之差引起的热应变，并能抑制在陶瓷基板中产生破裂。
本发明的功率模块的特征在于，具备：所述自带散热器的功率模块用基板和搭载于该自带散热器的功率模块用基板上的电子零件。
根据该结构的功率模块，散热器与第二金属板的接合强度高，即使在严峻的使用环境下，也能够发散来自半导体元件等电子零件的热。
根据本发明，能够提供一种可抑制散热器与第二金属板的接合界面处空隙的产生而紧固接合散热器与第二金属板，且可提供高品质的自带散热器的功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板的制造方法、及通过该制造方法获得的自带散热器的功率模块用基板、功率模块。
附图说明
图1是使用本发明的第1实施方式的自带散热器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实施方式的自带散热器的功率模块用基板的金属层及散热器的Si浓度分布的说明图。
图3是本发明的第1实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图4是表示本发明的第1实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图5是表示图4中的第二金属板(金属层)与散热器的接合界面附近的说明图。
图6是使用本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板的功率模块的简要说明图。
图7是表示本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板的金属层及散热器的Si浓度分布及Ge浓度分布的说明图。
图8是本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图9是表示本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图10是使用本发明的第3实施方式的自带散热器的功率模块用基板的功率模块的简要说明图。
图11是表示本发明的第3实施方式的自带散热器的功率模块用基板的金属层及散热器的Si浓度分布及Ag浓度分布的说明图。
图12是本发明的第3实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图13是表示本发明的第3实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图14是表示本发明的第3实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图15是使用本发明的第4实施方式的自带散热器的功率模块用基板的功率模块的简要说明图。
图16是本发明的第4实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图17是表示本发明的第4实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图18是表示本发明的第4实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图19是使用本发明的其他实施方式的自带散热器的功率模块用基板的功率模块的简要说明图。
符号说明
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(第一金属板)，13、113、213、313、413-金属层(第二金属板)，40、140、240、340、440-散热器，24、124、224、324-第1Si层(第1金属层)，25、125、225、325-第2Si层(第2金属层)，26、126、226、326-Si层，27-第一熔融金属区域，28-第二熔融金属区域，29-熔融金属区域，30、130、230-接合界面。
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中表示本发明的第1实施方式的自带散热器的功率模块用基板及功率模块。
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例如为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)。
功率模块用基板10具备有：陶瓷基板11；电路层12，配设于该陶瓷基板11的一面(在图1中为上部)；及金属层13，配设于陶瓷基板11的另一面(在图1中为下部)。
陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，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。
电路层12通过在陶瓷基板11的一面接合具有导电性的金属板22而形成。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。
金属层13通过在陶瓷基板11的另一面接合金属板23而形成。在本实施方式中，金属层13与电路层12相同，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，具备有：顶板部41，与功率模块用基板10接合；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。
而且，如图2所示，在金属层13(金属板23)与散热器40的接合界面30中，在金属层13(金属板23)及散热器40固溶有Si。在金属层13及散热器40的接合界面30附近处形成有Si浓度随着从接合界面30向层压方向离开而逐渐降低的浓度倾斜层33、34。在此，该浓度倾斜层33、34的接合界面30侧(金属层13及散热器40的接合界面30附近)的Si浓度设定在0.05质量％以上0.6质量％以下的范围内。
