CN104919585B - 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块 - Google Patents

功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块 Download PDF

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Abstract

本申请的功率模块用基板，具备形成于陶瓷基板(11)的第一面的电路层(12)及形成于第二面的金属层(13)，所述金属层(13)具有：第一铝层(13A)，与所述陶瓷基板(11)的第二面接合；及第一铜层(13B)，与该第一铝层(13A)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、自带散热器 的功率模块
技术领域
本发明涉及一种具备形成于陶瓷基板一面(第一面)的电路层及形成于另一面(第二面)的金属层的功率模块用基板、在该功率模块用基板接合有散热器的自带散热器的功率模块用基板、及在该自带散热器的功率模块用基板接合有半导体元件的自带散热器的功率模块。
本申请对2013年1月22日于日本申请的专利申请2013-009199号及2013年10月17日于日本申请的专利申请2013-216783号主张优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
在各种半导体元件当中，用于控制电动汽车或电动车辆等的大功率控制用的功率元件，由于其发热量多，因此作为搭载该功率元件的基板，例如在由AlN(氮化铝)等构成的陶瓷基板的一面(第一面)及另一面(第二面)上接合金属板作为电路层及金属层的功率模块用基板从以往就被广泛使用。
这种功率模块用基板，作为自带散热器的功率模块用基板，在陶瓷基板的第二面侧接合热传导性优异的散热器。此外，作为自带散热器的功率模块，在电路层经由焊锡材料而搭载作为功率元件的半导体元件。
作为如上述的功率模块用基板，例如在专利文献1中公开了一种功率模块用基板，其具备金属层，该金属层具有：接合于陶瓷基板的下表面的4N铝(4N-Al)层；及接合于该4N铝层的2N铝(2N-Al)层。并且，作为自带散热板(自带散热器)的功率模块用基板，接合功率模块用基板的金属层与由Cu构成的散热板(散热器)。
并且，在专利文献2中公开了一种功率模块用基板，其具备金属层，该金属层由接合于陶瓷基板的下表面的2N铝层构成。
在专利文献3中公开了一种功率模块用基板，其具备金属层，该金属层由接合于陶瓷基板的下表面的Cu层构成。
专利文献1：日本专利第4037425号公报
专利文献2：日本专利第4629016号公报
专利文献3：日本专利公开4-162756号公报
然而，专利文献1及专利文献2所示的功率模块用基板中，如上所述，金属层由Al构成。其中，Al由于焊锡接合性较差，因此将由Al构成的金属层与散热板焊锡接合时，需要在表面形成Ni镀层，导致制造成本增大。此外，由于实施Ni电镀，因此存在功率模块的制造工序变长，生产率也会降低的问题。
并且，Al的变形阻力相对较低，因此当功率模块负载冷热循环时，通过功率模块用基板与散热板之间产生的热应力，也存在在焊锡中发生龟裂，接合可靠性降低、或热阻上升的问题。
另一方面，如专利文献3所示，当金属层由Cu构成时，由于Cu的焊锡接合性良好，因此不需要上述的Ni电镀。此外，Cu的变形阻力相对较高，因此当负载冷热循环时，能够抑制金属层中发生褶皱，且能够抑制将功率模块用基板与散热板进行接合的焊锡中发生龟裂。
然而，如上所述Cu变形阻力相对较高，因此当负载冷热循环时，通过陶瓷基板与金属层之间产生的热应力，有时陶瓷基板发生破裂。
特别是最近正促进功率模块的小型化、薄壁化，并且其使用环境趋于严苛，来自半导体元件的发热量逐渐变大，因此冷热循环的条件变得严苛，而需要一种可靠性更高的功率模块用基板。
发明内容
本发明有鉴于前述情况而研发，其目的在于提供一种于负载冷热循环时能够抑制将金属层与散热器进行接合的焊锡中发生龟裂，能够抑制接合可靠性的降低或热阻的上升，且能够抑制陶瓷基板发生破裂的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、及自带散热器的功率模块。
