CN104718616A - 自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块及自带散热器的功率模块用基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

在本发明所涉及的自带散热器的功率模块用基板(1)中，金属层(13)及散热器(31)中的一个由铝或铝合金构成，且另一个由铜或铜合金构成，所述金属层(13)和所述散热器(31)固相扩散接合，在所述金属层(13)与所述散热器(31)的接合界面形成有由Cu和Al构成的金属间化合物层，在由铜或铜合金构成的所述金属层(13)或所述散热器(31)与所述金属间化合物层的界面，氧化物沿着所述界面以层状分散。

Description

自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块及自带散热器的功率模块用基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种具备在绝缘层(陶瓷基板)的一面配设有电路层并且在另一面配设有金属层的功率模块用基板及接合于该功率模块用基板的散热器的自带散热器的功率模块用基板、在该自带散热器的功率模块用基板上搭载有半导体元件的自带散热器的功率模块、及自带散热器的功率模块用基板的制造方法。
本申请基于2012年10月16日在日本申请的专利申请2012-228870号主张优选权，并将其内容援用于此。
背景技术
在各种半导体元件中，为了控制电动车和电动车辆等而使用的大功率控制用的功率元件由于发热量较多，因此作为搭载该功率元件的基板，一直以来广泛使用在例如由AlN(氮化铝)等构成的陶瓷基板(绝缘层)的一面及另一面接合导电性优异的金属板作为电路层及金属层的功率模块用基板。
并且，这种功率模块用基板在其电路层上经由焊锡材料搭载作为功率元件的半导体元件(电子部件)，从而成为功率模块。并且，成为在金属层的下方接合散热器并使其进行散热的结构。
以往，作为接合功率模块用基板和散热器的方法，例如在专利文献1中记载有使润滑脂夹在功率模块用基板的金属层与散热器之间并通过紧固进行接合的方法。并且，在专利文献2中记载有经由焊锡来接合功率模块用基板的金属层和散热器的方法。
专利文献1：日本专利公开2004-288828号公报
专利文献2：日本专利公开2009-224571号公报
然而，如专利文献1及专利文献2所示，当经由润滑脂或焊锡来接合金属层和散热器时，与金属层和散热器相比，润滑脂和焊锡的热阻较大，因此在金属层与散热器的接合部中，从电子部件(半导体元件)产生的热量的发散不充分而温度上升，有可能导致电子部件的性能下降。尤其在使用润滑脂的情况下，在负荷热循环及功率循环时，有时润滑脂劣化或者在润滑脂的内部形成空隙，从而产生在接合部中热阻进一步增大的问题。因此，在使用电子部件时，要求使金属层与散热器的接合部的热阻下降而使来自电子部件的热量充分发散。
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相互接合的金属层及散热器中的一个由铝或铝合金构成且另一个由铜或铜合金构成时，能够减小金属层与散热器的接合部的热阻来抑制电子部件的温度上升的自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块、及自带散热器的功率模块用基板的制造方法。
(1)本发明的一方式的自带散热器的功率模块用基板具备：功率模块用基板，在绝缘层的一面配设有电路层，且在所述绝缘层的另一面配设有金属层；及散热器，接合于所述功率模块用基板的所述金属层，其中，所述金属层及所述散热器中的一个由铝或铝合金构成，且另一个由铜或铜合金构成，所述金属层和所述散热器被固相扩散接合，在所述金属层与所述散热器的接合界面形成有由Cu和Al构成的金属间化合物层，在由铜或铜合金构成的所述金属层或所述散热器与所述金属间化合物层的界面，氧化物沿着所述界面以层状分散。
根据上述自带散热器的功率模块用基板，金属层及散热器中的一个由铝或铝合金构成且另一个由铜或铜合金构成，这些金属层和散热器通过固相扩散接合来接合，因此与经由润滑脂或焊锡来接合的情况相比，能够减小金属层与散热器的接合部的热阻。
并且，金属层和散热器通过固相扩散接合来牢固接合，在热循环负荷时，可以抑制在金属层与散热器的界面产生剥离，从而能够提高金属层与散热器的接合部的接合可靠性。
另外，由于金属层和散热器固相扩散接合，因此在金属层与散热器的接合部难以形成间隙，使接合部的导热性变得良好，从而能够减小热阻。
并且，当以低于所述铝或铝合金和所述铜或铜合金的共晶温度的温度保持并固相扩散接合时，在金属层与散热器之间不会形成液相。因此，在金属层与散热器之间无法大量生成铝与铜的化合物，从而能够提高金属层与散热器的接合部的接合可靠性。
并且，在绝缘层的另一面配设有由变形阻力较小的铝或铝合金构成的金属层的情况下，在热循环负荷时，金属层会吸收因绝缘层与散热器的热膨胀系数之差而产生的热应力，因此能够抑制绝缘层产生破裂。