另外，金属层13及散热器40的接合界面30附近处的Si浓度是通过EPMA分析(斑点直径30μm)在距离接合界面30的50μm位置进行5点测定的平均值。并且，图2的图表是在金属层13(金属板23)及散热器40(顶板部41)的宽度中央部分向层压方向进行线性分析，并以所述50μm位置处的浓度为基准求出的图表。
以下参照图3至图5对所述结构的自带散热器的功率模块用基板的制造方法进行说明。
(Si层形成工序S01/Si固着工序S11)
首先，如图4、图5所示，通过溅射在成为电路层12的金属板22的一面固着Si而形成第1Si层24的同时，通过溅射在成为金属层13的金属板23的一面固着Si而形成第2Si层25(Si固着工序S11)。
并且，通过溅射在成为金属层13的金属板23的另一面固着Si而形成Si层26(Si形成工序S01)。
在此，本实施方式中，第1Si层24、第2Si层25及Si层26的Si量设定在0.002mg/cm2以上1.2mg/cm2以下。
(散热器层压工序S02/陶瓷基板层压工序S12)
接着，如图4所示，将金属板22层压在陶瓷基板11的一面侧，并且将金属板23层压在陶瓷基板11的另一面侧(陶瓷基板层压工序S12)。此时，如图4所示，以金属板22的形成有第1Si层24的面、金属板23的形成有第2Si层25的面朝向陶瓷基板11的方式层压金属板22、23。
另外，在金属板23的另一面侧层压散热器40(散热器层压工序S02)。此时，如图4所示，以金属板23的形成有Si层26的面朝向散热器40的方式层压金属板23与散热器40。
即，在金属板22、23与陶瓷基板11之间分别介入第1Si层24、第2Si层25，在金属板23与散热器40之间介入Si层26。
(散热器加热工序S03/陶瓷基板加热工序S13)
接着，将金属板22、陶瓷基板11、金属板23、散热器40以向层压方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态装入真空加热炉内进行加热，在金属板22、23与陶瓷基板11的界面分别形成第一熔融金属区域27、第二熔融金属区域28(陶瓷基板加热工序S13)。
并且，同时在金属板23与散热器40之间形成熔融金属区域29(散热器加热工序S03)。
如图5所示，熔融金属区域29是通过如下而形成的：通过Si层26的Si向金属板23侧及散热器40侧扩散，从而金属板23及散热器40的Si层26附近的Si浓度上升，熔点变低。
另外，上述压力不到1kgf/cm2时，有可能无法良好地进行陶瓷基板11与金属板22、23的接合及金属板23与散热器40的接合。并且，上述压力超过35kgf/cm2时，有可能金属板22、23及散热器40变形。由此，上述加压压力优选设在1～35kgf/cm2的范围内。
在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上650℃以下的范围内。
(熔融金属凝固工序S04/第一熔融金属及第二熔融金属凝固工序S14)
接着，在形成熔融金属区域29的状态下将温度保持为恒定。这样，熔融金属区域29中的Si进一步向金属板23侧及散热器40侧扩散。由此，曾为熔融金属区域29的部分的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，散热器40和金属板23通过所谓扩散接合(Transient Liquid PhaseDiffusion Bonding)而接合。如此，进行凝固后冷却至常温。同样，第一熔融金属区域27、第二熔融金属区域28中的Si向金属板22、23侧扩散。由此，曾为第一熔融金属区域27、第二熔融金属区域28的部分的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。由此，陶瓷基板11与金属板22、23接合。
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，并且金属板23与散热器40接合，制造出本实施方式的自带散热器的功率模块用基板。
在如以上结构的本实施方式的自带散热器的功率模块用基板及功率模块1中，由于具备有在成为金属层13的金属板23与散热器40之间形成Si层26的Si层形成工序S01，所以在金属板23与散热器40的接合界面30介入Si。在此，由于Si为降低铝熔点的元素，因此在比较低温的条件下也能在金属板23与散热器40的界面确实地形成熔融金属区域29。
另外，由于是如下结构：在散热器加热工序S03中，通过使形成于金属板23的另一面的Si层26的Si向金属板23侧及散热器40侧扩散来形成熔融金属区域29，在熔融金属凝固工序S04中，通过使熔融金属区域29中的Si进一步向金属板23侧及散热器40侧扩散而凝固，并接合散热器40与金属层13(金属板23)，所以无需使用Al-Si系的钎料箔等。
而且，由于在金属层13(金属板23)直接固着Si，所以氧化薄膜只形成于金属层13(金属板23)及散热器40(顶板部41)的表面，存在于金属层13(金属板23)及散热器40(顶板部41)的界面的氧化薄膜的总计厚度比使用钎料箔时更薄。由此，能够确实地去除氧化薄膜，并能够抑制在金属层13(金属板23)及散热器40(顶板部41)的接合界面30产生空隙，提高金属层13(金属板23)及散热器40(顶板部41)的接合强度。
