CN104205323B - 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 - 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中，电路层(12)具有：铝层(12A)，配设于绝缘层(11)的一面；及铜层(12B)，层叠于该铝层(12A)的一侧，所述铝层(12A)与所述铜层(12B)被固相扩散接合。

Description

功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块及 功率模块用基板的制造方法
技术领域
该发明涉及一种在绝缘层的一面形成有电路层的功率模块用基板、在该功率模块用基板上接合有散热器的自带散热器的功率模块用基板、在功率模块用基板上接合有半导体元件的功率模块及功率模块用基板的制造方法。
本申请主张基于2012年03月30日于日本申请的专利申请2012-083249号及2012年09年14日于日本申请的专利申请2012-203362号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
在各种半导体元件中，尤其在为了控制电动汽车或电动车辆而使用的大功率控制用功率元件中的发热量较多。因此，作为搭载该功率元件的基板，一直以来广泛使用例如在由AlN(氮化铝)等构成的陶瓷基板(绝缘层)上接合导电性优异的金属板来作为电路层的功率模块用基板。
并且，这种功率模块用基板中，在其电路层上通过焊锡材搭载有作为功率元件的半导体元件，从而作为功率模块。另外，作为这种功率模块用基板，已知有设为如下结构的基板，即为了在陶瓷基板的下表面也发散由半导体元件引起的热量而接合热传导性优异的散热器，从而发散该热量。
作为构成电路层的金属，使用Al(铝)和Cu(铜)等。例如，专利文献1中提出有在陶瓷基板的一面接合有由铝板构成的电路层的功率模块用基板。
并且，专利文献2中提出有在陶瓷基板的一面接合有由铜板构成的电路层的功率模块用基板。
专利文献1：日本专利第3171234号公报
专利文献2：日本专利第3211856号公报
但是，专利文献1中示出的功率模块中，电路层由变形阻力比较小的铝板构成。因此，在负载有热循环时，能够通过电路层吸收在陶瓷基板与电路层之间产生的热应力，但是在负载有动力循环时，有时会在接合半导体元件与电路层的焊锡上产生龟裂而功率模块的可靠性降低。并且，与铜相比，铝的热传导性较差，因此与由铜构成的电路层相比，由铝板构成的电路层的散热性较差。而且，在铝板的表面形成铝的氧化层，因此很难在该状态下通过焊锡良好地接合电路层与半导体元件。
另一方面，如专利文献2所示，由铜板构成电路层时，铜的变形阻力比较高。因此，在负载有热循环时，由于在陶瓷基板与铜板之间产生的热应力，有时会在陶瓷基板产生龟裂。
尤其，近来功率模块的小型化、薄壁化得到发展，并且其使用环境也逐渐变得严苛，来自半导体元件的发热量逐渐增大。其结果，对于热循环及动力循环负载的与可靠性相关的功率模块的必要条件变得严苛。因此，由铝构成电路层时的问题在于，在负载有动力循环时，功率模块的可靠性降低。并且，由铜构成电路层时的问题在于，在负载有热循环时，功率模块的可靠性降低。
如此，由铜构成的电路层对于动力循环的可靠性较高，但是对于热循环的可靠性降低。并且，由铝构成的电路层对于热循环的可靠性较高，但是对于动力循环的可靠性降低。因此，以往只能优先动力循环或热循环中的任一个的可靠性，未能兼顾功率模块对于热循环及动力循环的可靠性。
发明内容
该发明提供一种在负载动力循环时抑制热阻的上升，并且在负载热循环时抑制在陶瓷基板产生龟裂，并且对于动力循环及热循环的负载具有较高的可靠性的功率模块用基板、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。
为了解决所述课题，本发明所涉及的一方式的功率模块用基板为具备绝缘层及形成于该绝缘层的一面的电路层的功率模块用基板，其中，所述电路层具有：铝层，配设于所述绝缘层的一面；及铜层，层叠于该铝层的一侧，所述铝层与所述铜层被固相扩散接合。
根据本发明所涉及的功率模块用基板，电路层具有铜层。在该铜层上搭载有半导体元件时，在向功率模块用基板侧传递从半导体元件产生的热量时，能够通过电路层的铜层向面方向扩散该热量来有效地发散该热量。