为解决前述问题，(1)本发明一方式中的功率模块用基板，具备形成于陶瓷基板的一面(第一面)的电路层及形成于另一面(第二面)的金属层，其中，所述金属层具有：第一铝层，与所述陶瓷基板的另一面接合；及第一铜层，与该第一铝层固相扩散接合。
根据本发明的功率模块用基板，在陶瓷基板的第二面接合有第一铝层，并且在第一铝层接合有第一铜层，因此当在功率模块用基板接合散热器时第一铜层与散热器接合，无需在金属层形成Ni镀层便能够将金属层与散热器良好地接合。此外，当通过焊锡将功率模块用基板与散热器接合时，变形阻力相对较高的第一铜层与散热器接合，因此在负载冷热循环时，能够抑制焊锡发生龟裂，且能够抑制接合可靠性的降低或热阻的上升。
并且，在陶瓷基板的第二面接合有变形阻力相对较小的第一铝层，因此即使负载冷热循环，也能够以第一铝层来吸收陶瓷基板与第一铜层之间产生的热应力，而抑制陶瓷基板发生破裂。
而且，第一铝层与第一铜层通过固相扩散接合而接合，因此能够提高第一铝层与第一铜层的接合可靠性。此外，当负载冷热循环时，第一铝层与第一铜层之间发生剥离的情况受到抑制，能够维持金属层的热传导性。
(2)本发明的另一方式的功率模块用基板，其为(1)所记载的功率模块用基板，其中，所述电路层具有：第二铝层，与所述陶瓷基板的一面(第一面)接合；及第二铜层，与该第二铝层固相扩散接合。
这种构成中，电路层具有第二铜层，当在该第二铜层搭载半导体元件时，将从半导体元件产生的热传导至功率模块用基板侧时，能够在电路层的第二铜层以平面方向散开而有效地扩散。
并且，在陶瓷基板的第一面，形成有变形阻力相对较小的第二铝层，当负载冷热循环时，以第二铝层吸收因陶瓷基板与电路层之间的热膨胀系数之差而产生的热应力，因此能够抑制陶瓷基板发生破裂。此外，在第二铝层的一侧，形成有变形阻力相对较大的第二铜层，因此当负载功率循环时，能够抑制电路层的变形。
此外，第二铝层与第二铜层通过固相扩散接合而接合，因此当负载冷热循环时，第二铝层与第二铜层之间发生剥离的情况受到抑制，能够维持电路层的热传导性及导电性。
另外，其中第二铝层的一侧，是指未与陶瓷基板接合的面侧。
(3)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块用基板，其具有：(1)或(2)所记载的功率模块用基板；及散热器，所述第一铜层与所述散热器接合。
根据本发明的自带散热器的功率模块用基板，功率模块用基板的第一铜层与散热器接合，因此无需在金属层形成Ni镀层便能通过焊锡将金属层与散热器接合。此外，当通过焊锡将金属层与散热器接合，则变形阻力相对较高的第一铜层与散热器接合，因此在负载冷热循环时，能够抑制焊锡发生龟裂，且能够抑制接合可靠性的降低或热阻的上升。并且，在陶瓷基板的第二面接合有变形阻力相对较小的第一铝层，因此负载冷热循环时，能够以第一铝层吸收热应力，且能够抑制陶瓷基板发生破裂。
(4)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块用基板，其为(3)所记载的自带散热器的功率模块用基板，其中，所述散热器由Cu或Cu合金构成，所述功率模块用基板与所述散热器通过焊锡而接合。
此时，能够将金属层的第一铜层与由Cu或Cu合金构成的散热器通过焊锡而良好地接合。此外，由于散热器由热传导性良好的Cu或Cu合金构成，因此能够将来自功率模块用基板的热有效地朝向散热器侧扩散。
(5)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块用基板，其为(3)所记载的自带散热器的功率模块用基板，其中，所述散热器由形成有Ni镀层的Al或Al合金构成，所述功率模块用基板与所述散热器通过焊锡而接合。
当在由Al或Al合金构成的散热器形成Ni镀层时，能够将上述功率模块用基板与散热器良好地焊锡接合。
本发明的另一方式的自带散热器的功率模块，其具备(3)至(5)任一项所述的自带散热器的功率模块用基板及与所述电路层的一面(第一面)接合的半导体元件。
此时，由于具备上述功率模块用基板，因此即使负载冷热循环，也能够抑制将金属层与散热器进行接合的焊锡中发生龟裂，能够抑制接合可靠性的降低或热阻的上升，且能抑制陶瓷基板发生破裂。
根据本发明，能够提供一种在负载冷热循环时能够抑制将金属层与散热器进行接合的焊锡中发生龟裂，能够抑制接合可靠性的降低或热阻的上升，且能抑制陶瓷基板发生破裂的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板及自带散热器的功率模块。