并且，本实施方式中，关于陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)也是如下结构：在陶瓷基板加热工序S13中，通过使形成于金属板22、23的接合面的第1Si层24、第2Si层25的Si向金属板22、23侧扩散而形成第一熔融金属区域27、第二熔融金属区域28，在第一熔融金属及第二熔融金属凝固工序S14中，通过使第一熔融金属区域27、第二熔融金属区域28中的Si进一步向金属板22、23侧扩散而凝固，接合陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)，所以这些存在于陶瓷基板11与电路层12(金属板22)的接合界面及陶瓷基板11与金属层13(金属板23)的接合界面的氧化薄膜的总计厚度变薄，能够提高陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及陶瓷基板11与金属层13(金属板23)的初始接合的成品率。
另外，由于在散热器40与金属板23的接合及陶瓷基板11与金属板22、23的接合时不使用钎料箔，所以无需进行钎料箔的对位作业等，就能够确实地分别接合散热器40与金属板23、陶瓷基板11与金属板22、23。由此，能够以低成本有效制造出本实施方式的自带散热器的功率模块用基板。
并且，本实施方式中，由于是同时进行陶瓷基板11与金属板22、23的接合和金属板23与散热器40的接合的结构，所以能够大幅削减有关这些接合的成本。并且，由于无需对陶瓷基板11进行反复加热、冷却即可完成，所以能够谋求该自带散热器的功率模块用基板的翘曲的降低，并能够制造出高品质的自带散热器的功率模块用基板。
另外，由于Si层形成工序S01是通过溅射在金属板23的另一面固着Si而形成Si层26的结构，所以能够在散热器40与金属板23之间确实地介入Si。并且，能够高精度地调节Si的固着量，并能够确实地形成熔融金属区域29而紧固接合散热器40与金属板23。
并且，本实施方式的自带散热器的功率模块用基板中，在散热器40与金属层13(金属板23)的接合界面30中，在金属层13(金属板23)及散热器40固溶有Si，金属层13及散热器40的各接合界面30侧的Si浓度设定在0.05质量％以上0.6质量％以下的范围内，因此金属层13(金属板23)及散热器40的接合界面30侧部分固溶强化，能够防止金属层13(金属板23)及散热器40中产生龟裂。由此，能够提供可靠性高的自带散热器的功率模块用基板。
接着，使用图6至图9对本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板及功率模块进行说明。
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。
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6中为上部)；及金属层113，配设于陶瓷基板111的另一面(在图6中为下部)。
并且，陶瓷基板111由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。
电路层112通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)压延板构成的金属板122接合于陶瓷基板111而形成。
金属层113与电路层112相同，通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)压延板构成的金属板123接合于陶瓷基板111而形成。
另外，如图6所示，本实施方式中，金属层113的厚度设定为厚于电路层112的厚度。
散热器140用于冷却所述功率模块用基板110，具备有：顶板部141，与功率模块用基板110接合；及流路142，用于使冷却介质流通。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A6063(铝合金)构成。
而且，如图7所示，在金属层113(金属板123)与散热器140的接合界面130中，在金属层113(金属板123)及散热器140，除了Si之外，还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。另外，本实施方式中，固溶Ge作为添加元素。
并且，在电路层112(金属板122)与陶瓷基板111的接合界面及金属层113(金属板123)与陶瓷基板111的接合界面，除了Si之外，还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。另外，本实施方式中，固溶Ge作为添加元素。
在此，在金属层113及散热器140的接合界面130附近处，形成有Si浓度及Ge浓度随着从接合界面130向层压方向离开而逐渐降低的浓度倾斜层133、134。在此，该浓度倾斜层133、134的接合界面130侧(金属层113及散热器140的接合界面130附近处)的Si和添加元素(本实施方式中为Ge)的总计浓度设定在0.05质量％以上6.5质量％以下的范围内。
另外，金属层113及散热器140的接合界面130附近的Si浓度及Ge浓度是通过EPMA分析(斑点直径30μm)在距离接合界面130的50μm位置进行5点测定的平均值。并且，图7的图表是在金属层113(金属板123)及散热器140(顶板部141)的宽度中央部分中向层压方向进行线性分析，并以所述50μm位置处的浓度作为基准求出的图表。
以下，参照图8及图9对所述结构的自带散热器的功率模块用基板的制造方法进行说明。
(Si固着工序S101)
首先，如图9所示，通过溅射在成为电路层112的金属板122的一面固着Si而形成第1Si层124的同时，通过溅射在成为金属层113的金属板123的一面固着Si而形成第2Si层125。另外，在该第1Si层124、第2Si层125，除了Si之外，还固着有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，在本实施方式中采用Ge作为添加元素。
