CN103733329B - 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块以及功率模块用基板的制造方法 - Google Patents

功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块以及功率模块用基板的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的功率模块用基板(10)具备绝缘基板(11)、和在该绝缘基板(11)的一面形成的电路层(12)，其中，所述电路层(12)通过在所述绝缘基板(11)的一面接合有第一铜板(22)而构成，所述第一铜板(22)在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。

Description

功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块以及功率模块用基板的制 造方法
技术领域
本发明涉及一种在控制大电流、高电压的半导体装置中所使用的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块以及功率模块用基板的制造方法。
本申请主张基于2011年08月12日在日本申请的日本专利申请2011-176712号以及日本专利申请2011-176881号的优先权，其内容援用于本说明书中。
背景技术
在半导体元件中用于供给电力的功率模块的发热量比较高，因此作为搭载该功率模块的基板，例如使用一种功率模块用基板，其具备：由AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝)、Si3N4(氮化硅)等构成的绝缘基板；在该绝缘基板的一面侧接合有第一金属板的电路层；及在绝缘基板的另一面侧接合有第二金属板而构成的金属层。
这种功率模块用基板在电路层上经由焊材搭载功率元件等半导体元件。
例如，在专利文献1中，提出有将铝板用作第一金属板(电路层)及第二金属板(金属层)而构成的功率模块用基板。
并且，在专利文献2、3中，提出有第一金属板(电路层)以及第二金属板(金属层)为铜板且通过DBC法(直接敷铜法)将该铜板直接接合于绝缘基板而构成的功率模块用基板。并且，在专利文献2的第1图中，公开有一种利用有机耐热粘结剂将铝制散热器接合于上述功率模块用基板上的自带散热器的功率模块用基板。
专利文献1：日本专利第3171234号公报
专利文献2：日本专利公开平04-162756号公报
专利文献3：日本专利第3211856号公报
然而，在专利文献1中所记载的功率模块用基板中，将铝板用作构成电路层的第一金属板。若比较铜和铝，由于铝的导热率低，因此将铝板用作电路层的情况下，与使用铜板的情况相比无法使来自搭载于电路层上的电气部件等发热体的热量扩散并发散。因此，根据电子部件的小型化和高输出功率化，在功率密度上升时有可能无法充分地发散热量。
在专利文献2、3中，用铜板构成电路层，因此能够使来自搭载于电路层上的电气部件等发热体的热量有效地发散。
然而，在上述功率模块用基板中，在其使用环境中被负载冷热循环，而如专利文献2、3中记载的那样用铜板构成电路层以及金属层的情况下，通过上述冷热循环在绝缘基板与铜板之间的热膨胀系数之差所引起的剪切应力作用于铜板。从而，导致铜板被加工硬化，存在着绝缘基板产生破裂等的问题。
并且，在专利文献2中记载的自带散热器的功率模块用基板中，在铝制散热器与绝缘基板之间配设有铜板。由此，该铜板无法充分地缓和因散热器与绝缘基板的热膨胀系数之差所引起的热变形，存在着在冷热循环负载时绝缘基板易产生破裂等的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够有效地发散来自搭载于电路层上的电子部件等的热量，且能够抑制在冷热循环负载时绝缘基板产生破裂的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块以及功率模块用基板的制造方法。
本发明的一种方式的功率模块用基板具备绝缘基板和在所述绝缘基板的一面形成的电路层，其中，所述电路层通过在所述绝缘基板的一面接合有第一铜板而构成，所述第一铜板在接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
并且，还具备有在所述绝缘基板的另一面形成的金属层的功率模块用基板，其中，所述金属层也可以通过在所述绝缘基板的另一面接合有铝板而构成。
具有该结构的功率模块用基板中，由于搭载有电子部件等的电路层由第一铜板构成，因此能够充分地扩散从电子部件等产生的热量，而且能够促进热量的发散。
并且，构成所述电路层的第一铜板也可以在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
因此，碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素或硼中的至少一种以上的元素与作为不可避免杂质之一而存在于铜中的S(硫磺)进行反应而生成硫化物，能够抑制S的影响。从而，在冷热循环时的特别高温的区域，在电路层中进行恢复、再结晶化，减少通过因绝缘基板与电路层之间的热膨胀系数之差所引起的剪切应力而被加工硬化的电路层变形，减小冷热循环时负载于绝缘基板的应力。从而，能够抑制在冷热循环负载时绝缘基板产生破裂。
当碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素的总含量小于1molppm时，或者硼的含量小于100molppm时，有可能不能充分地抑制存在于铜中的S的影响。并且，当碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素的总含量大于100molppm时，或者硼的含量大于1000molppm时，通过这些元素，有可能电路层(第一铜板)硬化或导热率下降。
从而，将碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上设定在共计1molppm以上且100molppm以下，或者将硼设定在100molppm以上且1000molppm以下的范围内。
构成所述电路层的第一铜板优选在被接合之前至少含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或者300molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
此时，碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素的总含量为3molppm以上，或者硼的含量为300molppm以上，因此能够抑制铜中的S的影响，而且再结晶温度降低，能够可靠地抑制加工硬化。并且，碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素的总含量为50molppm以下，或者硼的含量为1000molppm以下，因此能够抑制第一铜板的硬化和导热率的下降。
并且，构成所述电路层的第一铜板优选含氧量为1质量ppm以下。
此时，能够抑制碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素或硼中的至少一种以上的元素与氧进行反应而成为氧化物，能够可靠地与S反应而生成硫化物。从而，即使碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素或硼中的至少一种以上的元素的含量少也能够充分地抑制S的影响。
另外，在所述金属层中与所述绝缘基板的接合界面，固溶有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素，优选所述金属层中接合界面附近的所述添加元素的总浓度设定在0.01质量％以上且5质量％以下的范围内。
此时，由于在所述金属层中固溶有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素，因此所述金属层的接合界面侧部分被固溶强化。从而，能够防止金属层部分的破裂。
并且，由于所述金属层中接合界面附近的所述添加元素的总浓度为0.01质量％以上，因此能够可靠地使金属层的接合界面侧部分固溶强化。并且，由于所述金属层中接合界面附近的所述添加元素的总浓度为5质量％以下，因此能够防止金属层的接合界面附近的强度变得过高，在该功率模块用基板被负载热循环时，能够以金属层来缓和热变形，并且能够抑制绝缘基板产生破裂。
另外，优选在所述金属层中与所述绝缘基板之间的接合界面形成有添加元素高浓度部，该添加元素高浓度部的Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素的浓度为所述金属层中的所述添加元素浓度的两倍以上。
此时，由于在金属层的接合界面形成有所述添加元素浓度为所述金属层中的所述添加元素浓度的两倍以上的添加元素高浓度部，因此通过存在于界面附近的所述添加元素原子能够实现金属层的接合强度的提高。金属层中的所述添加元素的浓度为金属层中离开接合界面一定距离(例如，5nm以上)部分的所述添加元素的浓度。