附图说明
图1是本发明的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、及功率模块用基板的概略说明图。
图2是金属层中的第一铝层与第一铜层的接合界面的放大说明图。
图3是电路层中的第二铝层与第二铜层的接合界面的放大说明图。
图4是本发明的实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法的概略说明图。
图5是本发明的实施方式所涉及的功率模块的制造方法的概略说明图。
图6是表示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、及功率模块用基板的概略说明图。
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中，第一铝层与第一铜层的接合界面的概略说明图。
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，第二铝层与第二铜层的接合界面的概略说明图。
图10是图8的金属间化合物层与第一铜层的界面的放大说明图。
图11是图9的金属间化合物层与第二铜层的界面的放大说明图。
图12是Cu与Al的二元状态图。
具体实施方式
以下结合附图，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、功率模块用基板10。
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及在该自带散热器的功率模块用基板30一侧(图1中的上侧)经由焊锡层2而接合的半导体元件3。
焊锡层2例如被设为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系等的焊锡材料(所谓无铅焊锡材料)，且将自带散热器的功率模块用基板30与半导体元件3接合。
半导体元件3为具备半导体的电子部件，根据所需的功能选择各种半导体元件。本实施方式中为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及与该功率模块用基板10的另一侧(图1中的下侧)接合的散热器40。
如图1所示，功率模块用基板10具备：陶瓷基板11；电路层12，形成于该陶瓷基板11的一面(即第一面，图1中的上表面)；及金属层13，形成于陶瓷基板11的另一面(即第二面，图1中的下表面)。
陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电性连接，且由绝缘性较高的AlN(氮化铝)构成。此外，陶瓷基板11的厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，本实施方式中设定为0.635mm。
如图1所示，金属层13具有：第一铝层13A，与陶瓷基板11的第二面接合；及第一铜层13B，层压于该第一铝层13A的另一侧(图1中的下侧)。
第一铝层13A通过在陶瓷基板11的第二面接合铝板而形成。本实施方式中，第一铝层13A通过在陶瓷基板11接合由纯度99.99％以上的铝(所谓4N铝)的轧板构成的铝板而形成。其中，所接合的铝板的厚度优选设定在0.2mm以上3.0mm以下。
第一铜层13B通过与第一铝层13A的另一侧(图1中的下侧)接合而形成。本实施方式中，第一铜层13B通过由无氧铜的轧板构成的铜板与第一铝层13A固相扩散接合而形成。其中，所接合的铜板的厚度优选设定在0.1mm以上4.0mm以下。
并且，如图2所示，在这些第一铝层13A与第一铜层13B的界面形成有金属间化合物层13C。
金属间化合物层13C通过第一铝层13A的Al原子与第一铜层13B的Cu原子相互扩散而形成。该金属间化合物层13C中具有如下浓度梯度：从第一铝层13A朝向第一铜层13B，Al原子的浓度逐渐变低，且Cu原子的浓度逐渐变高。
金属间化合物层13C由Cu和Al所构成的金属间化合物构成，本实施方式中的构成为多个金属间化合物沿着接合界面而层压。其中，金属间化合物层13C的厚度ta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，本实施方式中构成为层压三种金属间化合物层，从第一铝层13A侧朝向第一铜层13B侧，依次设为θ相16a、η2相17a、ζ2相18a。