而且，在绝缘层的一面形成有变形阻力比较小的铝层，在负载有热循环时，铝层吸收由于绝缘层与电路层的热膨胀系数之差而产生的热应力，因此能够抑制在绝缘层产生龟裂，对于接合能够得到较高的可靠性。
并且，在铝层的一侧形成有变形阻力比较大的铜层，因此在负载有动力循环时，能够抑制电路层的变形。因此，能够得到功率模块用基板对于动力循环的可靠性。
并且，铝层与铜层通过固相扩散接合而被接合，因此在负载有热循环时，能够抑制在铝层与铜层之间产生剥离，并维持电路层的热传导性及导电性。
另外，铝层的一侧是指未与绝缘层接合的面侧。
并且，在所述铝层与所述铜层的接合界面形成有由Cu及Al构成的扩散层，所述扩散层设为多个金属互化物沿着所述接合界面层叠的结构，所述铜层与所述扩散层的接合界面也可设为氧化物沿着所述接合界面以层状分散的结构。
在铝层与铜层的接合界面形成有由Cu及Al构成的扩散层，因此铝层中的Al(铝原子)与铜层中的Cu(铜原子)充分地相互扩散，铝层与铜层被牢固地接合。
并且，在铜层与扩散层的接合界面，氧化物沿着接合界面以层状分散，因此形成于铝层表面的氧化膜被破坏而充分进行固相扩散接合。
并且，所述铜层的厚度可设为0.1mm以上6.0mm以下。
通过将铜层的厚度设定为上述范围，在向功率模块用基板侧传递从半导体元件产生的热量时，通过电路层的铜层向面方向扩散热量，从而能够更有效地发散该热量。因此，能够降低负载动力循环时的初始热阻。而且，在负载动力循环之后也能够抑制在焊锡上产生龟裂，因此能够抑制热阻的上升。
并且，本发明所涉及的自带散热器的功率模块用基板具备所述功率模块用基板及接合于该功率模块用基板的另一侧的散热器。
根据本发明所涉及的自带散热器的功率模块用基板，由于在如上述的功率模块用基板的另一侧接合有散热器，因此能够向散热器有效地发散功率模块用基板侧的热量。
并且，本发明所涉及的功率模块具备所述功率模块用基板及接合于所述电路层的一侧的半导体元件。
根据本发明所涉及的功率模块，由于使用如上述的功率模块用基板，因此在负载有动力循环时，在向功率模块用基板侧传递从半导体元件产生的热量时，能够通过电路层的铜层向面方向扩散来有效地发散该热量。并且，能够抑制半导体元件的温度上升，从而使半导体元件以规定温度工作，并能够提高工作的稳定性。
并且，本发明所涉及的功率模块设为半导体元件通过焊锡接合于铜层的结构，因此与由铝构成电路层的功率模块的情况相比，能够良好地进行焊锡接合。
另外，电路层的一侧是指未与绝缘层接合的面侧。
本发明所涉及的另一方式的功率模块用基板的制造方法为具备绝缘层及形成于该绝缘层的一面的电路层的功率模块用基板的制造方法，该制造方法具备在所述绝缘层的一面形成电路层的电路层形成工序，所述电路层形成工序具有：铝层配设工序，在所述绝缘层的一面配设铝层；及铜层层叠工序，在所述铝层的一侧层叠铜层，在所述铜层层叠工序中，固相扩散接合所述铝层与所述铜层。
根据本发明所涉及的功率模块用基板的制造方法，电路层形成工序构成为具备铝层配设工序及铜层层叠工序，并在铜层层叠工序中固相扩散接合铝层与铜层。因此，能够得到具备铝层与铜层通过固相扩散而接合的电路层的功率模块用基板。
并且可以构成为，在所述铜层层叠工序中，在所述铝层的一侧层叠铜层，在负载有3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的荷载的状态下，以400℃以上且小于548℃的条件保持所述铝层及所述铜层，由此固相扩散接合所述铝层与所述铜层。
通过以这种条件进行固相扩散接合，能够通过固相扩散可靠地接合铝层与铜层。并且，能够抑制在铝层与铜层的界面产生间隙。
根据本发明，能够提供一种在负载动力循环时抑制热阻的上升，并且在负载热循环时抑制在陶瓷基板产生龟裂，并且对于动力循环及热循环的负载具有较高的可靠性的功率模块用基板、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是本发明的实施方式所涉及的功率模块、自带散热器的功率模块用基板及功率模块用基板的概要说明图。
图2是图1的铝层与铜层的界面的放大图。
图3是图2的扩散层的放大说明图。
图4是说明本发明的实施方式所涉及的功率模块的制造方法的流程图。
图5是本发明的实施方式所涉及的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的概要说明图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
图1中示出本发明的实施方式的功率模块1、自带散热器的功率模块用基板30及功率模块用基板10。