并且，在本发明的一种方式的功率模块用基板还具备有在所述绝缘基板的另一面形成的金属层，其中，所述金属层通过在所述绝缘基板的另一面接合有第二铜板而构成，所述第二铜板优选在被接合之前至少含有共计1molppm以上100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或者100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
此时，由于在绝缘基板的另一面形成有由第二铜板构成的金属层，因此能够使金属层的热量扩散，还能够促进热量的发散。并且，由于在绝缘基板的两个表面分别接合有铜板，因此能够抑制绝缘基板的翘曲。
另外，构成金属层的第二铜板优选在被接合之前至少含有共计1molppm以上100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或者100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
因此，碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素或硼中的一种以上的元素与作为不可避免杂质之一的存在于铜中的S(硫磺)进行反应而生成硫化物，能够抑制S的影响。从而，在冷热循环时的特别高温的区域，在金属层中进行恢复、再结晶化，减少通过因绝缘基板与电路层的热膨胀系数之差引起的剪切应力而被加工硬化的电路层变形，减小在冷热循环时负载于绝缘基板的应力。从而能够抑制冷热循环负载时绝缘基板产生破裂。
所述第一铜板及所述第二铜板中的至少一方优选在被接合之前至少含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或者300molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
此时，碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素的总含量为3molppm以上，或者硼的含量为300molppm以上，因此能够抑制铜中的S的影响，而且再结晶温度降低，能够可靠地抑制加工硬化。并且，碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素的总含量为50molppm以下，或者硼的含量为1000molppm以下，因此能够抑制所述第一铜板和/或所述第二铜板的硬化和导热率的下降。
并且，优选所述第一铜板及所述第二铜板中的至少一方的含氧量为1质量ppm以下。
此时，抑制碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素或硼中至少一种以上的元素与氧进行反应而成为氧化物，而能够可靠地与S进行反应生成硫化物。从而，即使碱土类元素，过渡金属元素，稀土类元素或硼中的至少一种以上的元素的含量少，也能够充分地抑制S的影响。
本发明的另一方式的功率模块用基板具备所述功率模块用基板和配设于所述绝缘基板的另一面侧的散热器。
根据该结构的功率模块用基板，在由铝板或第二铜板构成的金属层接合有散热器。从而，通过该散热器能够有效地发散来自功率模块用基板的热量。并且，通过金属层的变形而缓和冷热循环负载时的热变形，能够抑制绝缘基板的破裂。
本发明的一种方式的自带散热器的功率模块具备所述自带散热器的功率模块用基板和搭载于所述电路层上的电子部件。
并且，本发明的另一方式的功率模块具备所述功率模块用基板和搭载于所述电路层上的电子部件。
根据这些结构的功率模块，能够有效地发散来自搭载于电路层上的电子部件的热，即使在电子部件的功率密度(发热量)提高的情况下也能够充分地进行应对。
本发明的一种方式的功率模块用基板的制造方法为，具备绝缘基板、在该绝缘基板的一面形成的电路层、以及在所述绝缘基板的另一面形成的金属层的功率模块用基板的制造方法，其中，所述电路层通过在所述绝缘基板的一面接合有第一铜板而构成，所述金属层通过在所述绝缘基板的另一面接合有铝板而构成，所述第一铜板在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或者100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成，所述制造方法具备有在所述绝缘基板的一面接合第一铜板而形成所述电路层的电路层形成工序，和在所述绝缘基板的另一面接合铝板而形成所述金属层的第一金属层形成工序，在所述第一金属层形成工序中，在所述铝板的接合界面配置Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上添加元素并接合所述铝板。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法能够制造出所述功率模块用基板。并且，在所述第一金属层形成工序构成为，在所述第二金属板的接合界面配置Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素并接合所述铝板，因此能够牢固地接合所述铝板与所述绝缘基板。并且，所谓Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li元素为使铝的熔点降低的元素，因此在比较低温的条件(例如570～630℃)下，也能够在所述铝板的接合界面形成熔融金属区域。这些添加元素可固定于所述铝板等的接合面，也可以在接合面配设含有这些添加元素的金属箔(钎料箔)。
根据本发明，能够提供一种有效地发散来自搭载于电路层上的电子部件等的热量、且能够抑制在冷热循环负载时绝缘基板产生破裂的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块及功率模块用基板的制造方法。
附图说明
图1为本发明的第1实施方式的功率模块用基板及功率模块的概略说明图。
图2A为表示测定本发明的第1实施方式的功率模块用基板中的金属层的添加元素的浓度分布的区域的说明图。
图2B为表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板中的金属层的添加元素的浓度分布的说明图。
图3为表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的金属层及散热器(散热板)的添加元素的浓度分布的说明图。
图4为本发明的第1实施方式的功率模块用基板的金属层与陶瓷基板的接合界面的示意图。
图5为本发明的第1实施方式的功率模块用基板的制造方法及自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图6为表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的制造方法及自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图7为表示图6中的陶瓷基板与金属层(铝板)的接合界面附近的说明图。
图8为表示图6中的散热器(散热板)与金属层(铝板)的接合界面附近的说明图。
图9为本发明的第2实施方式的功率模块用基板及功率模块的概略说明图。
图10为本发明的第2实施方式的功率模块用基板的电路层(铜板)与陶瓷基板的接合界面的放大说明图。
图11为本发明的实施方式的功率模块用基板的制造方法及自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图12为表示本发明的实施方式的功率模块用基板的制造方法及自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图13为本发明的第3实施方式的功率模块用基板的概略说明图。
图14为本发明的第3实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图15为表示本发明的第3实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图16为本发明的第4实施方式的功率模块用基板及功率模块的概略说明图。
图17为本发明的第5实施方式的功率模块用基板及功率模块的概略说明图。
图18为本发明的第5实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图19为表示本发明的第5实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图20为本发明的第6实施方式的功率模块用基板的概略说明图。
图21为本发明的第6实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图22为表示本发明的第6实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图23为本发明的第7实施方式的功率模块用基板的概略说明图。