并且，在绝缘层的另一面配设有由导热性优异的铜或铜合金构成的金属层的情况下，能够将来自半导体元件的热量有效地传递至散热器侧。
并且，由于散热器由导热性优异的铜或铜合金、或者铝或铝合金构成，因此能够提高自带散热器的功率模块用基板的散热性。
并且，由于在金属层与散热器的接合界面形成有由Cu和Al构成的金属间化合物层，因此金属层或散热器中的Al(铝原子)和散热器或金属层中的Cu(铜原子)充分相互扩散，从而金属层和散热器会牢固接合。
并且，由于在由铜或铜合金构成的金属层或散热器与金属间化合物层的接合界面，氧化物沿着界面以层状分散，因此形成于由铝或铝合金构成的金属层或散热器的表面上的氧化膜被破坏而充分进行固相扩散接合。
另外，优选金属间化合物层成为多个金属间化合物沿着金属层与散热器的接合界面而层压的结构。此时，能够抑制较脆的金属间化合物层大幅生长。并且，金属层或散热器中的Al和散热器或金属层中的Cu相互扩散，由此适于各自的组成的金属间化合物从金属层侧朝向散热器侧以层状形成，因此能够使接合界面附近的特性变得稳定。
具体而言，在金属间化合物层中层压有θ相、η2相、ζ2相这三种金属间化合物，因此金属间化合物层内部的体积变动变小，从而可以抑制内部应变。
在此，优选由铜或铜合金构成的金属层或散热器的平均晶体粒径设在50μm以上200μm以下的范围内，由铝或铝合金构成的金属层或散热器的平均晶体粒径设为500μm以上。此时，由于金属层、散热器的平均晶体粒径设定为比较大，因此金属层、散热器中不会积蓄超出所需程度的应变，疲劳特性变得良好。因此，在热循环负荷时，针对在功率模块用基板与散热器之间产生的热应力的接合可靠性得到提高。
(2)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块具备：(1)所述的自带散热器的功率模块用基板；及接合于所述电路层的一侧的半导体元件。
根据上述自带散热器的功率模块，如上所述，金属层与散热器的接合部中的热阻设为较小，因此能够将来自半导体元件的热量有效地传递至散热器侧。并且，由于散热器由导热性优异的铜或铜合金、或者铝或铝合金构成，因此能够提高自带散热器的功率模块用基板的散热性。并且，能够抑制半导体元件的温度上升，使半导体元件在规定的温度下工作，从而能够提高工作的稳定性。
并且，当在绝缘层的另一面配设有由变形阻力较小的铝或铝合金构成的金属层时，能够抑制绝缘层的破裂来提高自带散热器的功率模块的可靠性。
并且，当金属层由导热性优异的铜或铜合金构成时，能够将从半导体元件产生的热量更有效地传递至散热器侧。并且，能够抑制半导体元件的温度上升来使半导体元件在规定的温度下工作，从而能够提高工作的稳定性。
(3)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，所述带散热器的功率模块用基板具备：功率模块用基板，在绝缘层的一面配设有电路层，且在所述绝缘层的另一面配设有金属层；及散热器，接合于所述功率模块用基板的所述金属层，其中，由铝或铝合金构成所述金属层及所述散热器中的一个，另一个由铜或铜合金构成，使所述金属层和所述散热器固相扩散接合，由此，在所述金属层与所述散热器的接合界面形成由Cu和Al构成的金属间化合物层，并且在由所述铜或铜合金构成的所述金属层或所述散热器与所述金属间化合物层的界面，使氧化物沿着所述界面以层状分散。
根据上述自带散热器的功率模块用基板的制造方法，成为金属层及散热器中的一个由铝或铝合金构成且另一个由铜或铜合金构成，并且将所述金属层和所述散热器通过固相扩散接合来接合的结构，因此与经由润滑脂或焊锡来接合的情况相比，能够得到一种金属层与散热器的接合部中的热阻较小的自带散热器的功率模块用基板。
并且，如上所述，由于在金属层与散热器的接合界面形成有由Cu和Al构成的金属间化合物层，并且氧化物在金属层或散热器与金属间化合物层的界面以层状分散，因此能够得到一种金属层和散热器牢固接合的自带散热器的功率模块用基板。
根据本发明，能够提供一种在相互接合的金属层及散热器中的一个由铝或铝合金构成且另一个由铜或铜合金构成时，能够减小金属层与散热器的接合部中的热阻来抑制电子部件的温度上升的自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块、及自带散热器的功率模块用基板的制造方法。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式所涉及的自带散热器的功率模块、自带散热器的功率模块用基板、功率模块用基板的示意图。
图2是图1的金属层与散热器的接合部的放大图。
图3是说明本发明的第1实施方式所涉及的自带散热器的功率模块的制造方法的流程图。
图4是本发明的第1实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法的示意图。
图5是本发明的第2实施方式所涉及的自带散热器的功率模块、自带散热器的功率模块用基板、功率模块用基板的示意图。
图6是图5的金属层与散热器的接合部的放大图。
图7是本发明的另一实施方式所涉及的自带散热器的功率模块用基板的示意图。
图8是本发明的另一实施方式所涉及的自带散热器的功率模块用基板的示意图。