该功率模块1具备：自带散热器的功率模块用基板30；及通过焊锡层2接合于该自带散热器的功率模块用基板30的一侧的半导体元件3(图1中上侧)。
焊锡层2例如为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系或者Sn-Ag-Cu系焊锡材(所谓的无铅焊锡材)，其接合自带散热器的功率模块用基板30与半导体元件3。
半导体元件3为具备半导体的电子组件，根据所需要的功能选择各种半导体元件。本实施方式中，设为IGBT元件。
自带散热器的功率模块用基板30具备功率模块用基板10及接合于功率模块用基板10的另一侧(图1中下侧)的散热器31。
并且，如图1所示，功率模块用基板10具备：陶瓷基板11(绝缘层)；电路层12，形成于该陶瓷基板11的一面(图1中上表面)；及金属层13，形成于陶瓷基板11的另一表面(图1中下表面)。即，陶瓷基板11具有第一面(一表面)及第二面(另一表面)，在陶瓷基板11的第一面形成电路层12，在陶瓷基板11的第二面形成金属层13。
陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，其由绝缘性较高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板11的厚度设定为0.2～1.5mm的范围内，本实施方式中设定为0.635mm。
金属层13通过在陶瓷基板11的第二面(图1中下表面)接合由铝或铝合金构成的金属板来形成。本实施方式中，金属层13通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓的4N铝)的轧制板构成的铝板23接合于陶瓷基板11来形成。
如图1所示，电路层12具有：铝层12A，配设于陶瓷基板11的第一面；及铜层12B，层叠于该铝层12A的一侧(图1中上侧)。
如图5所示，铝层12A通过铝板22A接合于陶瓷基板11的第一面来形成。本实施方式中，铝层12A通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓的4N铝)的轧制板构成的铝板22A接合于陶瓷基板11来形成。
铜层12B通过接合于铝层12A的一侧(图1中上侧)来形成。
本实施方式中，如图5所示，铜层12B通过由无氧铜的轧制板构成的铜板22B固相扩散接合于铝层12A来形成。
并且如图2所示，在这些铝层12A与铜层12B的界面形成有扩散层12C。优选该铜层12B的厚度设定为0.1mm以上6.0mm以下。
扩散层12C通过铝层12A的铝原子与铜层12B的铜原子相互扩散来形成。在该扩散层12C中具有如下浓度梯度，即随着从铝层12A朝向铜层12B，铝原子的浓度逐渐变低，且铜原子的浓度逐渐变高。
图3中示出扩散层12C的放大说明图。该扩散层12C由金属互化物构成，该金属互化物由Cu及Al构成，本实施方式中构成为多个金属互化物沿着接合界面层叠。其中，该扩散层12C的厚度t设定为1μm以上80μm以下的范围内，优选设定为5μm以上80μm以下的范围内。
本实施方式中，如图3所示，设为层叠有3种金属互化物的结构。在功率模块用基板10的厚度方向上，设为从铝层12A朝向铜层12B依次为θ相16、η2相17、ζ2相18。
并且，在该扩散层12C与铜层12B的接合界面，氧化物19沿着接合界面以层状分散。另外，本实施方式中，该氧化物19设为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。另外，如图3所示，氧化物19在扩散层12C与铜层12B的界面以间断的状态分散，还存在扩散层12C与铜层12B直接接触的区域。而且，本实施方式中，铜层12B的平均结晶粒径设为50μm以上200μm以下的范围内，铝层12A的平均结晶粒径设为500μm以上。
散热器31用于发散功率模块用基板10的热量。优选散热器31由热传导性良好的材质构成，本实施方式中由A6063(Al合金)构成。在该散热器31上设置有供冷却用流体流动的流路32。
并且，本实施方式中，功率模块用基板10的金属层13与散热器31通过接合层33接合。
接合层33接合功率模块用基板10与散热器31。本实施方式中，如图5所示，由无氧铜的轧制板构成的铜板43配置于金属层13与散热器31之间来固相扩散接合，由此金属层13与散热器31通过接合层33接合。该接合层33上形成有由相互扩散产生的铝及铜的浓度梯度。接合层33具有如下浓度梯度，即随着从金属层13朝向散热器31，铜原子的浓度逐渐变低，且铝原子的浓度逐渐变高。