图24为本发明的第7实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图25为表示本发明的第7实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图，说明本发明的实施方式。
图1示出本发明的第1实施方式的功率模块用基板10，自带散热器的功率模块用基板40、以及功率模块1。
该功率模块1具备功率模块用基板10、半导体元件3以及散热器41。功率模块用基板10配设有电路层12。半导体元件3经由焊料层2而接合于电路层12的搭载面12A。焊料层2为例如Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系焊料(所谓无铅焊料)。在本实施方式中，也可以在电路层12的搭载面12A与焊料层2之间设有Ni镀膜(未图示)。
如图1所示，功率模块用基板10具备陶瓷基板11、电路层12以及金属层13。电路层12在该陶瓷基板11的一面(在图1中为上表面)形成。金属层13在该陶瓷基板11的另一面(在图1中为下表面)形成。
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Al2O3(氧化铝)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。
如图6所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一面(在图6中为上表面)接合有第一铜板22而形成。电路层12的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。并且，在该电路层12上形成有电路图形，其一面(在图1中为上表面)作为搭载半导体元件3的搭载面12A。
该第一铜板22(电路层12)在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成，更优选为至少含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或300molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，含氧量为1质量ppm以下。
在本实施方式中，第一铜板22(电路层12)使用对纯度99.99质量％以上的无氧铜(OFC)添加15molppm的Mg的Mg掺杂铜。
如图6所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一面(在图6中为下表面)接合有铝板23而形成。
该铝板23(金属层13)为纯度为99质量％以上、屈服强度为30N/mm2以下的铝或铝合金轧制板。
在本实施方式中，铝板23(金属层13)为纯度为99.99质量％以上的铝(所谓4N铝)的轧制板。
如图2A及图2B所示，在陶瓷基板11与金属层13的接合界面30中，固溶有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素，在本实施方式中，作为添加元素固溶有Cu。
在金属层13的接合界面30的附近，形成有所添加元素的浓度(在本实施方式中为Cu浓度)随着从接合界面30向层积方向离开逐渐下降的浓度倾斜层31。另外，该浓度倾斜层31的接合界面30侧(金属层13的接合界面30附近)的添加元素的浓度(在本实施方式中为Cu浓度)设定在0.01质量％以上且5质量％以下的范围内。
金属层13的接合界面30附近的添加元素的浓度为通过EPMA分析(点径30μm)在距离接合界面30为50μm的位置上进行五点测定的平均值。并且，图2B的图表是在金属层13的中央部分向层积方向进行线分析并以所述50μm位置的浓度为基准而求得的。
散热器41冷却所述功率模块用基板10。如图1所示，本实施方式的散热器41具备在功率模块用基板10的金属层13的另一面侧接合的散热板42。散热板42由屈服强度为100N/mm2以上的金属材料构成，其厚度为2mm以上，在本实施方式中由A6063合金(铝合金)构成。
如图3所示，在金属层13与散热板42的接合界面35中，金属层13及散热板42中固溶有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素，在本实施方式中，作为添加元素固溶有Cu。
在金属层13及散热板42的接合界面35附近，形成有所添加元素的浓度(在本实施方式中为Cu浓度)随着从接合界面35向层积方向离开逐渐下降的浓度倾斜层36、37。另外，该浓度倾斜层36、37的接合界面35侧(金属层13及散热板42的接合界面35附近)的添加元素的浓度(在本实施方式中为Cu浓度)设定在0.01质量％以上且5质量％以下的范围内。
该金属层13及散热板42的接合界面35附近的添加元素的浓度为，通过EPMA分析(点径30μm)在距离接合界面35为50μm的位置进行五点测定的平均值。并且，图3的图表是在金属层13及散热板42的中央部分向层积方向进行线分析并以所述50μm位置的浓度为基准而求得。
并且，利用透射电子显微镜观察陶瓷基板11与金属层13的接合界面30时，如图4所示，在接合界面30形成有浓缩有添加元素(Cu)的添加元素高浓度部32。在该添加元素高浓度部32中，添加元素的浓度(Cu浓度)为金属层13中的添加元素的浓度(Cu浓度)的两倍以上。该添加元素高浓度部32的厚度H为4nm以下。
在此，所观察的接合界面30将金属层13的晶格像的界面侧端部与陶瓷基板11的晶格像的接合界面30侧端部之间的中央作为基准面S。并且，金属层13中的添加元素的浓度(Cu浓度)为在金属层13中离开接合界面30一定距离(在本实施方式中为5nm)部分的添加元素的浓度(Cu浓度)。
以下，对于所述结构的功率模块用基板10及自带散热器的功率模块用基板40的制造方法，参考图5至图8进行说明。
首先，如图5及图6所示，对成为电路层12的第一铜板22和陶瓷基板11进行接合(电路层形成工序S01)。陶瓷基板11由Al2O3构成，从而通过利用铜(Cu)与氧化亚铜(Cu2O)的共晶区液相的DBC法(Direct Bonding Copper)对第一铜板22与陶瓷基板11进行接合。具体而言，使第一铜板22与陶瓷基板11接触，在添加微量氧的氮气气氛中，以1075℃加热10分钟，由此接合第一铜板22与陶瓷基板11。
接着，在陶瓷基板11的另一面侧，对成为金属层13的铝板23进行接合(第一金属层形成工序S02)，并且接合铝板23与散热器41的散热板42(散热器接合工序S03)。在本实施方式中，同时实施这些第一金属层形成工序S02与散热器接合工序S03。
通过溅射将添加元素(Cu)固定于铝板23的一面而形成第1固定层51，并且通过溅射将添加元素(Cu)固定于铝板23的另一面而形成第2固定层52(固定层形成工序S11)。第1固定层51及第2固定层52中的添加元素量在0.01mg/cm2以上且10mg/cm2以下的范围内，在本实施方式中，将Cu用作添加元素，第1固定层51及第2固定层52中的Cu量设定为0.08mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下。
接着，如图6所示，将铝板23层积于陶瓷基板11的另一面侧。另外，在铝板23的另一面侧层积散热板42(层积工序S12)。
此时，如图6所示，使铝板23的形成有第1固定层51的面朝向陶瓷基板11，且使铝板23的形成有第2固定层52的面朝向散热板42，以这种方式层积这些板。即，在铝板23与陶瓷基板11之间夹持有第1固定层51(添加元素：Cu)，而在铝板23与散热板42之间夹持有第2固定层52(添加元素：Cu)。
接着，对第一铜板22与陶瓷基板11、铝板23、散热板42向其层积方向进行加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下装入真空加热炉内进行加热(加热工序S13)。在本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-3～10-6Pa的范围内，加热温度设定在550℃以上且650℃以下的范围内。
如图7所示，通过该工序，在铝板23与陶瓷基板11的界面形成第1熔融金属区域55。通过第1固定层51的添加元素(Cu)向铝板23侧扩散，铝板23的第1固定层51附近的添加元素的浓度(Cu浓度)上升而熔点降低，由此形成该第1熔融金属区域55。
并且，如图8所示，在铝板23与散热板42的界面形成有第2熔融金属区域56。通过第2固定层52的添加元素(Cu)向铝板23侧及散热板42侧扩散，铝板23及散热板42的第2固定层52附近的添加元素的浓度(Cu浓度)上升而熔点降低，由此形成该第2熔融金属区域56。
接着，在形成第1熔融金属区域55、第2熔融金属区域56的状态下，使温度保持恒定(熔融金属凝固工序S14)。
根据该工序，第1熔融金属区域55中的Cu进而向铝板23侧扩散。由此，在第1熔融金属区域55部分的Cu浓度逐渐降低而熔点上升，在保持温度恒定的状态下持续进行凝固。由此，陶瓷基板11与铝板23被接合。
同样，第2熔融金属区域56中的Cu进而向铝板23侧及散热板42侧扩散，在第2熔融金属区域56部分的Cu浓度逐渐降低而熔点上升，在保持温度恒定的状态下持续进行凝固。由此，铝板23与散热板42被接合。