并且，在该金属间化合物层13C与第一铜层13B的接合界面，氧化物19a沿着接合界面而分散成层状。另外，本实施方式中，该氧化物19a为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。而且，氧化物19a在金属间化合物层13C与第一铜层13B的界面以间断的状态而分散，还存在金属间化合物层13C与第一铜层13B直接接触的区域。
并且，本实施方式中，第一铜层13B的平均结晶粒径设在50μm以上200μm以下的范围内，第一铝层13A的平均结晶粒径设为500μm以上。
如图1所示，电路层12具有：第二铝层12A，与陶瓷基板11的第一面接合；及第二铜层12B，层压于该第二铝层12A的一侧(图1中的上侧)。
第二铝层12A通过在陶瓷基板11的第一面接合铝板而形成。本实施方式中，第二铝层12A通过在陶瓷基板11接合由纯度99.99％以上的铝(所谓4N铝)的轧板构成的铝板而形成。
其中，所接合的铝板的厚度优选设定在0.2mm以上3.0mm以下。
第二铜层12B通过与第二铝层12A的一侧(图1中的上侧)接合而形成。本实施方式中，第二铜层12B通过由无氧铜的轧板构成的铜板与第二铝层12A固相扩散接合而形成。其中，所接合的铜板的厚度优选设定在0.1mm以上4.0mm以下。
并且，如图3所示，在这些第二铝层12A与第二铜层12B的界面形成有金属间化合物层12C。
金属间化合物层12C通过第二铝层12A的Al原子与第二铜层12B的Cu原子相互扩散而形成。该金属间化合物层12C中具有如下浓度梯度：从第二铝层12A朝向第二铜层12B，Al原子的浓度逐渐变低，且铜原子的浓度逐渐变高。
该金属间化合物层12C由Cu和Al所构成的金属间化合物构成，本实施方式中的构成为多个金属间化合物沿着接合界面而层压。其中，该金属间化合物层12C的厚度tb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3所示，本实施方式中构成为层压三种金属间化合物，从第二铝层12A侧朝向第二铜层12B侧，依次设为θ相16b、η2相17b、ζ2相18b(图12)。
并且，在该金属间化合物层12C与第二铜层12B的接合界面，氧化物19b沿着接合界面而分散成层状。另外，本实施方式中，该氧化物19b为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。而且，氧化物19b在金属间化合物层12C与第二铜层12B的界面以间断的状态而分散，还存在金属间化合物层12C与第二铜层12B直接接触的区域。
而且，本实施方式中，第二铜层12B的平均结晶粒径设在50μm以上200μm以下的范围内，第二铝层12A的平均结晶粒径设为500μm以上。
散热器40用于将功率模块用基板10侧的热进行扩散。本实施方式中，散热器40由与功率模块用基板10接合的散热板31、及设有用于流通冷却介质(例如冷却水)的通路42的冷却部41构成，散热板31与冷却部41经由润滑脂43并通过螺丝44固定。散热器40优选由热传导性良好的材质构成，本实施方式中，散热板31由无氧铜构成，冷却部41由Al合金构成。并且，散热器40的散热板31与第一铜层13B通过焊锡层32而接合，焊锡层32例如为Sn-Sb系、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系的焊锡材料(所谓无铅焊锡材料)。
接着，利用图4～图6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、功率模块用基板10的制造方法进行说明。
首先，如图4所示，在陶瓷基板11的第一面及第二面，经由Al-Si系的钎料(未图示)而层压铝板22A、铝板23A。并且，通过加压、加热后进行冷却，将陶瓷基板11与铝板22A、铝板23A接合，且在陶瓷基板11形成第二铝层12A及第一铝层13A(铝层形成工序S11)。另外，该钎焊的温度设定为640℃～650℃。