接着，利用图4及图5对本实施方式的功率模块1、自带散热器的功率模块用基板30、功率模块用基板10的制造方法进行说明。
首先，如图5所示，在陶瓷基板11的第一面及第二面通过Al-Si系钎料层叠铝板22A、23。并且，通过加压、加热后冷却陶瓷基板11及铝板22A、23，从而接合陶瓷基板11与铝板22A、23，形成铝层12A及金属层13(铝层及金属层接合工序S11)。另外，该钎焊的温度设定为640℃～650℃。
接着，如图5所示，在铝层12A的第一面配置铜板22B，在金属层13的另一侧配置铜板43，还在铜板43的另一侧配置散热器31。并且，对在陶瓷基板11及形成于其两面的铝层12A及金属层13上如上述那样配置铜板22B、铜板43及散热器31的部件，从一侧及另一侧负载荷载，并配置于真空加热炉中。本实施方式中，负载于铝层12A与铜板22B、金属层13与铜板43、散热器31与铜板43的接触面的荷载设为3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下。并且，将真空加热的加热温度设为400℃以上且小于548℃，保持5分钟以上240分钟以下来进行固相扩散接合，在铝层12A上接合铜板22B来形成铜层12B，同时通过接合层33接合金属层13与散热器31(铜层及散热器接合工序S12)。本实施方式中，对于铝层12A与铜板22B、金属层13与铜板43、散热器31与铜板43中进行接合的各个面，预先去除该面的瑕疵而使其平滑之后，进行固相扩散接合。
另外，同时在铝层12A的一侧固相扩散接合铜板22B且在金属层13的另一侧固相扩散接合铜板43，还在铜板43的另一侧固相扩散接合散热器31，关于此时的真空加热的优选加热温度设定为，在构成铝板22A的金属(Al)与构成铜板22B的金属(Cu)、构成铝板23的金属(Al)与构成铜板43的金属(Cu)、及构成散热器31的金属(Al-Mg-Si系)与构成铜板43的金属(Cu)的共晶温度之中，最低的共晶温度(不包含共晶温度)至共晶温度-5℃的范围。
如此，形成具有铝层12A及层叠于铝层12A的一侧的铜层12B的电路层12。
如上述，可得到本实施方式的在陶瓷基板11的一侧形成有电路层12的自带散热器的功率模块用基板30及功率模块用基板10。
并且，在电路层12的一侧(表面)通过焊锡材载置半导体元件3，在还原炉中进行焊锡接合(半导体元件接合工序S13)。
如上述那样制造出本实施方式的功率模块1。
根据设为如上的结构的本实施方式的自带散热器的功率模块用基板30及功率模块用基板10，电路层12具有铜层12B，在铜层12B上搭载有半导体元件3。因此，与由铝构成的电路层相比，能够通过电路层12的铜层12B向面方向扩散从半导体元件3产生的热量，并有效地向功率模块用基板10发散该热量。在附带散热器的功率模块用基板30中，能够通过散热器31进一步发散功率模块用基板10的热量。
而且，在陶瓷基板11的第一面及第二面形成有由变形阻力比较小的铝构成的铝层12A及金属层13，在负载有热循环时，由铝层12A及金属层13吸收由于陶瓷基板11与电路层12及陶瓷基板11与金属层13的热膨胀系数之差引起的热应力，因此对于热循环能够得到较高的可靠性。
并且，在铝层12A的一侧形成有变形阻力比较大的铜层12B，在负载有动力循环时，由于能够抑制电路层12的变形，因此能够抑制热阻的上升，能够得到对于动力循环的较高的可靠性。
并且，本实施方式中，在铝层12A与铜层12B之间形成有由Cu及Al的扩散层构成的扩散层12C，因此铝层12A中的Al向铜层12B且铜层12B中的Cu向铝层12A相互充分扩散，铝层12A与铜层12B可靠地固相扩散接合，能够确保接合强度。
并且，在铜层12B与扩散层12C的接合界面，氧化物19沿着接合界面以层状分散，因此形成于铝层12A的氧化膜被可靠地破坏，Cu与Al的相互扩散充分进行，铜层12B与扩散层12C被可靠地接合。
并且，本实施方式中，扩散层12C设为多个金属互化物沿着所述接合界面层叠的结构，因此能够抑制脆性金属互化物较大生长的现象。并且，通过铜层12B中的Cu与铝层12A中的Al相互扩散，从铜层12B朝向铝层12A以层状形成有适于各个组成的金属互化物，因此能够使接合界面的特性稳定。
具体而言，扩散层12C中，从铝层12A朝向铜层12B依次层叠有θ相16、η2相17、ζ2相18这3种金属互化物。因此，扩散层12C内部的体积变动变小，抑制内部应变。