(陶瓷基板层压工序S102)
接着，在陶瓷基板111的一面侧层压金属板122，并且在陶瓷基板111的另一面侧层压金属板123。此时，以金属板122的形成有第1Si层124的面、金属板123的形成有第2Si层125的面朝向陶瓷基板111的方式层压金属板122、123。
(陶瓷基板加热工序S103)
接着，将金属板122、陶瓷基板111、金属板123以向层压方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态装入真空加热炉内进行加热，在金属板122、123与陶瓷基板111的界面分别形成第一熔融金属区域、第二熔融金属区域。
在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上650℃以下的范围内。
(第一熔融金属及第二熔融金属凝固工序S104)
接着，在形成第一熔融金属区域、第二熔融金属区域的状态下将温度保持为恒定，使第一熔融金属区域、第二熔融金属区域中的Si向金属板122、123侧扩散，在将温度保持为恒定的状态下凝固，接合陶瓷基板111与金属板122、123。如此，制造出功率模块用基板110。
(Si层形成工序S105/散热器层压工序S106)
接着，在功率模块用基板110的金属层113的另一面侧固着Si及Ge而形成Si层126。该Si层126的Si量设定在0.002mg/cm2以上1.2mg/cm2以下，Ge量设定在0.002mg/cm2以上2.5mg/cm2以下。
而且，通过该Si层126在金属层113的另一面侧层压散热器140。
(散热器加热工序S107)
接着，将功率模块用基板110和散热器140以向层压方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态装入真空加热炉内进行加热，在金属层113与散热器140之间形成熔融金属区域。
在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上650℃以下的范围内。
(熔融金属凝固工序S108)
接着，在形成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Si及Ge进一步向金属层113侧及散热器140侧扩散。由此，曾为熔融金属区域的部分的Si浓度及Ge浓度逐渐下降，熔点上升，在将温度保持为恒定的状态下进行凝固。如此，进行凝固之后冷却至常温。
如此，功率模块用基板110与散热器140接合，并制造出本实施方式的自带散热器的功率模块用基板。
在如上结构的本实施方式的自带散热器的功率模块用基板及功率模块101中，由于通过在散热器140与金属层113之间与Si一同固着Ge，使这些Si与Ge扩散而形成熔融金属区域，使熔融金属区域中的Si和Ge进一步扩散而接合散热器140与功率模块用基板110，所以无需使用钎料箔。而且，由于在金属层113(金属板123)直接固着Si及Ge，所以存在于散热器140与金属层113(金属板123)的界面的氧化薄膜的总计厚度比使用钎料箔时更薄。由此，能够确实地去除氧化薄膜，并能够抑制在金属层113(金属板123)及散热器140的接合界面130产生空隙，从而提高金属层113(金属板123)与散热器140的接合强度。
并且，由于是除了Si之外，还添加Ge，并使这些Si与Ge扩散而形成熔融金属区域的结构，所以能够降低散热器140及金属层113的接合界面130附近的熔点，即使将散热器加热工序S107中的接合温度设定成低于陶瓷基板加热工序S103中的接合温度，也能够接合散热器140与功率模块用基板110。
另外，本实施方式中，由于构成为金属层113的厚度厚于电路层112的厚度，所以将陶瓷基板111作为基准，金属层113侧(即设置有散热器140侧)的刚性设定为高于电路层112侧的刚性，能够抑制接合后的自带散热器的功率模块用基板的翘曲。
接着，使用图10至图14对本发明的第3实施方式的自带散热器的功率模块用基板及功率模块进行说明。
该功率模块201具备有：功率模块用基板210，配设有电路层212；半导体芯片3，通过焊层2接合于电路层212的表面；及散热器240。
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10中为上部)；及金属层213，配设于陶瓷基板211的另一面(在图10中为下部)。
另外，陶瓷基板211由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。
电路层212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222接合于陶瓷基板211而形成。
金属层213与电路层212相同，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223接合于陶瓷基板211而形成。
散热器240用于冷却所述功率模块用基板210。本实施方式的散热器240具备有：顶板部241，接合于功率模块用基板210；底板部245，配置成与该顶板部241对置；及波纹状散热片246，介入安装于顶板部241与底板部245之间，通过顶板部241、底板部245及波纹状散热片246，划分出使冷却介质流通的流路242。
在此，该散热器240通过分别钎焊顶板部241与波纹状散热片246、波纹状散热片246与底板部245而构成。本实施方式中，如图14所示，顶板部241及底板部245由层压铝板构成，并以接合层241B、245B朝向波纹状散热片246侧的方式配设有顶板部241及底板部245，所述层压铝板中层压有A3003合金制基材层241A、245A与A4045合金制接合层241B、245B。即，成为顶板部241的基材层241A与金属层213接触的结构。