其次，在第二铝层12A的一侧(上侧)配置铜板22B，在第一铝层13A的另一侧(下侧)配置铜板23B。并且，将它们配置于真空加热炉50中，从铜板22B的一侧(上侧)及铜板23B的另一侧(下侧)负载荷重，使真空加热炉50的内部成为真空并进行加热处理。本实施方式中，第二铝层12A及铜板22B、第一铝层13A及铜板23B的接触面所负载的荷重设在3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下。另外，将真空加热的加热温度设为400℃以上且低于548℃，保持5分钟以上240分钟以下而进行固相扩散接合，以便在第一铝层13A接合铜板23B而形成第一铜层13B，同时在第二铝层12A接合铜板22B而形成第二铜层12B(铜层形成工序S12)。本实施方式中，在第二铝层12A与铜板22B、第一铝层13A与铜板23B接合的各面，预先除去该面的伤痕而使其平滑化后，再进行固相扩散接合。
另外，真空加热的理想加热温度设定在Al和Cu的共晶温度-5℃以上且低于共晶温度的范围。
如此，形成了电路层12与金属层13，得到本实施方式所涉及的功率模块用基板10。
接着，如图5所示，在功率模块用基板10的另一侧(图5中的下侧)，通过焊锡来接合散热器40(散热板31)(散热器(散热板)接合工序S13)。
其次，在散热器40(散热板31)的另一侧(图5中的下侧)，经由润滑脂43而配设散热器40(冷却部41)(散热器(冷却部)配设工序S14)。本实施方式中，通过螺丝44将散热板31与冷却部41接合。如此，得到自带散热器的功率模块用基板30。
最后，在自带散热器的功率模块用基板30的电路层12的一面(图5中的上表面)，通过焊锡来接合半导体元件3(半导体元件接合工序S15)。
通过这种方式，得到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1、自带散热器的功率模块用基板30、功率模块用基板10，在陶瓷基板11的第二面(下表面)接合第一铝层13A，在该第一铝层13A接合第一铜层13B，并且将第一铜层13B与散热器40接合，因此无需在金属层13形成Ni镀层而能够将金属层13与散热器40良好地接合。并且，由于将变形阻力相对较高的第一铜层13B与散热板31接合，因此当负载冷热循环时，能够抑制焊锡层32中发生龟裂，且能够抑制接合可靠性的降低或热阻的上升。
并且，当负载冷热循环时，在陶瓷基板11与金属层13之间虽产生热应力，但由于陶瓷基板11的第二面与变形阻力相对较小的第一铝层13A接合，因此能够以第一铝层13A吸收热应力，且能够抑制陶瓷基板11发生破裂。
而且，金属层13的第一铝层13A与第一铜层13B通过固相扩散接合而接合，因此能够提高第一铝层13A与第一铜层13B的接合可靠性，当负载冷热循环时，能够抑制第一铝层13A与第一铜层13B之间发生剥离，且能够维持金属层13的热传导性。
并且，电路层12具有第二铜层12B，而在该第二铜层12B搭载有半导体元件3，因此将从半导体元件3所产生的热传导至功率模块用基板10一侧时，能够在第二铜层12B以平面方向散开而有效地扩散。
而且，在陶瓷基板11的第一面(上表面)形成有变形阻力相对较小的第二铝层12A，因此当负载冷热循环时，第二铝层12A吸收因陶瓷基板11与电路层12之间的热膨胀系数之差而产生的热应力，而能够抑制陶瓷基板11发生破裂。
并且，在第二铝层12A的一侧，形成有变形阻力相对较大的第二铜层12B，因此当负载功率循环时，能够抑制电路层的变形，且能够抑制将电路层12与半导体元件3进行接合的焊锡中发生龟裂。
而且，第二铝层12A与第二铜层12B通过固相扩散接合而接合，因此能够提高第二铝层12A与第二铜层12B的接合可靠性，当负载冷热循环的时，能够抑制第二铝层12A与第二铜层12B之间发生剥离，且能够维持电路层12的热传导性及导电性。
并且，本实施方式当中，在第一铝层13A与第一铜层13B之间、及第二铝层12A与第二铜层12B之间形成有由Cu与Al的金属间化合物层构成的金属间化合物层13C、12C。因此，第一铝层13A及第二铝层12A中的Al朝向第一铜层13B及第二铜层12B侧、而第一铜层13B及第二铜层12B中的Cu朝向第一铝层13A及第二铝层12A侧，彼此充分地相互扩散，第一铝层13A与第一铜层13B、第二铝层12A与第二铜层12B可靠地固相扩散接合，而能够确保足够的接合强度。
并且，在第一铜层13B与金属间化合物层13C的接合界面、及在第二铜层12B与金属间化合物层12C的接合界面，氧化物19a、19b沿着这些接合界面而各自分散成层状，因此在第一铝层13A、第二铝层12A形成的氧化膜确切地被破坏，Cu与Al的相互扩散会充分地进行，第一铝层13A及第一铜层13B、第二铝层12A及第二铜层12B可靠地接合。