而且，本实施方式中，铝层12A的平均结晶粒径设为500μm以上，铜层12B的平均结晶粒径设为50μm以上200μm以下的范围内，将铝层12A及铜层12B的平均结晶粒径设定成较大。因此，在铝层12A及铜层12B不会蓄积过剩的应变等，提高疲劳特性。因此，在负载热循环时，提高针对于在功率模块用基板10与散热器31之间产生的热应力的接合可靠性。
而且，本实施方式中，扩散层12C的平均厚度设为1μm以上80μm以下，优选设为5μm以上80μm以下的范围内。因此，Cu与Al的相互扩散充分进行，能够牢固地接合铝层12A与铜层12B，并且可抑制与铝层12A及铜层12B相比较脆弱的金属互化物过于生长的现象，使接合界面的特性稳定。
其中，铜层12B的优选厚度设为0.1mm以上6.0mm以下。
通过将铜层12B设为0.1mm以上，能够通过铜层12B扩散来自半导体元件3的热量来有效地传递热量，从而降低负载动力循环时的初始热阻。因此，能够提高对于动力循环的可靠性。并且，通过将铜层12B设为6.0mm以下，能够降低电路层12的刚性，并抑制负载热循环时在陶瓷基板11上产生龟裂的现象。
在使用如上述的功率模块用基板10及自带散热器的功率模块用基板30的功率模块1中，能够有效地发散从半导体元件3产生的热量。并且，能够抑制半导体元件3的温度上升，从而使半导体元件3以规定温度工作，并能够提高工作的稳定性。
并且，本实施方式中，铝层12A与铜层12B通过固相扩散接合来接合，因此能够得到形成于陶瓷基板11的一侧的具有铝层12A及铜层12B的电路层12。
并且，固相扩散接合设为如下结构，即在陶瓷基板11的第一面形成铝层12A，在陶瓷基板11的第二面形成金属层13，在铝层12A的一侧配置铜板22B，在金属层13的另一侧配置铜板43与散热器31之后，在负载有3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的荷载的状态下，以400℃以上且小于548℃的条件保持铝层12A与铜板22B、金属层13与铜板43、散热器31与铜板43。通过设为这种结构，在铝层12A与铜板22B充分贴紧的状态下，使铜板22B的铜原子在铝层12A中固相扩散并使铝层12A的铝原子在铜板22B中固相扩散来进行固相扩散接合，从而能够在铝层12A的一侧可靠地形成铜层12B。
而且，通过如此进行固相扩散接合，能够抑制在铝层12A与铜层12B之间产生间隙的现象，从而接合铝层12A与铜层12B。因此，使铝层12A与铜层12B的接合界面中的热传导性及导电性良好，能够向陶瓷基板11有效地发散从半导体元件3产生的热量。而且，在固相扩散接合的铝层12A与铜层12B的界面形成有扩散层12C。该扩散层12C通过固相扩散而形成，因此接合强度较高。因此，在负载有热循环及动力循环时，很难产生界面的剥离，能够保持良好的接合状态，并能够维持热传导性及导电性。
并且，金属层13与铜板43、散热器31与铜板43分别固相扩散接合，能够通过接合层33接合金属层13与散热器31。而且，通过以如上述的条件进行固相扩散接合，能够抑制在金属层13与散热器31之间产生间隙，从而能够通过接合层33进行接合，因此能够使金属层13与散热器31之间的热传导性良好。并且，金属层13与散热器31通过接合层33牢固地接合，在负载有热循环及动力循环时，很难产生金属层13与接合层33、散热器31与接合层33的界面的剥离，能够保持良好的接合状态，并能够维持热传导性。
固相扩散接合时，负载于铝层12A及铜板22B的荷载小于3kgf/cm2时，很难充分接合铝层12A与铜板22B，有时在铝层12A与铜层12B之间产生间隙。并且，超过35kgf/cm2时，由于所负载的荷载过高，因此有时在陶瓷基板11产生龟裂，因此将在固相扩散接合时所负载的荷载设定为上述范围。
固相扩散接合时的温度为400℃以上时，促进铝原子与铜原子的扩散，能够使其在短时间内充分地固相扩散。并且，小于548℃时，能够抑制在铝与铜之间产生液相而在接合界面产生凸起或厚度发生变动的现象。因此，固相扩散接合的优选温度设定为400℃以上且小于548℃的范围。
并且，固相扩散接合时的更优选的热处理温度设为从构成铝板22A的金属(Al)与构成铜板22B的金属(Cu)的共晶温度(不包含共晶温度)至共晶温度-5℃的范围。选择这种从共晶温度(不包含共晶温度)至共晶温度-5℃的范围时，不会形成液相且不会生成铝与铜的化合物，因此除了固相扩散接合的接合可靠性变得良好之外，固相扩散接合时的扩散速度也较快，能够在比较短的时间内固相扩散接合，因此如上述那样设定。