而且，如图11所示，在散热器240(顶板部241的基材层241A)与金属层213(金属板223)的接合界面230中，在金属层213(金属板223)及散热器240(顶板部241的基材层241A)，除了Si之外，还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。另外，本实施方式中固溶Ag作为添加元素。
并且，在电路层212(金属板222)与陶瓷基板211的接合界面及金属层213(金属板223)与陶瓷基板211的接合界面中，除了Si之外，还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。另外，本实施方式中固溶Ag作为添加元素。
在此，在金属层213及散热器240的接合界面230附近处形成有Si浓度及Ag浓度随着从接合界面230离开而逐渐下降的浓度倾斜层233、234。在此，该浓度倾斜层233、234的接合界面230侧(金属层213及散热器240的接合界面230附近)的Si与添加元素(本实施方式中为Ag)的总计浓度设定在0.05质量％以上6.5质量％以下的范围内。
另外，金属层213及散热器240的接合界面230附近处的Si浓度及Ag浓度是通过EPMA分析(斑点直径30μm)在距离接合界面230的50μm位置进行5点测定的平均值。并且，图11的图表是在金属层213(金属板223)及散热器240(顶板部241)的宽度中央部分向层压方向进行线性分析，并以所述50μm位置处的浓度作为基准求出的图表。
以下，对所述结构的自带散热器的功率模块用基板的制造方法进行说明。
(Si固着工序S201)
首先，如图13所示，在成为电路层212的金属板222的一面，通过溅射固着Si而形成第1Si层224的同时，在成为金属层213的金属板223的一面，通过溅射固着Si而形成第2Si层225。另外，在此第1Si层224、第2Si层225，除了Si之外，还固着有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，本实施方式中，使用Ag作为添加元素。
在此，本实施方式中，第1Si层224、第2Si层225中的Si量设定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下。并且，Ag量设定在0.08mg/cm2以上5.4mg/cm2以下。
(陶瓷基板层压工序S202)
接着，如图13所示，将金属板222层压在陶瓷基板211的一面侧，并且将金属板223层压在陶瓷基板211的另一面侧。此时，如图13所示，层压金属板222、223，以使金属板222的第1Si层224、金属板223的第2Si层225所形成的面朝向陶瓷基板211。即，金属板222、223与陶瓷基板211之间分别介入第1Si层224、第2Si层225。
(陶瓷基板加热工序S203)
接着，在向层压方向对金属板222、陶瓷基板211、金属板223进行加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下将其装入真空加热炉内进行加热，在金属板222、223与陶瓷基板211的界面分别形成第一熔融金属区域、第二熔融金属区域。
在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上650℃以下的范围内。
(第一熔融金属及第二熔融金属凝固工序S204)
接着，在形成第一熔融金属区域、第二熔融金属区域的状态下将温度保持为恒定。这样，第一熔融金属区域、第二熔融金属区域中的Si及Ag将进一步向金属板222、223侧扩散。由此，曾为第一熔融金属区域、第二熔融金属区域的部分的Si浓度及Ag浓度逐渐下降，熔点上升，在将温度保持为恒定的状态下进行凝固。由此，陶瓷基板211与金属板222、223接合，并制造出功率模块用基板210。
(Si层形成工序S205)
接着，在金属层213的另一面，通过溅射固着Si及Ag而形成Si层226。在此，本实施方式中，Si层226中的Si量设定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下，Ag量设定在0.08mg/cm2以上5.4mg/cm2以下。
(散热器层压工序S206)
接着，如图14所示，在功率模块用基板210的金属层213的另一面侧，层压构成散热器240的顶板部241、波纹状散热片246及底板部245。此时，层压顶板部241及底板部245，以使顶板部241的接合层241B及底板部245的接合层245B朝向波纹状散热片246侧。而且，在顶板部241与波纹状散热片246、底板部245与波纹状散热片246之间，介入例如以KAlF4为主成分的焊剂(未图示)。
并且，配置成金属板223的形成有Si层226的面朝向散热器240的顶板部241，在金属板223与散热器240之间介入Si层226。
(散热器加热工序S207)
接着，在向层压方向对被层压的功率模块用基板210、顶板部241、波纹状散热片246及底板部245进行加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下装入气氛加热炉内进行加热，在金属板223与散热器240的顶板部241之间形成熔融金属区域。同时，在顶板部241与波纹状散热片246、底板部245与波纹状散热片246之间，形成熔融了接合层241B、245B的熔融金属层。
在此，本实施方式中，气氛加热炉内为氮气气氛，加热温度设定在550℃以上630℃以下的范围内。
(熔融金属凝固工序S208)