图9是本发明的另一实施方式所涉及的自带散热器的功率模块用基板中的金属层与散热器的接合界面的示意图。
图10是图9的散热器与金属间化合物层的界面的放大说明图。
图11是本发明的另一实施方式所涉及的自带散热器的功率模块用基板中的金属层与散热器的接合界面的示意图。
图12是图11的金属层与金属间化合物层的界面的放大说明图。
图13是Cu和Al的二元状态图。
具体实施方式
(第1实施方式)
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
在图1中示出本发明的第1实施方式的自带散热器的功率模块1、自带散热器的功率模块用基板30及功率模块用基板10。
该自带散热器的功率模块1具备自带散热器的功率模块用基板30、及经由焊锡层2接合于该自带散热器的功率模块用基板30的一侧(图1中的上侧)的半导体元件3。
焊锡层2例如设为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系或者Sn-Ag-Cu系的焊锡材料(所谓的无铅焊锡材料)，其接合自带散热器的功率模块用基板30和半导体元件3。
半导体元件3为具备半导体的电子部件，可以根据所需的功能选择各种半导体元件。在本实施方式中设为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中的下侧)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)、形成于该陶瓷基板11的一面(为第一面，图1中的上表面)的电路层12、及形成于陶瓷基板11的另一面(为第二面，图1中的下表面)的金属层13。
陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，且由绝缘性较高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板11的厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中，设定为0.635mm。
电路层12通过在陶瓷基板11的第一面(图1中的上表面)接合金属板而形成。在本实施方式中，电路层12通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板构成的铝板22接合于陶瓷基板11而形成。
金属层13通过在陶瓷基板11的第二面(图1中的下表面)接合金属板而形成。在本实施方式中，金属层13通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板构成的铝板23接合于陶瓷基板11而形成。在第1实施方式中，金属层13的平均晶体粒径设为500μm以上。
散热器31用于发散功率模块用基板10侧的热量。散热器31由导热性良好的铜或铜合金构成，在本实施方式中，由无氧铜构成。另外，在第1实施方式中，散热器31的平均晶体粒径设在50μm以上200μm以下的范围内。
在该散热器31的内部设有用于使冷却用流体流过的通道32。
并且，在本实施方式中，功率模块用基板10的金属层13和散热器31通过固相扩散接合来接合。
如图2所示，在金属层13与散热器31的接合界面形成有金属间化合物层41。
金属间化合物层41通过金属层13的Al(铝原子)和散热器31的Cu(铜原子)相互扩散而形成。在该金属间化合物层41中具有随着从金属层13朝向散热器31，Al的浓度逐渐降低且Cu的浓度逐渐增高的浓度梯度。
该金属间化合物层41由以Al和Cu构成的金属间化合物构成，在本实施方式中，成为多个金属间化合物沿着接合界面而层压的结构。在此，该金属间化合物层41的厚度t设定在1μm以上80μm以下的范围内，优选设定在5μm以上80μm以下的范围内。
如图2所示，在第1实施方式中，成为三种金属间化合物层压的结构，从金属层13侧朝向散热器31侧依次为θ相43、η2相44及ζ2相45(图13)。
并且，在金属间化合物层41与散热器31的接合界面，氧化物46沿着接合界面以层状分散。另外，在第1实施方式中，该氧化物46设为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。另外，氧化物46以截断的状态分散于金属间化合物层41与散热器31的界面，还存在金属间化合物层41和散热器31直接接触的区域。
接着，利用图3及图4对本实施方式的自带散热器的功率模块1、自带散热器的功率模块用基板30及功率模块用基板10的制造方法进行说明。
首先，如图4所示，经由钎料将铝板22、23层压于陶瓷基板11的第一面及第二面。并且，通过加压、加热后冷却来接合陶瓷基板11和铝板22、23，从而形成电路层12及金属层13(电路层及金属层接合工程S11)。另外，该钎焊的温度设定为640℃～650℃。
如此，得到在陶瓷基板11的第一面形成有电路层12且在第二面形成有金属层13的功率模块用基板10。