并且，固相扩散接合时，所接合的面上有瑕疵时，有时会在固相扩散接合时产生间隙，但对于铝层12A与铜板22B、金属层13与铜板43、散热器31与铜板43中进行接合的面，预先去除该面的瑕疵来使其平滑之后进行固相扩散接合，因此能够抑制在各个接合界面产生间隙的现象而接合。
并且，由于设为半导体元件3通过焊锡层2接合于铜层12B的结构，因此与接合于仅由铝构成的电路层时相比，能够良好地进行焊接。
并且，在本实施方式中，金属层13与散热器31通过接合层33并通过固相扩散接合而接合，在金属层13与散热器31之间不存在与铝或铜相比热传导性较差的焊锡或润滑脂，因此能够提高金属层13与散热器31之间的热传导性。
并且，设为能够一次性接合铜层12B及散热器31的结构，因此能够大幅降低制造成本。
并且，本实施方式的功率模块1在功率模块用基板10的下侧具备散热器31，因此从半导体元件3产生的热量传递至功率模块用基板10，能够通过散热器31有效地发散热量。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于此，在不脱离该发明的技术思想的范围内，能够进行适当变更。
另外，上述实施方式中，对通过固相扩散接合同时接合铜层与散热器的情况进行了说明，但也可以设为在通过固相扩散接合形成铜层之后固相扩散接合散热器的结构。
并且，对在陶瓷基板的第一面形成铝层之后在铝层的一侧固相扩散接合铜板来形成铜层的情况进行了说明，但是也可以设为在固相扩散接合铝板与铜板之后接合于陶瓷基板的第一面的结构。
并且，上述实施方式中，将形成于陶瓷基板的第一面及的第二面的铝层及金属层作为纯度99.99％的纯铝轧制板进行了说明，但是并不限定于此，也可以是纯度99％的铝(2N铝)或铝合金等。
并且，上述实施方式中，对由无氧铜的铜板构成铜层的情况进行了说明，但是并不限定于此，铜层也可以由其他纯铜或铜合金等的铜板构成。
而且，将使用由AlN构成的陶瓷基板作为绝缘层的情况进行了说明，但是并不限定于此，可以使用由Si3N4或Al2O3等构成的陶瓷基板作为绝缘层，也可通过绝缘树脂构成绝缘层。
并且，上述实施方式中，对功率模块用基板具备金属层的情况进行了说明，但是也可以不具备金属层。
并且，上述实施方式中，对功率模块具备散热器的情况进行了说明，但是也可以不具备散热器。
并且，上述实施方式中，对使铜板存在于功率模块用基板的金属层与散热器之间并通过固相扩散接合而接合的情况进行了说明，但是也可以通过焊锡或紧固等来接合金属层与散热器。
实施例
(实施例1)
以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验(实施例1)的结果进行说明。
按照图4的流程图中记载的顺序，以表1所示的条件进行固相扩散接合，制作发明例1-1～1-10的自带散热器的功率模块。
另外，作为陶瓷基板，使用由AlN构成、40mm×40mm且厚度为0.635mm的基板。
并且，作为电路层的铝层，使用由4N铝轧制板构成、37mm×37mm且厚度为0.1mm的层。
作为电路层的铜层，使用由无氧铜的轧制板构成、37mm×37mm且厚度为0.3mm的层。
作为金属层，使用由4N铝的轧制板构成、37mm×37mm且厚度为1.6mm的层。
作为接合层，使用由无氧铜的轧制板构成、37mm×37mm且厚度为0.05mm的层，作为散热器，使用由A6063合金的轧制板构成、50mm×50mm且厚度为5mm的散热器。
并且，关于固相扩散接合，在真空加热炉内的压力为10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内进行。
半导体元件设定为IGBT元件而使用12.5mm×9.5mm且厚度为0.25mm的元件。
(热循环试验)
关于热循环试验，使用冷热冲击试验机ESPEC公司制TSB-51，对试验片(自带散热器的功率模块)，在液相(电子氟化液)中，反复进行在-40℃下5分钟及在125℃下5分钟的循环，并实施3000次循环。
(动力循环试验)
关于动力循环试验，使用Sn-Ag-Cu焊锡将IGBT元件焊接于铜层，并且接合由铝合金构成的连接配线作为自带散热器的功率模块，并利用此进行试验。实施的是如下的动力循环试验：在将散热器中的冷却水温度、流量设为恒定的状态下，将向IGBT元件的通电调整为每10秒钟反复进行在通电(ON)下元件表面温度为140℃且在非通电(OFF)下元件表面温度为80℃的一次循环，并将该循环反复10万次。