即，陶瓷基板11与铝板23、及铝板23与散热板42通过所谓瞬时液相扩散连接(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)而被接合。
由此，第一铜板22、陶瓷基板11、铝板23、散热器41的散热板42被接合，制造出本实施方式的功率模块用基板10及自带散热器的功率模块用基板40。
根据如此构成的本实施方式的功率模块用基板10，具有搭载半导体元件3的搭载面12A的电路层12由第一铜板22构成。由此，能够充分地扩散从半导体元件3产生的热量，并且能够促进该热量的发散。从而，能够搭载功率密度高的半导体元件3等电子部件，而且能够实现半导体封装的小型化和高输出功率化。
构成电路层12的第一铜板22在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或者100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成，更优选为至少含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或者300molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，在本实施方式中，使用将15molppm的Mg添加于纯度99.99质量％以上的无氧铜(OFC)的Mg掺杂铜。因此，Mg与作为不可避免杂质之一而存在于铜中的S(硫磺)进行反应而生成硫化物，能够抑制S的影响。由此，第一铜板22(电路层12)的再结晶温度变低，加工硬化得到抑制。因此，能够抑制在冷热循环负载时陶瓷基板11产生破裂。
另外，第一铜板22(电路层12)的含氧量为1质量ppm以下。因此，抑制Mg与氧进行反应而被消耗，能够使Mg可靠地与S进行反应。
并且，在本实施方式中，陶瓷基板11由Al2O3构成。因此，如上述，能够通过利用铜(Cu)与氧化亚铜(Cu2O)的共晶区液相的DBC法(Direct Bonding Copper)对第一铜板22和陶瓷基板11进行接合。由此，能够确保陶瓷基板11与电路层12(第一铜板22)的接合强度，能够构成接合可靠性优良的功率模块用基板10。
并且，在金属层13与陶瓷基板11的接合界面30、及金属层13与散热器41的散热板42的接合界面35固溶有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素，在本实施方式中，作为添加元素固溶有Cu。因此，金属层13的接合界面30、35侧部分被固溶强化，能够防止金属层13部分的破裂。
金属层13中接合界面30、35附近的添加元素的浓度(在本实施方式中为Cu浓度)设定在0.01质量％以上且5质量％以下的范围内。因此，能够防止金属层13的接合界面30、35附近的强度变得过大，在该功率模块用基板10被负载冷热循环时，能够通过金属层13而缓和热变形，而且能够抑制陶瓷基板11产生破裂。
并且，在金属层13与陶瓷基板11的接合界面30形成有添加元素高浓度部32，该添加元素高浓度部32的Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素的浓度(在本实施方式中为Cu浓度)为金属层13中的所述添加元素的浓度的两倍以上。从而，通过存在于界面附近的添加元素原子(Cu原子)能够实现金属层13的接合强度的提高。
另外，散热器41的散热板42由屈服强度为100N/mm2以上的金属材料构成，其厚度为2mm以上，在本实施方式中由A6063合金(铝合金)构成。由此，刚性变高且操作变得容易。
另外，在散热器41的散热板42与陶瓷基板11之间，配设有由屈服强度为30N/mm2以下的铝(在本实施方式中，纯度99.99％以上的纯铝)构成的金属层13。从而，即使散热器41的散热板42的刚性高，也能够通过金属层13充分地缓和因散热器41的散热板42与陶瓷基板11的热膨胀系数之差所引起的热变形，并且能够抑制陶瓷基板11产生破裂。
在本实施方式中，在第一金属层形成工序S02及散热器接合工序S03中，通过添加元素(Cu)朝铝板23侧及散热板42侧扩散，在接合界面30、35形成第1熔融金属区域55、第2熔融金属区域56，通过使该第1熔融金属区域55、第2熔融金属区域56凝固而进行接合，通过所谓的瞬时液相扩散连接而进行接合。因此，可以在比较低温条件下牢固地接合，能够制造出接合可靠性优良的功率模块用基板10及自带散热器的功率模块用基板40。
并且，在铝板23的接合面形成的第1固定层51及第2固定层52中的添加元素量在0.01mg/cm2以上且10mg/cm2以下的范围内，在本实施方式中，作为添加元素使用Cu，在第1固定层51及第2固定层52中的Cu量设定为0.08mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下。因此，在铝板23的接合界面30、35能够可靠地形成第1熔融金属区域55、第2熔融金属区域56。并且，能够防止添加元素(Cu)过度向铝板23侧扩散而使接合界面30、35附近的金属层13(铝板23)的强度变得过高。
另外，在本实施方式构成为同时进行第一金属层形成工序S02与散热器接合工序S03。从而，能够一次进行铝板23的两个表面的接合工序，可大幅度削减该自带散热器的功率模块用基板40的制造成本。另外，无需对陶瓷基板11作用不必要的热负载就能够抑制翘曲等的产生。
并且，通过溅射使添加元素(Cu)固定于铝板23的接合面，从而形成第1固定层51及第2固定层52。因此，能够将添加元素(Cu)可靠地配置于铝板23的接合界面30、35。
接着，参考图9至图12，说明本发明的第2实施方式。
图9所示的功率模块101具备功率模块用基板110、半导体元件3、及散热器141。功率模块用基板110配设有电路层112。半导体元件3经由焊料层2而接合于电路层112的搭载面112A。
功率模块用基板110具备陶瓷基板111、电路层112、及金属层113。电路层112接合于该陶瓷基板111的一面(在图9中为上表面)。金属层113接合于该陶瓷基板111的另一面(在图9中为下表面)。
陶瓷基板111由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板111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。
如图12所示，电路层112通过在陶瓷基板111的一面接合有第一铜板122而形成。电路层112的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。
该第一铜板122(电路层112)在被接合之前具有与第1实施方式中所记载的第一铜板22相同的结构(组成)。在本实施方式中，第一铜板122(电路层112)使用取代第1实施方式中所记载的Mg而添加10molppm的Zr于纯度99.99质量％以上的无氧铜(OFC)的Zr掺杂铜。
如图12所示，金属层113通过在陶瓷基板111的另一面接合有铝板123而形成。
该铝板123(金属层113)为纯度为99质量％以上、屈服强度为30N/mm2以下的铝或铝合金的轧制板。在本实施方式中，铝板123(金属层113)为纯度为99.99质量％以上的铝(所谓4N铝)的轧制板。
散热器141具备顶板部142和通道144。顶板部142为散热器的顶板部分，其与功率模块用基板110相接合。通道144中有冷却介质(例如冷却水)流通。
散热器141(顶板部142)优选由导热性良好的材质构成，且需要确保作为结构材料的刚性。因此，在本实施方式中，散热器141的顶板部142由A6063(铝合金)构成。
在陶瓷基板111与金属层113的接合界面中，固溶有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上添加元素，在本实施方式中，作为添加元素固溶有Ag。
在金属层113的接合界面附近形成有所添加元素的浓度(在本实施方式中为Ag浓度)随着从接合界面向层积方向离开逐渐下降的浓度倾斜层。并且，该浓度倾斜层的接合界面侧(金属层113的接合界面附近)的添加元素的浓度(在本实施方式中为Ag浓度)设定在0.01质量％以上且5质量％以下的范围内。
金属层113的接合界面附近的添加元素的浓度为通过EPMA分析(点径30μm)在距离接合界面为50μm的位置进行五点测定的平均值。
并且，在金属层113与顶板部142的接合界面，金属层113及顶板部142中固溶有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素，在本实施方式中，作为添加元素固溶有Ag。
在金属层113及顶板部142的接合界面附近，形成有所添加元素的浓度(在本实施方式中为Ag浓度)随着从接合界面向层积方向离开逐渐下降的浓度倾斜层。并且，该浓度倾斜层的接合界面侧(金属层113及顶板部142的接合界面附近)的添加元素的浓度(在本实施方式中为Ag浓度)设定在0.01质量％以上且5质量％以下的范围内。该金属层113及顶板部142的接合界面附近的添加元素的浓度为通过EPMA分析(点径30μm)在距离接合界面为50μm的位置进行五点测定的平均值。