接着，如图4所示，在金属层13的另一侧层压散热器31。在此，金属层13的一侧为与陶瓷基板11的第二面接合的金属层13的面。并且，金属层13的另一侧为金属层13的、与和陶瓷基板11的第二面接合的面相反的一面。并且，以沿层压方向对金属层13和散热器31负荷载荷的状态，将金属层13及散热器31的加热温度保持为低于铝与铜的共晶温度的温度，从而使金属层13和散热器31固相扩散接合(散热器接合工程S12)。具体而言，首先，从功率模块用基板10的一侧、及散热器31的另一侧、即图4中的散热器31的下表面负荷载荷，并配置于真空加热炉中。在本实施方式中，负荷于金属层13与散热器31的接触面的载荷设为3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下。并且，将真空加热的加热温度设为低于铝与铜的共晶温度的温度来进行固相扩散接合，从而接合金属层13和散热器31。该真空加热的优选条件设为以400℃以上548℃以下保持15分钟以上270分钟以下。
在本实施方式中，在金属层13与散热器31接合之面，预先去除该面的伤痕而使其变得平滑，之后进行固相扩散接合。
另外，真空加热的更优选的加热温度设在铝与铜的共晶温度-5℃以上且低于共晶温度的范围。
通过如上设定，可以得到一种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。
并且，经由焊锡材料将半导体元件3载置于电路层12的一侧(表面)，并在还原炉内进行焊锡接合(半导体元件接合工程S13)。
如此，制造出本实施方式的自带散热器的功率模块1。
根据如上构成的本实施方式的自带散热器的功率模块用基板30，成为由铝构成的金属层13和由铜构成的散热器31通过固相扩散接合来接合的结构，因此与经由导热性差的润滑脂或焊锡来接合的情况相比，能够提高金属层13与散热器31的接合部中的导热性来减小热阻。
另外，金属层13和散热器31通过固相扩散接合来接合，且在金属层13与散热器31的接合界面形成有由Cu和Al构成的金属间化合物层41，因此金属层13中的Al(铝原子)和散热器31中的Cu(铜原子)充分相互扩散，从而金属层13和散热器31会牢固接合。
并且，金属间化合物层41成为多个金属间化合物沿着所述接合界面而层压的结构，因此能够抑制较脆的金属间化合物层大幅生长。并且，金属层13中的Al和散热器31中的Cu相互扩散，由此适于各自的组成的金属间化合物从金属层13侧朝向散热器31侧以层状形成，因此能够使接合界面附近的特性变得稳定。
具体而言，金属间化合物层41中从金属层13朝向散热器31侧依次层压有θ相43、η2相44及ζ2相45这三种金属间化合物，因此金属间化合物层41的内部的体积变动变小，从而可以抑制内部应变。
即，未固相扩散时，例如形成有液相时，过度生成金属间化合物，金属间化合物层的体积变动变大，在金属间化合物层中产生内部应变。但是，固相扩散时，较脆的金属间化合物层不会较大生长，金属间化合物以层状形成，因此可以抑制其内部应变。
并且，在这些金属间化合物层41与散热器31的接合界面上，氧化物46沿着接合界面以层状分散，因此形成于金属层13表面上的氧化膜被可靠地破坏，充分进行Cu和Al的相互扩散，从而金属层13和散热器31会可靠地接合。
另外，金属间化合物层41的平均厚度设在1μm以上80μm以下的范围内，优选设在5μm以上80μm以下的范围内，因此金属层13中的Al和散热器31中的Cu充分相互扩散，金属层13和散热器31能够牢固接合，并且可以抑制相比金属层13、散热器31较脆的金属间化合物层41过度生长，从而接合界面的特性变得稳定。
另外，在本实施方式中，散热器31的平均晶体粒径设在50μm以上200μm以下的范围内，且金属层13的平均晶体粒径设在500μm以上，金属层13、散热器31的平均晶体粒径设定为比较大。由此，在金属层13、散热器31中不会积蓄超出所需程度的应变，疲劳特性变得良好。因此，在热循环负荷时，针对在功率模块用基板10与散热器31之间产生的热应力的接合可靠性得到提高。
并且，设为以沿层压方向对功率模块用基板10的金属层13和散热器31负荷载荷的状态固相扩散接合的结构，因此在金属层13与散热器31的接合部难以形成间隙，从而能够使接合部的导热性变得良好。
另外，通过将金属层13及散热器31的加热温度保持为低于铝与铜的共晶温度的温度来固相扩散接合，因此在金属层13与散热器31之间不会形成液相。因此，在金属层13与散热器31之间不会大量生成铝与铜的化合物，从而能够提高金属层13与散热器31的接合部的接合可靠性。
并且，在陶瓷基板11的第一面及第二面上配设有由变形阻力较小的铝构成的电路层12及金属层13，在热循环负荷时，电路层12及金属层13会吸收在陶瓷基板11中生产的的热应力，因此能够抑制陶瓷基板11发生破裂。
并且，散热器31由导热性优异的铜构成，因此能够提高自带散热器的功率模块用基板30的散热性。
在使用如上述的自带散热器的功率模块用基板30的自带散热器的功率模块1中，由于金属层13与散热器31的接合部中的热阻变小，因此能够有效地发散从半导体元件3产生的热量。另外，金属层13与散热器31的接合强度较高，因此在热循环负荷时，不易产生接合界面的剥离，从而能够抑制自带散热器的功率模块1的热阻上升。并且，散热器31由导热性优异的铜构成，因此能够进一步有效地发散来自半导体元件3的热量。