接着，在形成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Si及Ag将进一步向金属板223侧及散热器240的顶板部241侧扩散。由此，曾为熔融金属区域的部分的Si浓度及Ag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，散热器240的顶板部241与金属板223通过所谓扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)而接合。如此，进行凝固后，进行冷却至常温。
并且，通过凝固在顶板部241与波纹状散热片246、底板部245与波纹状散热片246之间所形成的熔融金属层，钎焊顶板部241与波纹状散热片246、底板部245与波纹状散热片246。此时，在顶板部241、波纹状散热片246、底板部245的表面形成有氧化薄膜，但通过所述焊剂去除这些氧化薄膜。
如此，钎焊顶板部241与波纹状散热片246与底板部245而形成散热器240的同时，接合该散热器240与功率模块用基板210而制造出本实施方式的自带散热器的功率模块用基板。
在设为如以上结构的本实施方式的自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板的制造方法中，在散热器240与金属层213之间，与Si一同固着Ag，通过使这些Si和Ag扩散而形成熔融金属区域，使金属熔融区域中的Si和Ag进一步扩散而接合散热器240和功率模块用基板210，因此即使在比较低温的条件下，也能确实地接合散热器240和功率模块用基板210。
在此，在通过使用焊剂的钎焊形成散热器240时，在氮气气氛中以550℃以上630℃以下的温度条件接合，但本实施方式中，在散热器240和功率模块用基板210的接合中使用Si及添加元素(Ag)，如前所述，能够在低温条件下接合及在氮气气氛中接合，从而能够接合散热器240和功率模块210的同时，通过钎焊接合顶板部241和波纹状散热片246和底板部245而制造出散热器240。由此，能够省略该自带散热器的功率模块用基板的制造工序，并能够谋求制作成本的削减。
接着，使用图15至图18对本发明的第4实施方式的自带散热器的功率模块用基板及功率模块进行说明。
该功率模块301具备有：功率模块用基板310，配设有电路层312；半导体芯片3，通过焊层2接合于电路层312的表面；及散热器340。
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15中为上部)；及金属层313，配设于陶瓷基板311的另一面(在图15中为下部)。
另外，陶瓷基板311由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。
电路层312由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)的压延板构成的金属板322接合于陶瓷基板311而形成。
金属层313与电路层312相同，由纯度为99.99％以上铝(所谓4N铝)的压延板构成的金属板323接合于陶瓷基板311而形成。
散热器340用于冷却所述功率模块用基板310。本实施方式的散热器340具备有：顶板部341，与功率模块用基板310接合；底板部345，配置成与该顶板部341对置；及波纹状散热片346，介入安装于顶板部341与底板部345之间，通过顶板部341和底板部345和波纹状散热片346划分出冷却介质所流通的流路342。
在此，该散热器340通过分别钎焊顶板部341和波纹状散热片346、波纹状散热片346和底板部345而构成。
而且，在散热器340的顶板部341和金属层313(金属板323)的接合界面中，在金属层313(金属板323)及顶板部341，除了Si之外，还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。另外，本实施方式中固溶有Ag作为添加元素。
并且，在电路层312(金属板322)和陶瓷基板311的接合界面及金属层313(金属板323)和陶瓷基板311的接合界面中，除了Si还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，本实施方式中固溶有Ag。
以下对所述结构的自带散热器的功率模块用基板的制造方法进行说明。
(固着层形成工序S301)
首先，如图17所示，在成为电路层312的金属板322的一面，通过溅射固着Si而形成第1Si层324的同时，在成为金属层313的金属板323的一面，通过溅射固着Si而形成第2Si层325。另外，在金属板323的另一面也通过溅射固着Si而形成Si层326。
另外，在该第1Si层324、第2Si层325、Si层326，除了Si之外，还固溶有选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，本实施方式中使用Ag作为添加元素。
在此，本实施方式中，第1Si层324、第2Si层325、Si层326中的Si量设定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下。并且，Ag量设定在0.08mg/cm2以上5.4mg/cm2以下。
(层压工序S302)
接着，如图17所示，将金属板322层压在陶瓷基板311的一面侧，并且，将金属板323层压在陶瓷基板311的另一面侧。此时，如图17所示，层压金属板322、323，以使形成有金属板322的第1Si层324、金属板323的第2Si层325的面朝向陶瓷基板311。
而且，在形成有金属板323的Si层326的一面侧层压配置顶板部341。
(加热工序S303)