并且，利用透射电子显微镜观察陶瓷基板111与金属层113的接合界面时，在接合界面形成有浓缩有添加元素(Ag)的添加元素高浓度部。在该添加元素高浓度部中，添加元素的浓度(Ag浓度)为金属层113中的添加元素的浓度(Ag浓度)的两倍以上。该添加元素高浓度部的厚度H为4nm以下。
在此，所观察的接合界面将金属层113的晶格像的界面侧端部与陶瓷基板111的晶格像的接合界面侧端部之间的中央作为基准面。并且，金属层113中的添加元素的浓度(Ag浓度)为金属层113中离开接合界面一定距离(在本实施方式中为5nm)部分的添加元素的浓度(Ag浓度)。
以下，对所述结构的功率模块用基板110的制造方法及自带散热器的功率模块用基板140的制造方法进行说明。
首先，如图11及图12所示，在由AlN构成的陶瓷基板111的表面形成有Al2O3层125(第一氧化铝层形成工序S100)。在该第一氧化铝层形成工序S100中，以1200℃以上且在Ar-O2混合气体气氛下进行AlN的氧化处理。将氧分压PO2调整为10kPa，而将水蒸气分压PH2O调整为0.05kPa。如此，通过在高氧分压/低水蒸气分压气氛下进行AlN的氧化处理，形成与AlN的粘附性优良的致密的Al2O3层125。Al2O3层125的厚度为1μm以上。
对高纯度的Ar气体进行脱氧处理之后，通过混合氧气来调整氧分压。并且，使该气氛气体通过填充有硅胶与五氧化二磷的干燥系统进行脱水处理之后，使其通过被调整为规定温度的水中，由此调整水蒸气分压。
接着，对成为电路层112的第一铜板122和陶瓷基板111进行接合(电路层形成工序S101)。在由AlN构成的陶瓷基板111的一面形成有Al2O3层125，从而第一铜板122与Al2O3层125通过利用铜(Cu)与氧化亚铜(Cu2O)的共晶区液相的DBC法(Direct Bonding Copper)进行接合。具体而言，使第一铜板122与Al2O3层125接触，且在氮气气氛中以1075℃进行10分钟加热，由此接合第一铜板122与Al2O3层125。
接着，在陶瓷基板111的另一面侧对成为金属层113的铝板123进行接合(第一金属层形成工序S102)，并且接合铝板123与散热器141(顶板部142)(散热器接合工序S103)。在本实施方式中，同时实施第一金属层形成工序S102与散热器接合工序S103。
通过溅射将添加元素固定于铝板123的一面而形成第1固定层151，并且通过溅射将添加元素固定于铝板123的另一面而形成第2固定层152(固定层形成工序S111)。第1固定层151及第2固定层152中的添加元素量在0.01mg/cm2以上且10mg/cm2以下的范围内，在本实施方式中，作为添加元素而使用Ag，第1固定层151及第2固定层152的Ag量设定为0.01mg/cm2以上且10mg/cm2以下。
接着，如图12所示，将铝板123层积于陶瓷基板111的另一面侧。另外，在铝板123的另一面侧层积顶板部142(层积工序S112)。
此时，如图12所示，使铝板123的形成有第1固定层151的面朝向陶瓷基板111，且使铝板123的形成有第2固定层152的面朝向顶板部142，以该方式层积这些板。即，在铝板123与陶瓷基板111之间夹持有第1固定层151(添加元素：Ag)，在铝板123与顶板部142之间夹持有第2固定层152(添加元素Ag)。
接着，对第一铜板122与陶瓷基板111、铝板123、顶板部142向其层积方向进行加压的状态下装入真空加热炉内而进行加热(加热工序S113)。在本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-3～10-6Pa的范围内，加热温度设定在550℃以上且650℃以下的范围内。
根据该工序，在铝板123与陶瓷基板111的界面形成第1熔融金属区域。通过第1固定层151的添加元素(Ag)向铝板123侧扩散，铝板123的第1固定层151附近的添加元素的浓度(Ag浓度)上升而熔点降低，从而形成该第1熔融金属区域。
并且，在铝板123与顶板部142的界面形成第2熔融金属区域。通过第2固定层152的添加元素(Ag)向铝板123侧及顶板部142侧扩散，铝板123及顶板部142的第2固定层152附近的添加元素的浓度(Ag浓度)上升而熔点降低，从而形成该第2熔融金属区域。
接着，在形成第1熔融金属区域、第2熔融金属区域的状态下，将温度保持为恒定(熔融金属凝固工序S114)。
通过该工序，第1熔融金属区域中的Ag进而向铝板123侧扩散。由此，第1熔融金属区域部分的Ag浓度逐渐降低而熔点上升，在保持温度恒定的状态下持续进行凝固。由此，陶瓷基板111与铝板123被接合。
同样，第2熔融金属区域中的Ag进而向铝板123侧及顶板部142侧扩散，第2熔融金属区域部分的Ag浓度逐渐降低而熔点上升，在保持温度恒定的状态下持续进行凝固。由此，铝板123与顶板部142被接合。
即，陶瓷基板111与铝板123、及铝板123与顶板部142，通过所谓的瞬时液相扩散连接而被接合。由此，在进行凝固之后进行冷却直到成为常温。
由此，第一铜板122、陶瓷基板111、铝板123、散热器141(顶板部142)被接合，制造出本实施方式的功率模块用基板110及自带散热器的功率模块用基板140。
根据如上结构的本实施方式的功率模块用基板110，电路层112由第一铜板122构成。因此，能够有效地促进来自搭载于电路层112的搭载面112A上的半导体元件3等发热体的热量的发散。
并且，电路层112由含有10molppm的Zr的第一铜板122构成。因此，Zr与作为不可避免杂质之一而存在于铜中的S(硫磺)进行反应而生成硫化物，能够抑制S的影响。由此，第一铜板122(电路层112)的再结晶温度降低，加工硬化得到抑制。因此，能够抑制在冷热循环负载时陶瓷基板111产生破裂。
并且，在本实施方式中，在由AlN构成陶瓷基板111的表面形成Al2O3层125，利用该Al2O3层125并通过DBC法接合第一铜板122与陶瓷基板111，从而能够牢固地接合第一铜板122与陶瓷基板111。由此，即使是由AlN构成的陶瓷基板111，也能够利用DBC法接合第一铜板122。
另外，在第一氧化铝形成工序S100中，将所形成的Al2O3层125的厚度设为1μm以上。从而，能够可靠地接合第一铜板122与陶瓷基板111。
并且，在本实施方式中，通过在高氧分压/低蒸气分压气氛中进行AlN的氧化处理，形成与AlN的粘附性优良的致密的Al2O3层125。从而，能够防止在由AlN构成的陶瓷基板111与Al2O3层125之间产生剥离。
接着，参考图13至图15，说明本发明的第3实施方式。
图13所示的功率模块用基板210具备陶瓷基板211、电路层212及金属层213。电路层212在该陶瓷基板211的一面形成(在图13中为上表面)。金属层213在陶瓷基板211的另一面形成(在图13中为下表面)。
陶瓷基板211防止电路层212与金属层213之间的电连接，由绝缘性高的AlN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0.635mm。
如图15所示，电路层212通过在陶瓷基板211的一面(在图15中为上表面)接合有第一铜板222而形成。电路层212的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。并且，在该电路层212上形成有电路图形，其一面(在图13中为上表面)作为搭载半导体元件3的搭载面212A。
该第一铜板222(电路层212)在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成，更优选为至少含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或300molppm以上且1000molppm以下硼中的任一方，含氧量为1质量ppm以下。
在本实施方式中，第一铜板222(电路层212)使用将7molppm的La添加于纯度为99.99质量％以上的无氧铜(OFC)的La掺杂铜。
如图15所示，金属层213通过在陶瓷基板211的另一面(在图15中为下表面)接合有铝板223而形成。
该铝板223(金属层213)为纯度为99质量％以上、屈服强度为30N/mm2以下的铝或铝合金的轧制板。
在本实施方式中，铝板223(金属层213)为纯度为99.99质量％以上的铝(所谓4N铝)的轧制板。
以下，对所述结构的功率模块用基板210的制造方法进行说明。
首先，如图14及图15所示，对成为电路层212的第一铜板222和陶瓷基板211进行接合(电路层形成工序S201)。陶瓷基板211与第一铜板222通过所谓活性金属法而被接合。如图15所示，该活性金属法为在陶瓷基板211与第一铜板222之间配设由Ag-Cu-Ti构成的钎焊材料225而接合陶瓷基板211与第一铜板222的方法。
在本实施方式中，使用由Ag-27.4质量％的Cu-2.0质量％的Ti构成的钎焊材料225，在10-3Pa的真空中，在向层积方向加压的状态下，以850℃进行10分钟加热，由此，接合陶瓷基板211与第一铜板222。