根据本发明的自带散热器的功率模块1，能够如此有效地发散来自半导体元件3的热量来抑制半导体元件3的温度上升，因此能够使半导体元件3在规定的温度下工作来提高工作的稳定性。
并且，电路层12及金属层13由变形阻力较小的铝构成，因此会抑制陶瓷基板11发生破裂，从而能够提高自带散热器的功率模块1的可靠性。
并且，固相扩散接合构成为，在陶瓷基板11的第一面及第二面形成电路层12及金属层13，且在金属层13的另一侧，即与和陶瓷基板11的第二面接合的面相反的一面配置散热器31之后，以对金属层13及散热器31负荷3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的载荷的状态，以400℃以上548℃以下保持15分钟以上270分钟以下。如此一来，以金属层13和散热器31充分贴紧的状态使散热器31的铜原子固相扩散至金属层13中，并使金属层13的铝原子固相扩散至散热器31中来接合金属层13和散热器31，由此能够在金属层13的另一侧可靠地形成散热器31。
另外，通过如此进行固相扩散接合，能够抑制在金属层13与散热器31之间形成间隙来接合金属层13和散热器31，因此能够使金属层13与散热器31的接合界面上的导热性变得良好来减小热阻，从而能够将从半导体元件3产生的热量有效地发散至散热器31侧。
当固相扩散接合时，若对金属层13及散热器31负荷的载荷小于3kgf/cm2，则难以使金属层13和散热器31充分接合，在金属层13与散热器31之间可能会形成间隙。并且，若超过35kgf/cm2，则负荷的载荷过高而陶瓷基板11可能发生破裂。基于这种原因，固相扩散接合时负荷的载荷设定在上述范围。
当固相扩散接合时的温度低于400℃时，铝原子和铜原子不会充分扩散，难以通过固相扩散进行接合。并且，当超过548℃时，在金属层13与散热器31之间会形成液相而大量生成铝与铜的化合物，因此会阻碍金属层13与散热器31的接合，导致接合可靠性下降。基于这种原因，固相扩散接合时的温度设定在上述范围。
并且，固相扩散接合时的真空加热的优选温度设在铝与铜的共晶温度至共晶温度-5℃以上且低于共晶温度的范围内。当选择这种真空加热的温度时，在金属层13与散热器31之间不会形成液相，因此不会大量生成铝与铜的化合物，不仅固相扩散接合的接合可靠性变得良好，而且固相扩散接合时的扩散速度也变快，能够在比较短的时间内进行固相扩散接合，因此如上述进行设定。
当固相扩散接合时的加热的保持时间小于15分钟时，保持时间过短，因此固相扩散难以充分产生，接合可能会变得不充分，当超过270分钟时，制造成本增加，因此设定在上述范围。
并且，当固相扩散接合时，若接合的面存在伤痕，则在固相扩散接合时会形成间隙，但金属层13与散热器31接合之面预先被去除该面的伤痕而变得平滑，之后进行固相扩散接合，因此能够抑制各自的接合界面形成间隙来进行接合。
(第2实施方式)
接着，对本发明的第2实施方式进行说明。
在图5中示出本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块101、自带散热器的功率模块用基板130及功率模块用基板110。另外，关于与第1实施方式相同的结构，标注相同符号并省略详细说明。
自带散热器的功率模块101具备自带散热器的功率模块用基板130、及经由焊锡层2接合于该自带散热器的功率模块用基板130的一侧(图5中的上侧)的半导体元件3。
自带散热器的功率模块用基板130具备功率模块用基板110、及接合于功率模块用基板110的另一侧(图5中的下侧)的散热器131。
并且，如图5所示，功率模块用基板110具备陶瓷基板11(绝缘层)、形成于该陶瓷基板11的一面(为第一面，图5中的上表面)的电路层12、及形成于陶瓷基板11的另一面(为第二面，图5中的下表面)的金属层113。
金属层113通过在陶瓷基板11的第二面(图5中的下表面)接合金属板而形成。在第2实施方式中，金属层113由无氧铜构成。该金属层113的平均晶体粒径设在50μm以上200μm以下的范围内。
散热器131由铝合金(A6063)构成，且在内部形成有用于使冷却用流体流过的通道132。在第2实施方式中，散热器131的平均晶体粒径设为500μm以上。
并且，功率模块用基板110的金属层113和散热器131通过固相扩散接合来接合。
如图6所示，在金属层113与散热器131的接合界面形成有金属间化合物层141。
金属间化合物层141通过金属层113的Cu(铜原子)和散热器131的Al(铝原子)相互扩散而形成。在该金属间化合物层141中具有随着从散热器131朝向金属层113，Al的浓度逐渐降低且Cu的浓度逐渐增高的浓度梯度。
该金属间化合物层141由以Al和Cu构成的金属间化合物构成，在第2实施方式中，成为多个金属间化合物沿着接合界面而层压的结构。在此，该金属间化合物层141的厚度t设定在1μm以上80μm以下的范围内，优选设定在5μm以上80μm以下的范围内。
如图6所示，在第2实施方式中，成为三种金属间化合物层压的结构，从散热器131侧朝向金属层113侧依次为θ相43、η2相44及ζ2相45。