对该热循环试验前后及动力循环试验前后的、铝层与铜层的界面中的接合率及自带散热器的功率模块的热阻进行测定。
(铝层与铜层的界面的接合率评价)
对动力循环试验前后的自带散热器的功率模块，使用超声波探伤装置对铝层与铜层的界面的接合率进行评价，并通过以下公式计算。其中，初始接合面积是指接合前应接合的面积，即本实施例中为铝层与铜层的面积。在超声波探伤图像中，以接合部内的白色部表示剥离，因此将该白色部的面积作为剥离面积。
(接合率)＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)
(热阻评价)
如下测定热阻。以100W的功率对加热片(半导体元件)进行加热，使用热电偶实际测量加热片的温度。并且，实际测量在散热器中流通的冷却介质(乙二醇:水＝9:1)的温度。并且，将加热片的温度与冷却介质的温度差除以功率的值作为热阻。
将上述评价结果示于表1。
[表1]
发明例1-1～1-10中，动力循环试验后及热循环试验后的接合率均较高，可以确认是具有对于动力循环负载及热循环负载较高的接合可靠性的自带散热器的功率模块。
并且，发明例1-1～1-6中，动力循环试验后及热循环试验后的接合率均更高，可以确认是对于动力循环负载及热循环负载具有更高的接合可靠性的自带散热器的功率模块。
(实施例2)
以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验(实施例2)的结果进行说明。
按照图4的流程图中记载的顺序，以荷载：9kgf/cm2、温度：540℃、保持时间：180分钟的条件进行固相扩散接合，制作发明例2-1～2-8的自带散热器的功率模块。
另外，作为陶瓷基板，使用由AlN构成、40mm×40mm且厚度为0.635mm的基板。
作为电路层的铝层，使用由4N铝的轧制板构成且37mm×37mm的层，其中，在发明例2-1～2-7中使用厚度为0.6mm的层，在发明例2-8中使用厚度为0.1mm的层。
作为电路层的铜层，使用由无氧铜的轧制板构成且37mm×37mm的层，钢板的厚度设定为表2所示的厚度。
作为金属层，使用由4N铝的轧制板构成、37mm×37mm且厚度为1.6mm的层。
作为接合层，使用由无氧铜的轧制板构成、37mm×37mm且厚度为0.05mm的层，作为散热器，使用由A6063合金的轧制板构成、50mm×50mm且厚度为5mm的散热器。
并且，关于固相扩散接合，在真空加热炉内的压力为10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内进行。
半导体元件设定为IGBT元件而使用12.5mm×9.5mm且厚度为0.25mm的元件。
并且，作为现有例1，制作以下自带散热器的功率模块。
首先，通过Ag-27.4质量％Cu-2.0质量％Ti的钎料箔层叠成为电路层的由无氧铜构成的铜板(37mm×37mm、厚度为0.3mm)与由AlN构成的陶瓷基板及成为金属层的由无氧铜构成的铜板(37mm×37mm、厚度为0.3mm)，在向层叠方向以0.5kgf/cm2加压的状态下，将其装入设为10-3Pa的真空气氛的真空加热炉内，以850℃加热10分钟，由此进行接合而制作功率模块用基板。接着，接合所述功率模块用基板与IGBT元件(12.5mm×9.5mm、厚度为0.25mm)及散热器，制作出自带散热器的功率模块。
而且，将通过以下方法制作的自带散热器的功率模块作为现有例2。
首先，通过Al-10质量％Si的钎料箔层叠成为电路层的铝板(37mm×37mm、厚度为0.4mm)与由AlN构成的陶瓷基板及成为金属层的铝板(37mm×37mm、厚度为0.4mm)，在向层叠方向以5kgf/cm2加压的状态下，将其装入真空加热炉内，以650℃加热30分钟，由此进行接合而制作功率模块用基板。接着，接合所述功率模块用基板与IGBT元件(12.5mm×9.5mm、厚度为0.25mm)及散热器，制作出自带散热器的功率模块。
(热循环试验)
与实施例1同样地对自带散热器的功率模块进行热循环试验。
该热循环试验之后，测定陶瓷基板与电路层的界面中的接合率。
(陶瓷基板与电路层的界面的接合率评价)