接着，在陶瓷基板211的另一面侧对成为金属层213的铝板223进行接合(第一金属层形成工序S202)。陶瓷基板211与铝板223使用Al-Si系钎焊材料而被接合。
在本实施方式中，如图15所示，在陶瓷基板211与铝板223之间，配设15～30μm(在本实施方式中为20μm)的钎焊材料箔226，以向层积方向加压的状态装入N2气体气氛的加热炉内，在550℃以上且650℃以下的范围内进行加热，由此接合铝板223与陶瓷基板211。
由此，第一铜板222、陶瓷基板211、铝板223被接合，制造出本实施方式的功率模块用基板210。
根据如以上结构的本实施方式的功率模块用基板210，电路层212由第一铜板222构成。因此，能够有效地促进来自搭载于电路层212的搭载面212A上的半导体元件等发热体的热量的发散。
并且，电路层212由含有7molppm的La的第一铜板222构成。因此，La与作为不可避免杂质之一而存在于铜中的S(硫磺)进行反应而生成硫化物，能够抑制S的影响。由此，第一铜板222(电路层212)的再结晶温度降低，加工硬化得到抑制。因此，能够抑制在冷热循环负载时陶瓷基板211产生破裂。
并且，通过使用Ag-Cu-Ti钎焊材料225的活性金属法接合第一铜板222与陶瓷基板211。因此，在第一铜板222及陶瓷基板211的界面无需夹杂氧就能够构成功率模块用基板210。
接着，参考图16，说明本发明的第4实施方式。
如图16所示，金属层313可以是层积多个铝板313A、313B的结构。在图16中，层积两片铝板313A、313B，但对层积的片数并无限定。并且，如图16所示，层积的铝板彼此的尺寸和形状也可以不同，也可以被调整为相同尺寸和形状。另外，这些金属板的组成也可以不同。
图17示出本发明的第5实施方式的功率模块用基板410、自带散热器的功率模块用基板440及功率模块401。
该功率模块401具备功率模块用基板410、半导体元件3、散热器441。功率模块用基板410配设有电路层412。半导体元件3经由焊料层2而接合于电路层412的搭载面412A。焊料层2为例如Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系焊料(所谓无铅焊料)。在本实施方式中，在电路层412的搭载面412A与焊料层2之间也可以设置有Ni镀膜(未图示)。
如图17所示，功率模块用基板410具备陶瓷基板411、电路层412、金属层413。电路层412在该陶瓷基板411的一面形成(在图17中为上表面)。金属层413在该陶瓷基板411的另一面形成(在图17中为下表面)。
陶瓷基板411防止电路层412与金属层413之间的电连接，由绝缘性高的Al2O3(氧化铝)构成。并且，陶瓷基板411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。
如图19所示，电路层412通过在陶瓷基板411的一面(在图19中为上表面)接合有第一铜板422而形成。电路层412的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。并且，在该电路层412形成有电路图形，其一面(在图17中为上表面)作为搭载半导体元件3的搭载面412A。
如图19所示，金属层413通过在陶瓷基板411的另一面(在图19中为下表面)接合有第二铜板423而形成。金属层413的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。
该第一铜板422(电路层412)及第二铜板423(金属层413)在被接合之前均具有与第1实施方式中所记载的第一铜板22相同的结构(组成)。在本实施方式中，使用将15molppm的Mg添加于纯度99.99质量％以上的无氧铜(OFC)的Mg掺杂铜。
散热器441对所述功率模块用基板410进行冷却。如图17所示，本实施方式的散热器441具备在功率模块用基板410的金属层413的另一面侧进行接合的散热板442。在本实施方式中，散热板442由A6063合金(铝合金)构成。
功率模块用基板410的金属层413与散热器441的散热板442的顶板部分经由焊料层405而被接合。焊料层405为例如Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系焊料(所谓无铅焊料)。在本实施方式中，在金属层413的另一面接合有散热板442的顶板部分，但对此并无特别限定，也可以在陶瓷基板411的另一面(在图19中为下表面)直接钎焊散热板442。
以下，对于所述结构的功率模块用基板410及自带散热器的功率模块用基板440的制造方法，参考图18及图19进行说明。
如图18及图19所示，对成为电路层412的第一铜板422与陶瓷基板411进行接合(电路层形成工序S401)，并且对成为金属层413的第二铜板423与陶瓷基板411进行接合(第二金属层形成工序S402)。在本实施方式中，同时实施这些电路层形成工序S401和第二金属层形成工序S402。
首先，在陶瓷基板411的一面侧层积第一铜板422。并且，在陶瓷基板411的另一面侧层积第二铜板423(层积工序S411)。
接着，对第一铜板422、陶瓷基板411、第二铜板423向其层积方向加压的状态下，在含氧气氛中进行加热(加热工序S412)。在本实施方式中，加热温度设定在1065℃以上且1083℃以下的范围内。
通过该工序，如图19所示，在第一铜板422与陶瓷基板411的界面形成第1熔融金属区域455，在陶瓷基板411与第二铜板423的界面形成第2熔融金属区域456。通过铜(Cu)与氧化亚铜(Cu2O)的共晶反应而使熔点降低，从而形成这些第1熔融金属区域455及第2熔融金属区域456。
接着，通过降低温度，使第1熔融金属区域455及第2熔融金属区域456凝固(凝固工序S413)。
由此，第一铜板422、陶瓷基板411、第二铜板423被接合，制造出本实施方式的功率模块用基板410。
根据如以上结构的本实施方式的功率模块用基板410，具有搭载半导体元件3的搭载面412A的电路层412由第一铜板422构成。因此能够充分地扩散从半导体元件3产生的热量，能够促进该热量的发散。由此，能够搭载功率密度高的半导体元件3等电子部件，能够实现提高半导体封装的小型化和高输出功率化。
构成电路层412的第一铜板422及构成金属层413的第二铜板423在被接合之前均具有与第1实施方式中所记载的第一铜板22相同的结构(组成)。在本实施方式中，使用将15molppm的Mg添加于纯度99.99质量％以上的无氧铜(OFC)中的Mg掺杂铜。因此，Mg与作为不可避免杂质之一而存在于铜中的S(硫磺)进行反应而生成硫化物，可抑制S的影响。由此，第一铜板422(电路层412)及第二铜板423(金属层413)的再结晶温度降低，加工硬化得到抑制。因此，可抑制在冷热循环负载时陶瓷基板411产生破裂。
另外，第一铜板422(电路层412)及第二铜板423(金属层413)的含氧量为1质量ppm以下。因此，抑制Mg与氧进行反应而被消耗，能够使Mg与S进行可靠的反应。
并且，在本实施方式中，陶瓷基板411由Al2O3构成。因此，如上述，通过利用铜(Cu)与氧化亚铜(Cu2O)的共晶区液相的DBC法(Direct Bonding Copper)而接合第一铜板422及第二铜板423与陶瓷基板411。由此，可确保陶瓷基板411与电路层412(第一铜板422)及陶瓷基板411与金属层413(第二铜板423)的接合强度，能够构成接合可靠性优良的功率模块用基板410。
另外，本实施方式构成为同时进行电路层形成工序S401与第二金属层形成工序S402。因此，能够抑制接合时在陶瓷基板411产生翘曲。并且，无需对陶瓷基板411作用不必要的热负载就能够抑制翘曲等的产生。另外，可大幅度削减该功率模块用基板410的制造成本。
接着，参考图20至图22，说明本发明的第6实施方式。
图20所示的功率模块用基板510具备陶瓷基板511、电路层512、金属层513。电路层512接合于该陶瓷基板511的一面(在图20中为上表面)。金属层513接合于陶瓷基板511的另一面(在图20中为下表面)。
陶瓷基板511由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板511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。
并且，在该陶瓷基板511的一面及另一面形成有Al2O3层525、526。
如图22所示，电路层512通过在陶瓷基板511的一面(在图22中为上表面)接合有第一铜板522而形成。电路层512的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。并且，该电路层512上形成有电路图形，其一面(在图20中为上表面)作为搭载半导体元件等电子部件的搭载面512A。
如图22所示，金属层513通过在陶瓷基板511的另一面(在图22中为下表面)接合有第二铜板523而形成。金属层513的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。