并且，在金属间化合物层141与金属层113的接合界面，氧化物46沿着接合界面以层状分散。另外，在第2实施方式中，该氧化物46设为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。另外，氧化物46以截断的状态分散于金属间化合物层141与金属层113的界面，还存在金属间化合物层141和金属层113直接接触的区域。
接着，对本实施方式的自带散热器的功率模块101、自带散热器的功率模块用基板130及功率模块用基板110的制造方法进行说明。
首先，在陶瓷基板11的一面(第二面)接合成为金属层113的铜板，且在陶瓷基板11的另一面(第一面)接合成为电路层12的Al板。在本实施方式中，将无氧铜用作铜板，并将4N铝用作Al板，通过活性金属钎焊法进行陶瓷基板与铜板的接合，并通过使用Al-Si系钎料的接合来进行陶瓷基板与Al板的接合。
接着，在金属层113的另一侧，即金属层113的与和陶瓷基板11的第二面接合的面相反的一面层压散热器131。并且，以沿层压方向对金属层113和散热器131负荷载荷的状态，将金属层113及散热器131的加热温度保持为低于铝与铜的共晶温度的温度，由此将金属层113和散热器131固相扩散接合。固相扩散接合的条件与第1实施方式相同。
通过如上设定，可以得到第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板130及功率模块用基板110。
并且，经由焊锡材料将半导体元件3载置于电路层12的一侧(表面)，并在还原炉内进行焊锡接合。
如此，制造出本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块101。
根据如上构成的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板130，成为由铜构成的金属层113和由铝合金(A6063)构成的散热器131通过固相扩散接合来接合的结构，因此与经由导热性差的润滑脂或焊锡来接合的情况相比，能够提高金属层113与散热器131的接合部中的导热性来减小热阻。
另外，金属层113和散热器131通过固相扩散接合来接合，且在金属层113与散热器131的接合界面形成有由Cu和Al构成的金属间化合物层141，因此金属层113中的Cu(铜原子)和散热器131中的Al(铝原子)充分相互扩散，从而金属层113和散热器131会牢固接合。
并且，在这些金属间化合物层141与金属层113的接合界面上，氧化物46沿着接合界面以层状分散，因此形成于散热器131表面上的氧化膜被可靠地破坏而充分进行Cu与Al的相互扩散，从而金属层113和散热器131会可靠地接合。
另外，金属间化合物层141的平均厚度设在1μm以上80μm以下的范围内，优选设在5μm以上80μm以下的范围内，因此金属层113中的Cu和散热器131中的Al充分相互扩散，金属层113和散热器131能够牢固接合，并且可以抑制相比金属层113、散热器131较脆的金属间化合物层141过度生长，从而接合界面的特性变得稳定。
另外，在第2实施方式中，散热器131的平均晶体粒径设在500μm以上，且金属层113的平均晶体粒径设在50μm以上200μm以下的范围内，金属层113、散热器131的平均晶体粒径设定为比较大。由此，在金属层113、散热器131中不会积蓄超出所需程度的应变，疲劳特性变得良好。因此在热循环负荷时，针对在功率模块用基板110与散热器131之间产生的热应力的接合可靠性得到提高。
另外，在第2实施方式中，金属层113由无氧铜构成，因此能够使来自半导体元件3的热量扩散并有效地传递至散热器131侧来减小热阻。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定此，在不脱离本发明的技术思想的范围内可以适当地进行变更。
另外，在上述实施方式中，对电路层由纯度为99.99％的4N铝构成的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由纯度为99％的铝(2N铝)、铝合金、铜或铜合金构成。当由铜或铜合金形成电路层时，能够使来自半导体元件的热量通过电路层沿面方向扩散并有效地发散至功率模块用基板侧。
并且，在上述实施方式中，对金属层由纯度为99.99％的纯铝构成的情况进行了说明，但也可以由纯度为99％的铝(2N铝)或铝合金构成。并且，对散热器由铝合金(A6063)构成的情况进行了说明，但也可以由纯度为99.99％的纯铝或其他铝合金构成。
并且，对金属层或散热器由无氧铜构成的情况进行了说明，但也可以由韧铜或铜合金构成。并且，对在散热器的内部设有通道的情况进行了说明，但也可以不设置通道。并且，散热器也可以具备散热片。
例如，当由铝合金构成金属层且由铜合金构成散热器时，只要将固相扩散接合时的加热温度设为低于铝合金与铜合金的共晶温度的温度即可，设为低于与构成金属层的金属和构成散热器的金属相对应的共晶温度的温度即可。
并且，设为使用由AlN构成的陶瓷基板作为绝缘层的情况来进行了说明，但并不限定于此，也可以使用由Si3N4和Al2O3等构成的陶瓷基板，或者可以由绝缘树脂构成绝缘层。