接着，以将金属板322、陶瓷基板311、金属板323、顶板部341向层压方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态，装入真空加热炉内进行加热，在金属板322、323与陶瓷基板311的界面分别形成第一熔融金属区域、第二熔融金属区域的同时，在金属板323与顶板部341之间形成熔融金属区域。
在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上650℃以下的范围内。
(熔融金属凝固工序S304)
接着，在形成有第一熔融金属区域、第二熔融金属区域的状态下将温度保持为恒定。这样，第一熔融金属区域、第二熔融金属区域中的Si及Ag将进一步向金属板322、323侧扩散。这样，曾为第一熔融金属区域、第二熔融金属区域的部分的Si浓度及Ag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。由此，接合陶瓷基板311与金属板322、323。
并且，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Si及Ag向金属板323及顶板部341侧扩散。这样，曾为熔融金属区域的部分的Si浓度及Ag浓度逐渐下降，熔点上升，在将温度保持为恒定的状态下进行凝固。由此，接合金属板323与顶板部341。
(散热片层压工序S305)
接着，如图18所示，在顶板部341的另一面侧，层压钎料箔347(例如Al-10％Si合金箔等低熔点铝合金箔)、波纹状散热片346、底板部345。此时，层压底板部345，以使底板部345的接合层345B朝向波纹状散热片346侧。并且，在顶板部341与波纹状散热片346、底板部345与波纹状散热片346之间，介入例如以KAlF4为主成分的焊剂(未图示)。
(钎焊工序S306)
接着，以将顶板部341、波纹状散热片346及底板部345向层压方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态，装入气氛加热炉内进行加热，在顶板部341与波纹状散热片346、底板部345与波纹状散热片346之间，形成熔融了钎料箔347及接合层345B的熔融金属层。
在此，本实施方式中，气氛加热炉内为氮气气氛，加热温度设定在550℃以上630℃以下的范围内。
而且，通过冷却，凝固形成于顶板部341与波纹状散热片346、底板部345与波纹状散热片346之间的熔融金属层，并钎焊顶板部341与波纹状散热片346、底板部345与波纹状散热片346。此时，在顶板部341、波纹状散热片346、底板部345的表面形成有氧化薄膜，但通过所述焊剂去除这些氧化薄膜。
如此，制造本实施方式的自带散热器的功率模块用基板。
在设为如上结构的本实施方式的自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板的制造方法中，在散热器340的顶板部341与金属层313之间，与Si一同固着Ag，通过使这些Si和Ag扩散而形成熔融金属区域，使熔融金属区域中的Si和Ag进一步扩散，而接合散热器340的顶板部341与功率模块用基板310，因此即使在比较低温的条件下，也能够确实地接合散热器340的顶板部341和功率模块用基板310。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于此，在不脱离其发明技术思想的范围内可适当变更。
例如，将构成电路层及金属层的金属板设为由纯度为99.99％的纯铝压延板进行了说明，但并不局限于此，也可以是纯度为99％的铝(2N铝)。
并且，对由AlN构成陶瓷基板进行了说明，但并不局限于此，也可以由Si3N4、Al2O3等其他陶瓷构成。
另外，在第2、第3、第4实施方式中，在Si层形成工序中，与Si一同固着Ge或Ag作为添加元素进行了说明，但并不局限于此。作为添加元素，也可使用选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上。在此，Si和添加元素的固着量总计优选设在0.002mg/cm2以上10mg/cm2以下。
另外，在Si层形成工序中，对在成为金属层的金属板的另一面固着Si的结构进行了说明，但并不局限于此，可在散热器的接合面固着Si，也可在散热器的接合面及金属板的另一面分别固着Si。
并且，在Si层形成工序中，对通过溅射固着Si进行了说明，但并不局限于此，也可用电镀、蒸镀、CVD、冷喷涂或涂布分散有粉末的糊剂及墨水等固着Si。
另外，在Si层形成工序中，可以设为与Si一同固着Al的结构。
并且，本实施方式中，对在散热器上接合1个功率模块用基板的结构进行了说明，但并不局限于此，也可在1个散热器上接合多个功率模块用基板。
并且，第1、第2实施方式中，对使用真空加热炉进行散热器和金属层(金属板)的接合进行了说明，但并不局限于此，也可在N2气氛、Ar气氛及He气氛等中进行散热器和金属层(金属板)的接合。
另外，对不使用钎料接合陶瓷基板和金属板进行了说明，但并不局限于此，也可使用采用钎料接合陶瓷基板和金属板的功率模块用基板。
并且，在第3实施方式中，对顶板部及底板部由具备基材层和接合层的层压铝材构成进行了说明，但并不局限于此，波纹状散热片也可由例如由A3003构成的芯材与和该芯材的两面具备由A4045构成的接合层的覆盖材料构成。此时，顶板部及底板部能够使用纯铝板。
并且，顶板部、波纹状散热片、底板部的材质并不局限于本实施方式。
另外，包括波纹状散热片的形状等，散热器的结构也不局限于本实施方式。例如，也可只将第3、第4实施方式中的顶板部作为散热板接合于功率模块用基板。