该第一铜板522(电路层512)及第二铜板523(金属层513)在被接合之前均具有与第1实施方式中所记载的第一铜板22相同的结构(组成)。在本实施方式中，第一铜板522(电路层512)及第二铜板523(金属层513)使用取代第1实施方式中所记载的Mg而添加10molppm的Zr于纯度99.99质量％以上的无氧铜(OFC)中的Zr掺杂铜。
以下，对于所述结构的功率模块用基板510的制造方法，参考图21及图22进行说明。
在本实施方式中，如图21及图22所示，对成为电路层512的第一铜板522与陶瓷基板511进行接合(电路层形成工序S501)，并且对成为金属层513的第二铜板523与陶瓷基板511进行接合(第二金属层形成工序S502)。在本实施方式中，同时实施这些电路层形成工序S501和第二金属层形成工序S502。
首先，如图21及图22所示，在由AlN构成的陶瓷基板511的一面形成Al2O3层525、以及在另一面形成Al2O3层526(第二氧化铝层形成工序S510)。在该第二氧化铝层形成工序S510中，在以1200℃以上且在Ar-O2混合气体气氛中进行AlN的氧化处理。将氧分压PO2调整为10kPa，而将水蒸气分压PH2O调整为0.05kPa。如此，通过在高氧分压/低水蒸气分压气氛中进行AlN的氧化处理，形成与AlN的粘附性优良的致密的Al2O3层525、526。Al2O3层525、526的厚度为1μm以上。
通过对高纯度的Ar气体进行脱氧处理之后混合氧气而调整氧分压。并且，使该气氛气体通过填充有硅胶与五氧化二磷的干燥系统而进行脱水处理之后，使其通过被调整为规定温度的水中，由此调整水蒸气分压。
接着，在陶瓷基板511的一面侧层积第一铜板522。并且，在陶瓷基板511的另一面侧层积第二铜板523(层积工序S511)。即，使Al2O3层525介于陶瓷基板511与第一铜板522之间，使Al2O3层526介于陶瓷基板511与第二铜板523之间。
接着，对第一铜板522、陶瓷基板511、第二铜板523向其层积方向加压的状态下，在含氧气氛中进行加热(加热工序S512)。在本实施方式中，加热温度设定为1065℃以上且1083℃以下的范围内。
通过该工序，如图22所示，在第一铜板522与陶瓷基板511的界面形成第1熔融金属区域555，在陶瓷基板511与第二铜板523的界面形成第2熔融金属区域556。通过铜(Cu)与氧化亚铜(Cu2O)的共晶反应而使熔点降低，从而形成这些第1熔融金属区域555及第2熔融金属区域556。
接着，通过降低温度，使第1熔融金属区域555及第2熔融金属区域556凝固(凝固工序S513)。
由此，第一铜板522、陶瓷基板511、第二铜板523被接合，制造出本实施方式的功率模块用基板510。
根据如以上结构的本实施方式的功率模块用基板510，电路层512由第一铜板522构成。因此，能够有效地促进来自搭载于电路层512的搭载面512A上的半导体元件等发热体的热量的发散。
并且，电路层512及金属层513由含有10molppm的Zr的第一铜板522及第二铜板523构成。因此，Zr与作为不可避免杂质之一而存在于铜中的S(硫磺)进行反应而生成硫化物，可抑制S的影响。由此，第一铜板522(电路层512)及第二铜板523(金属层513)的再结晶温度降低，加工硬化得到抑制。因此，可抑制在冷热循环负载时陶瓷基板511产生破裂。
并且，在本实施方式中，在由AlN构成的陶瓷基板511的一面形成Al2O3层525，且在另一面形成Al2O3层526，利用这些Al2O3层525、526并通过DBC法对第一铜板522及第二铜板523与陶瓷基板511进行接合，可牢固地接合第一铜板522及第二铜板523与陶瓷基板511。如此，即使为由AlN构成的陶瓷基板511，也能够利用DBC法接合第一铜板522及第二铜板523。
另外，在第二氧化铝层形成工序S510中，所形成的Al2O3层525、526的厚度为1μm以上。因此，能够可靠地接合第一铜板522及第二铜板523与陶瓷基板511。
并且，在本实施方式中，通过在高氧分压/低水蒸气分压气氛中进行AlN的氧化处理，形成与AlN的粘附性优良的致密的Al2O3层525、526。因此，可防止由AlN构成的陶瓷基板511与Al2O3层525、526之间产生剥离。
接着，参考图23至图25，说明本发明的第7实施方式。
图23所示的功率模块用基板610具备陶瓷基板611、电路层612及金属层613。电路层612在该陶瓷基板611的一面形成(在图23中为上表面)。金属层613在陶瓷基板611的另一面形成(在图23中为下表面)。
陶瓷基板611防止电路层612与金属层613之间的电连接，由绝缘性高的AlN构成。并且，陶瓷基板611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。
如图25所示，电路层612通过在陶瓷基板611的一面(在图25中为上表面)接合有第一铜板622而形成。电路层612的厚度设定为0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。并且，在该电路层612上形成有电路图形，其一面(在图23中为上表面)作为搭载半导体元件等电子部件的搭载面612A。
如图25所示，金属层613通过在陶瓷基板611的另一面(在图25中为下表面)接合有第二铜板623而形成。金属层613的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。
第一铜板622(电路层612)及第二铜板623(金属层613)在被接合之前，均具有与第1实施方式中所记载的第一铜板22相同的结构(组成)。在本实施方式中，第一铜板622(电路层612)及第二铜板623(金属层613)使用取代第1实施方式中所记载的Mg而添加7molppm的La于纯度99.99质量％以上的无氧铜(OFC)中的La掺杂铜。
以下，参考图24及图25，说明所述结构的功率模块用基板610的制造方法。
在本实施方式中，如图24及图25所示，对成为电路层612的第一铜板622与陶瓷基板611进行接合(电路层形成工序S601)，并且对成为金属层613的第二铜板623与陶瓷基板611进行接合(第二金属层形成工序S602)。在本实施方式中，同时实施这些电路层形成工序S601和第二金属层形成工序S602。
第一铜板622及第二铜板623与陶瓷基板611通过所谓的活性金属法而被接合。
首先，在陶瓷基板611的一面侧层积第一铜板622。并且，在陶瓷基板611的另一面侧层积第二铜板623(层积工序S611)。此时，如图25所示，在第一铜板622与陶瓷基板611之间配设由Ag-Cu-Ti构成的钎焊材料625，而在陶瓷基板611与第二铜板623之间配设由Ag-Cu-Ti构成的钎焊材料626。
在本实施方式中，钎焊材料625，626使用Ag-27.4质量％的Cu-2.0质量％的Ti的组成的钎焊材料。
接着，对第一铜板622、陶瓷基板611、第二铜板623向其层积方向加压的状态下，在真空气氛中进行加热(加热工序S612)。在本实施方式中，在10-3Pa的真空气氛中，以850℃、10分钟的条件进行加热。
通过该工序，如图25所示，在第一铜板622与陶瓷基板611的界面形成第1熔融金属区域655，在陶瓷基板611与第二铜板623的界面形成第2熔融金属区域656。
接着，通过降低温度，使第1熔融金属区域655及第2熔融金属区域656凝固(凝固工序S613)。
由此，第一铜板622、陶瓷基板611及第二铜板623被接合，制造出本实施方式的功率模块用基板610。
根据如以上结构的本实施方式的功率模块用基板610，电路层612由第一铜板622构成。因此，能够有效地促进来自搭载于电路层612的搭载面612A上的半导体元件等发热体的热量的发散。
并且，电路层612及金属层613由含有7molppm的La的第一铜板622及第二铜板623构成。因此，La与作为不可避免杂质之一存在于铜中的S(硫磺)进行反应而生成硫化物，可抑制S的影响。由此，第一铜板622(电路层612)及第二铜板623(金属层613)的再结晶温度降低，加工硬化得到抑制。由此，能够抑制在冷热循环负载时陶瓷基板611产生破裂。
并且，通过使用Ag-Cu-Ti钎焊材料625、626的活性金属法，接合第一铜板622及第二铜板623与陶瓷基板611。因此，在第一铜板622及第二铜板623与陶瓷基板611的界面无需夹杂着氧就能够构成功率模块用基板610。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内可作适当的变更。
例如，已说明陶瓷基板由Al2O3、AlN构成的情况，但并不限定于此，也可为由Si3N4等构成。
并且，在第1、第2及第3实施方式中，已说明构成金属层的铝板为纯度99.99％以上的纯铝的轧制板的情况，但并不限定于此。
并且，在第2及第6实施方式中，已说明通过氧化处理AlN而形成Al2O3层的情况，但并不限定于此，也可以通过其他的手段在陶瓷基板的表面形成Al2O3层。
另外，在第1及第2实施方式的固定层形成工序中，已说明通过溅射而固定添加元素的情况，但并不限定于此，也可以通过蒸镀、CVD、电镀或糊料的涂布而使添加元素固定。
并且，在第1、第2、第3及第5实施方式中，已说明由A6063合金构成散热器的情况，但并不限定于此，也可以由A1100合金、A3003合金、A5052合金、A7N01合金等其他金属材料构成。