并且，在上述实施方式的自带散热器的功率模块用基板中，对在陶瓷基板的第一面接合铝板来作为电路层的情况进行了说明，但例如，如图7的自带散热器的功率模块用基板230所示，也可以在陶瓷基板11的第一面接合铜板来作为电路层212，该铜板具有供半导体元件等接合的芯片焊盘232、及用作外部端子的引线部233。在此，作为陶瓷基板11和上述铜板的接合方法，例如可以举出基于活性金属钎焊法和DBC法等的接合方法。并且，在图7所示的自带散热器的功率模块用基板230中，芯片焊盘232和陶瓷基板11接合。
并且，如图8所示的自带散热器的功率模块用基板330所示，也可以成为电路层312具备铝层312A、及接合于该铝层312A的一侧的铜层312B且该铜层312B由具有芯片焊盘332和引线部333的铜板构成的结构。在该自带散热器的功率模块用基板330中，铝层312A和芯片焊盘332通过固相扩散接合来接合。在此，铝层312A的一侧为铝层312A的、与和陶瓷基板11的第一面接合的面相反的一面。
在此，铝层312A的厚度优选设为0.1mm以上1.0mm以下。并且，铜层312B的厚度优选设为0.1mm以上6.0mm以下。
并且，在第1实施方式中，对在金属层13与散热器31的接合界面形成有金属间化合物层41，且该金属间化合物层41从金属层13侧朝向散热器31侧依次层压θ相43、η2相44及ζ2相45而构成的情况进行了说明，但并不限定于此。
具体而言，可以在金属层13与散热器31的接合界面上，从金属层13侧朝向散热器31侧以铝的比率依次降低的方式层压多个由Cu及Al构成的金属间化合物。并且，如图9所示，也可以在金属层13与散热器31的接合界面，从金属层13侧朝向散热器31侧沿着前述接合界面依次层压θ相443、η2相444，进一步层压在ζ2相445、δ相447及γ2相448中的至少一个相而构成(图13)。
并且，在第1实施方式中，对在金属间化合物层41与散热器31的接合界面，氧化物46沿着接合界面以层状分散的情况进行了说明，但例如，如图10所示，也可以成为沿着金属间化合物层441与散热器31的界面，氧化物446以层状分散于由ζ2相445、δ相447及γ2相448中的至少一个相构成的层的内部的结构。另外，该氧化物446设为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。
并且，在第2实施方式中，对在金属层113与散热器131的接合界面形成有金属间化合物层141，且该金属间化合物层141从散热器131侧朝向金属层113侧依次层压θ相43、η2相44及ζ2相45而构成的情况进行了说明，并不限定于此。
具体而言，可以在金属层113与散热器131的接合界面上，从散热器131侧朝向金属层113侧以铝的比率依次降低的方式层压多个由Cu及Al构成的金属间化合物。并且，如图11所示，也可以在金属层113与散热器131的接合界面，从散热器131侧朝向金属层113侧沿着前述接合界面依次层压θ相543、η2相544，进一步层压在ζ2相545、δ相547及γ2相548中的至少一个相而构成。
并且，在第2实施方式中，对在金属间化合物层141与金属层113的接合界面，氧化物46沿着接合界面以层状分散的情况进行了说明，但例如，如图12所示，也可以成为沿着金属间化合物层541与金属层113的界面，氧化物546以层状分散于由ζ2相545、δ相547及γ2相548中的至少一个相构成的层的内部的结构。另外，该氧化物546设为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。
实施例
以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
按照图3的流程图所记载的顺序，在表1及表2所示的条件下，使用将金属层和散热器固相扩散接合而制作的自带散热器的功率模块用基板，制作本发明例1-1～1-7、本发明例2-1～2-7、比较例1及比较例2的自带散热器的功率模块。
另外，陶瓷基板使用由AlN构成且40mm×40mm、厚度0.635mm的陶瓷基板。
并且，电路层使用由4N铝的轧制板构成且37mm×37mm、厚度0.6mm的电路层。
就金属层而言，在本发明例1-1～1-7及比较例1中使用由4N铝轧制板构成且37mm×37mm、厚度1.6mm的金属层。
并且，在本发明例2-1～2-7及比较例2中使用由无氧铜轧制板构成且37mm×37mm、厚度0.3mm的金属层。
就散热器而言，在本发明例1-1～1-7及比较例1中使用由无氧铜构成且在散热器的内部具有冷却用通道的散热器。
并且，在本发明例2-1～2-7及比较例2中使用由铝合金(A6063)构成且在散热器的内部具有冷却用通道的散热器。
半导体元件设为IGBT元件，使用12.5mm×9.5mm、厚度0.25mm的元件。
针对如此制作的自带散热器的功率模块，实施以下评价。
(热循环试验)
通过针对自带散热器的功率模块，负荷-40℃至125℃的热循环来进行热循环试验。在本实施例中，实施3000次该热循环。
测定该热循环试验前后的金属层与散热器的界面上的接合率及自带散热器的功率模块的热阻。