另外，如图19所示，可以将第二金属板413设为层压了多个金属板413A、413B的结构。此时，第二金属板413中位于一侧(图19中为上侧)的金属板413A接合于陶瓷基板411，位于另一侧(图19中为下侧)的金属板413B接合于散热器440的顶板部441。而且，位于另一侧的金属板413B与散热器440的顶板部441之间形成Si层，从而接合位于另一侧的金属板413B与散热器440的顶板部441。在此，可通过Si层接合被层压的金属板413A、413B彼此而构成第二金属板413。另外，图19中，层压了2片金属板413A、413B，但层压的片数并无限定。并且，如图19所示，层压的金属板彼此的大小、形状可不同，也可以调节成相同的大小、形状。另外，这些金属板的组成可不同。
Claims (7)
1.一种自带散热器的功率模块用基板的制造方法，所述自带散热器的功率模块用基板具备：陶瓷基板；第一金属板，由铝构成且一面接合于该陶瓷基板的表面；第二金属板，由铝构成且一面接合于所述陶瓷基板的背面；及散热器，由铝或铝合金构成且接合于该第二金属板的另一面、即与所述陶瓷基板接合的所述一面的相反侧的面，其特征在于，具有：
陶瓷基板接合工序，接合所述陶瓷基板与所述第一金属板，以及接合所述陶瓷基板与所述第二金属板；及
散热器接合工序，在所述第二金属板的另一面接合所述散热器，
所述散热器接合工序具有：
Si层形成工序，在所述第二金属板的另一面和所述散热器的接合面中的至少一方固着Si而形成Si层；
散热器层压工序，通过所述Si层，层压所述第二金属板与所述散热器；
散热器加热工序，将被层压的所述第二金属板和所述散热器向层压方向加压的同时进行加热，在所述第二金属板与所述散热器的界面形成熔融金属区域；以及
熔融金属凝固工序，通过凝固该熔融金属区域来接合所述第二金属板与所述散热器，
在所述散热器加热工序中，通过使所述Si层的Si向所述第二金属板及所述散热器扩散，从而在所述第二金属板与所述散热器的界面形成所述熔融金属区域，
在所述熔融金属凝固工序中，在形成所述熔融金属区域的状态下将温度保持为恒定，将所述熔融金属区域中的Si进一步向所述第二金属板及所述散热器扩散，由此，在将温度保持为恒定的状态下进行所述熔融金属区域的凝固。
2.如权利要求1所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
在所述Si层形成工序中，在所述第二金属板的另一面和所述散热器的接合面中的至少一方，除了Si之外，还固着选自Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。
3.如权利要求1或2所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
在所述Si层形成工序中，与Si一同固着Al。
4.如权利要求1或2所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
所述陶瓷基板接合工序具有：
金属固着工序，在所述陶瓷基板与所述第一金属板的接合界面处的所述陶瓷基板的接合面和所述第一金属板的接合面中的至少一方，固着Cu或Si中的1种以上而形成第1金属层，并且在所述陶瓷基板与所述第二金属板的接合界面处的所述陶瓷基板的接合面和所述第二金属板的接合面中的至少一方，固着Cu或Si中的1种以上而形成第2金属层；
陶瓷基板层压工序，通过所述第1金属层层压所述陶瓷基板与所述第一金属板的同时，通过所述第2金属层层压所述陶瓷基板与所述第二金属板；
陶瓷基板加热工序，将被层压的所述第一金属板、所述陶瓷基板及所述第二金属板向层压方向加压的同时进行加热，在所述第一金属板与所述陶瓷基板的界面及所述陶瓷基板与所述第二金属板的界面形成第一熔融金属区域及第二熔融金属区域；及
第一熔融金属及第二熔融金属凝固工序，通过凝固该第一熔融金属区域及第二熔融金属区域，接合所述第一金属板与所述陶瓷基板及所述陶瓷基板与所述第二金属板，
在所述陶瓷基板加热工序中，通过使所述第1金属层及所述第2金属层的Cu或Si中的1种以上扩散于所述第一金属板及所述第二金属板，在所述第一金属板与所述陶瓷基板的界面及所述陶瓷基板与所述第二金属板的界面形成所述第一熔融金属区域及所述第二熔融金属区域。
5.如权利要求1或2所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
同时进行所述陶瓷基板接合工序与所述散热器接合工序。
6.如权利要求1或2所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
所述Si层形成工序通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者通过涂布分散有粉末的糊剂及墨水，在所述散热器的接合面及所述第二金属板的另一面中的至少一方固着Si。
7.如权利要求1或2所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
所述第二金属板由多个金属板层压而构成。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201110043034.5A CN102646604B (zh) | 2011-02-18 | 自带散热器的功率模块用基板及其制造方法以及功率模块 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101861647A (zh) * | 2007-11-19 | 2010-10-13 | 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 |
Patent Citations (1)
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