另外，散热器的结构为并不限定于本实施方式，也可以采用其他结构的散热器。
并且，已说明在散热器上接合一个功率模块用基板的结构，但并不限定于此，也可以在一个散热器上接合多个功率模块用基板。
并且，在第5、第6及第7实施方式中，已说明使构成电路层的铜板与构成金属层的铜板为相同组成的情况，但并不限定于此，也可以使构成电路层的铜板与构成金属层的铜板为互不相同的组成。
[实施例1]
对为了确认本发明的有效性而进行的比较实验进行说明。
准备由AlN构成的厚度0.635mm的陶瓷基板，由表1所示的组成的无氧铜中添加任意元素的掺杂铜、无氧铜(OFC)及韧铜(TPC)构成的厚度0.3mm的铜板，以及纯度99.99质量％的铝(4NAl)构成的厚度1.6mm的铝板。
将这些陶瓷基板、铜板、铝板通过在第3实施方式中所记载的方法而进行接合。将电路层形成工序S201中的加压压力设为0.5kgf/cm2、将加热温度设为850℃。并且，将第一金属层形成工序S202中的加压压力设为5kgf/cm2，将加热温度设为640℃。
对这些功率模块用基板，仅负载规定次数的冷热循环(-40℃至110℃及110℃至-40℃)，对有无陶瓷基板的破裂进行确认。
[表1]
在使用韧铜的现有例A1及使用无氧铜(OFC)的现有例A2中，从负载冷热循环1000次到2000次为止，确认到陶瓷基板上有龟裂。
相对于此，在含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方的本发明例A1～A14中，在负载2000次冷热循环的时刻，在陶瓷基板上未确认到有破裂。尤其，在含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或300molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方的本发明例A1～A3、A7～A13中，在负载3000次冷热循环的时刻，在陶瓷基板上未确认到破裂。
另外，当比较含氧量不同的本发明例A5与本发明例A6时，确认到含氧量为1质量ppm以下的本发明例A5防止陶瓷基板破裂的效果高。
[实施例2]
说明为确认本发明的有效性而进行的比较实验。
准备由Al2O3构成的厚度0.635mm的陶瓷基板和由表2所示的组成的铜或铜合金构成的厚度0.3mm的铜板。
通过在第7实施方式中所记载的方法将这些铜板、陶瓷基板、铜板进行接合。将电路层形成工序S601及第二金属层形成工序S602中的加压压力设为0.5kgf/cm2，将加热温度设为850℃。
对这些功率模块用基板，仅负载规定次数的冷热循环(-40℃至110℃及110℃至-40℃)，对有无陶瓷基板的破裂进行确认。
[表2]
在使用韧铜的现有例B1及使用无氧铜(OFC)的现有例B2中，从负载冷热循环1000次至2000次为止，确认到在陶瓷基板上有龟裂。
对此，在含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方的本发明例B1～B14中，在负载2000次冷热循环的时刻，在陶瓷基板上未确认到破裂。尤其，在含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上，或300molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方本发明例B1～B3，B7～B13中，在负载3000次冷热循环的时刻，在陶瓷基板上也未确认到破裂。
另外，当比较含氧量不同的本发明例B5与本发明例B6时，确认到含氧量为1质量ppm以下的本发明例B5防止陶瓷基板破裂的效果高。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种可有效地发散来自搭载于电路层上的电子部件等的热量且在负载冷热循环时可抑制产生绝缘基板破裂的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块及功率模块用基板的制造方法。
符号说明
1、101、301、401-功率模块，3-半导体元件(电子部件)，10、110、210、310、410、510、610-功率模块用基板，11、111、211、311、411、511、611-陶瓷基板(绝缘基板)，12、112、212、312、412、512、612-电路层，13、113、213、313、413、513、613-金属层，22、122、222、422、522、622-第一铜板，423、523、623-第二铜板，23、123、223-铝板，30-接合界面(陶瓷基板/金属层)，32-添加元素高浓度部，35-接合界面(金属层/散热器)，40、140、340、440-自带散热器的功率模块用基板，41、141、341、441-散热器，125、525、526-Al2O3层。

Claims (13)

1.一种功率模块用基板，其特征在于，具备绝缘基板和在所述绝缘基板的一面形成的电路层，
所述电路层通过在所述绝缘基板的一面接合有第一铜板而构成，
所述第一铜板在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
2.根据权利要求1所述的功率模块用基板，还具备有在所述绝缘基板的另一面形成的金属层，其中，
所述金属层通过在所述绝缘基板的另一面接合有铝板而构成。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块用基板，其中，
构成所述电路层的第一铜板在被接合之前至少含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上或300molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
4.根据权利要求1或2所述的功率模块用基板，其中，
构成所述电路层的第一铜板的含氧量为1质量ppm以下。
5.根据权利要求2所述的功率模块用基板，其中，
在所述金属层中与所述绝缘基板的接合界面，固溶有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素，而所述金属层中在接合界面附近的所述添加元素的总浓度设定在0.01质量％以上且5质量％以下的范围内。
6.根据权利要求5所述的功率模块用基板，其中，
在所述金属层中与所述绝缘基板的接合界面，形成有Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上添加元素的浓度为所述金属层中所述添加元素的浓度的两倍以上的添加元素高浓度部。
7.根据权利要求1所述的功率模块用基板，还具备有在所述绝缘基板的另一面形成的金属层，其中，
所述金属层通过在所述绝缘基板的另一面接合有第二铜板而构成，
所述第二铜板在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
8.根据权利要求7所述的功率模块用基板，其中，
所述第一铜板及所述第二铜板中的至少一方在被接合之前至少含有共计3molppm以上且50molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上或300molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成。
9.根据权利要求7或8所述的功率模块用基板，其中，
所述第一铜板及所述第二铜板中的至少一方的含氧量为1质量ppm以下。
10.一种自带散热器的功率模块用基板，其特征在于，
具备有权利要求1至9中任一项所述的功率模块用基板和配设于所述绝缘基板的另一面侧的散热器。
11.一种自带散热器的功率模块，其特征在于，
具备权利要求10所述的自带散热器的功率模块用基板和搭载于所述电路层上的电子部件。
12.一种功率模块，其特征在于，
具备权利要求1至9中任一项所述的功率模块用基板和搭载于所述电路层上的电子部件。
13.一种功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板具备绝缘基板、在该绝缘基板的一面形成的电路层及在所述绝缘基板的另一面形成的金属层，所述功率模块用基板的制造方法的特征在于，
所述电路层通过在所述绝缘基板的一面接合有第一铜板而构成，所述金属层通过在所述绝缘基板的另一面接合有铝板而构成，所述第一铜板在被接合之前至少含有共计1molppm以上且100molppm以下的碱土类元素、过渡金属元素、稀土类元素中的一种以上或100molppm以上且1000molppm以下的硼中的任一方，残余部分由铜及不可避免杂质组成，
所述功率模块用基板的制造方法具备：在所述绝缘基板的一面接合第一铜板而形成所述电路层的电路层形成工序；及
在所述绝缘基板的另一面接合铝板而形成所述金属层的第一金属层形成工序，
在所述第一金属层形成工序中，在所述铝板的接合界面配置Si、Cu、Ag、Zn、Mg、Ge、Ca、Ga、Li中的任一种或两种以上的添加元素并接合所述铝板。
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