(氧化物的评价方法)
针对使用Cross Section Polisher(JEOL Ltd.制造SM-09010)，以离子加速电压：5kV、加工时间：14小时、从屏蔽板突出的量：100μm来进行离子蚀刻的截面，使用扫描型电子显微镜(Carl Zeiss NTS公司制造ULTRA55)，以加速电压：1kV、WD：2.5mm进行In-Lens图像、组成图像的拍摄及EDS分析。
在本发明例1-1～1-7及2-1～2-7中，若拍摄In-Lens图像，则可以得到沿着Cu与金属间化合物层的界面以层状分散的白色对比度。并且，若在相同条件下拍摄组成图像，则所述部位会成为比Al暗的对比度。另外，根据EDS分析确认到，在所述部位富集有氧。根据以上内容确认到，在Cu与金属间化合物层的界面，氧化物沿着所述界面以层状分散。
并且，在比较例1及比较例2中，未确认到这种氧化物。表中，通过上述方法确认到氧化物的功率模块记为“有”，未确认到的功率模块记为“无”。
(金属层与散热器的接合界面的接合率评价)
针对热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金属层与散热器的接合界面的接合率进行评价，并根据以下的公式进行计算。在此，初始接合面积是指接合前的应接合的面积即金属层的面积。在超声波探伤图像中，用白色部表示剥离，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)×100
(热阻评价)
如下测定热阻。使用加热片作为半导体元件，以100W的功率进行加热，并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(聚乙二醇:水＝9:1)的温度。并且，将加热片的温度与冷却介质的温度之差除以功率的值作为热阻。
在表1中示出将金属层设为4N铝、将散热器设为无氧铜的本发明例1-1～1-7、及比较例1的评价结果。
在表2中示出将金属层设为无氧铜、将散热器设为铝合金(A6063)的本发明例2-1～2-7、及比较例2的评价结果。
如表1、表2所示，在不存在沿着Cu与金属间化合物层的界面以层状分散的氧化物的比较例1及比较例2中，热循环试验前的接合率较高，但热循环试验后的接合率下降，热阻上升。这推断是，由于将固相扩散接合时的温度设为铝与铜的共晶温度以上的温度。
另一方面，在本发明的本发明例1-1～1-7及2-1～2-7中，存在沿着Cu与金属间化合物层的界面以层状分散的氧化物，因此热循环试验前及试验后的接合率均较高，并且，热循环试验前后的热阻均较低。
由此，在本发明例1-1～1-7及2-1～2-7中，确认到功率模块用基板和散热器牢固接合。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种在相互接合的金属层及散热器中的一个由铝或铝合金构成且另一个由铜或铜合金构成时，能够减小金属层与散热器的接合部中的热阻来抑制电子部件的温度上升的自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块、及自带散热器的功率模块用基板的制造方法。
符号说明
1、101-自带散热器的功率模块，3-半导体元件，10、110-功率模块用基板，11-陶瓷基板，12、212、312-电路层，13、113-金属层，30、130、230、330-自带散热器的功率模块用基板，31、131-散热器，41、141、441、541-金属间化合物层。

Claims (3)

1.一种自带散热器的功率模块用基板，具备：
功率模块用基板，在绝缘层的一面配设有电路层，且在所述绝缘层的另一面配设有金属层；及
散热器，接合于所述功率模块用基板的所述金属层，
所述自带散热器的功率模块用基板的特征在于，
所述金属层及所述散热器中的一个由铝或铝合金构成，另一个由铜或铜合金构成，
所述金属层和所述散热器被固相扩散接合，
在所述金属层与所述散热器的接合界面形成有由Cu和Al构成的金属间化合物层，
在由铜或铜合金构成的所述金属层或所述散热器与所述金属间化合物层的界面，氧化物沿着所述界面以层状分散。
2.一种自带散热器的功率模块，其特征在于，具备：
权利要求1所述的自带散热器的功率模块用基板；及接合于所述电路层的一侧的半导体元件。
3.一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：
功率模块用基板，在绝缘层的一面配设有电路层，且在所述绝缘层的另一面配设有金属层；及
散热器，接合于所述功率模块用基板的金属层，
所述自带散热器的功率模块用基板的制造方法的特征在于，
由铝或铝合金构成所述金属层及所述散热器中的一个，另一个由铜或铜合金构成，
使所述金属层和所述散热器固相扩散接合，
由此，在所述金属层与所述散热器的接合界面形成由Cu和Al构成的金属间化合物层，并且在由所述铜或铜合金构成的所述金属层或所述散热器与所述金属间化合物层的界面，使氧化物沿着所述界面以层状分散。
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