对热循环试验后的自带散热器的功率模块，使用超声波探伤装置对陶瓷基板与电路层的界面的接合率进行评价，并通过以下公式计算。其中，初始接合面积是指接合前应接合的面积，即本实施例中为电路层的面积。在超声波探伤图像中，以接合部内的白色部表示剥离，因此将该白色部的面积作为剥离面积。另外，在热循环试验中在陶瓷基板产生龟裂时，在超声波探伤图像中示为白色部，接合率变小。因此，结合界面中的剥离面积及陶瓷基板的龟裂面积来评价接合率。
(接合率)＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)
(动力循环试验)
与实施例1同样地对自带散热器的功率模块进行动力循环试验。
测定该动力循环试验中的初始热阻及动力循环试验后的热阻。对热阻的测定，以与实施例1同样的方法进行。
将上述评价结果示于表2。
[表2]
现有例1中，动力循环试验的初始热阻及动力循环试验后的热阻的上升较小，但是热循环试验中在陶瓷基板上产生龟裂，陶瓷基板与电路层的界面的接合率下降。
并且，现有例2中，热循环试验后的陶瓷基板与电路层之间的接合率较高，但是动力循环试验中初始热阻较大，试验后的热阻的上升也较大。
另一方面，发明例2-1～2-8中，动力循环试验中初始热阻较小，试验后的热阻的上升也较小而良好。而且，热循环试验后，陶瓷基板与铝层(电路层)的界面的接合率较大而良好。由此可以确认，发明例2-1～2-8为对于动力循环及热循环的负载具有较高的可靠性的自带散热器的功率模块。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种在负载动力循环时抑制热阻的上升，并且在负载热循环时抑制在陶瓷基板产生龟裂的现象，并且对于动力循环及热循环的负载具有较高的可靠性的功率模块用基板、附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。
符号的说明：
1-功率模块，3-半导体元件，10-功率模块用基板，11-陶瓷基板(绝缘层)，12-电路层，12A-铝层，12B-铜层，12C-扩散层，13-金属层，30-自带散热器的功率模块用基板，31-散热器。

Claims (7)

1.一种功率模块用基板，其具备陶瓷基板及形成于该陶瓷基板的一面的电路层，其中，所述电路层具有：
铝层，纯度99.99％以上的铝配设于所述陶瓷基板的一面；及
铜层，通过固相扩散接合而层叠于配设在所述陶瓷基板的一面的铝层的一侧，
所述铝层与所述铜层的接合界面形成有Cu和Al构成的扩散层，
所述扩散层设为多个金属互化物沿着所述接合界面层叠的结构，
所述扩散层从所述铝层朝向所述铜层依次层叠θ相、η2相、ζ2相的三种金属互化物。
2.根据权利要求1所述的功率模块用基板，其中，
在所述铜层与所述扩散层的接合界面，氧化物沿着所述接合界面以层状分散。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块用基板，其中，
所述铜层的厚度设为0.1mm以上6.0mm以下。
4.一种自带散热器的功率模块用基板，其具备：
权利要求1～3中任一项所述的所述功率模块用基板；及接合于该功率模块用基板的另一侧的散热器。
5.一种功率模块，其具备：
权利要求1～3中任一项所述的功率模块用基板；及接合于所述电路层的一侧的半导体元件。
6.一种功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板具备陶瓷基板及形成于该陶瓷基板的一面的电路层，其中，
该制造方法具备在所述陶瓷基板的一面形成电路层的电路层形成工序，
所述电路层形成工序具有：
铝层配设工序，在所述陶瓷基板的一面配设由纯度99.99％以上的铝构成的铝层；及
铜层层叠工序，在该铝层配设工序之后，在所述铝层的一侧层叠铜层，
在所述铜层层叠工序中固相扩散接合所述铝层与所述铜层，在所述铝层与所述铜层的接合界面形成Cu和Al构成的扩散层，
所述扩散层设为多个金属互化物沿着所述接合界面层叠的结构，
所述扩散层从所述铝层朝向所述铜层依次层叠θ相、η2相、ζ2相的三种金属互化物。
7.根据权利要求6所述的功率模块用基板的制造方法，其中，
在所述铜层层叠工序中，
在所述铝层的一侧层叠铜板，
对所述铝层与所述铜板，负载3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的荷载的状态下，保持在400℃以上且小于548℃的温度，由此固相扩散接合所述铝层与所述铜板。
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