并且，本实施方式中，金属间化合物层12C、13C的构成为多个金属间化合物沿着接合界面而层压，因此能够抑制脆弱的金属间化合物的大幅成长。
而且，第一铜层13B、第二铜层12B中的Cu，与第一铝层13A、第二铝层12A中的Al各自相互扩散，由此，从第一铜层13B、第二铜层12B侧朝向第一铝层13A、第二铝层12A侧，适合各自的组成的金属间化合物形成为层状，从而能使接合界面的特性稳定。
具体而言，金属间化合物层13C、12C从第一铝层13A、第二铝层12A侧朝向第一铜层13B、第二铜层12B侧，依次分别层压有θ相16a、16b，η2相17a、17b，ζ2相18a、18b这三种金属间化合物，因此在金属间化合物层13C、12C内部的体积变动小，而能够抑制内部应变。
即，当没有固相扩散时，例如当形成液相时，产生金属间化合物的过剩，金属间化合物层其体积变动变大，在金属间化合物层发生内部应变。然而，当固相扩散时，脆弱的金属间化合物层不会大幅成长，金属间化合物形成为层状，因此能够抑制其内部的应变。
并且，本实施方式中，第一铝层13A、第二铝层12A的平均结晶粒径设为500μm以上，第一铜层13B、第二铜层12B的平均结晶粒径设在50μm以上200μm以下的范围内，第一铝层13A及第一铜层13B、第二铝层12A及第二铜层12B的平均结晶粒径设定成相对较大。因此，第一铝层13A及第一铜层13B、第二铝层12A及第二铜层12B中不会蓄积过多的应变等，疲劳特性提升。从而，在冷热循环负载中，对于在功率模块用基板10产生的热应力的可靠性提高。
并且，本实施方式中，金属间化合物层12C、13C的厚度ta、tb设为1μm以上80μm以下、优选设在5μm以上80μm以下的范围内，因此Cu与Al的相互扩散充分进行，而能够将第一铝层13A及第一铜层13B、第二铝层12A及第二铜层12B牢固地接合，并且能抑制脆弱的金属间化合物的过度成长，接合界面的特性变得稳定。
其中，铝板22A、23A的厚度，优选设为0.2mm以上3.0mm以下。通过将铝板22A、23A的厚度设为0.2mm以上，在冷热循环中能够减少在陶瓷基板11产生的热应力，能够抑制陶瓷基板11发生龟裂。此外，通过将铝板22A、23A的厚度设为3.0mm以下，因此能够降低功率循环中的初期热阻。
并且，铜板22B的厚度，优选设为0.1mm以上4.0mm以下。通过将铜板22B设为0.1mm以上，能够将来自半导体元件3的热在第二铜层12B扩散而更有效地传导热，且能够降低负载功率循环时的初期热阻，因此可进一步提高对于功率循环的可靠性。此外，通过将铜板22B设为4.0mm以下，能够使电路层12的刚性降低，在负载冷热循环时能够抑制陶瓷基板11发生破裂。
并且，铜板23B的厚度，优选设为0.1mm以上4.0mm以下。通过将铜板23B设为0.1mm以上，从而铜板23B具有足够的刚性，在冷热循环中能够抑制焊锡层32的变形。此外，通过将铜板23B设为4.0mm以下，能够使金属层13的刚性降低，在负载冷热循环时能够抑制陶瓷基板11发生破裂。
使用了上述功率模块用基板10、及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，能够将从半导体元件3产生的热有效地进行扩散。并且，能够抑制半导体元件3的温度的上升，使半导体元件3在规定温度下运转，能够提升运转稳定性。
并且，本实施方式中，第一铝层13A及第一铜层13B、第二铝层12A及第二铜层12B通过固相扩散接合而接合，因此能够得到功率模块用基板10，其具备：电路层12，具有形成于陶瓷基板11的第一面侧的第二铝层12A及第二铜层12B；及金属层13，具有形成于陶瓷基板11的第二面侧的第一铝层13A及第一铜层13B。
并且，固相扩散接合的构成为，在陶瓷基板11的第一面及第二面形成第二铝层12A及第一铝层13A，在第二铝层12A的一侧配置铜板22B，在第一铝层13A的另一侧配置铜板23B之后，相对第二铝层12A及铜板22B、第一铝层13A及铜板23B，在负载3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下荷重的状态下，保持于400℃以上且低于548℃。通过采用这种构成，第二铝层12A及铜板22B、第一铝层13A及铜板23B在充分粘合的状态下，能够使Al原子与Cu原子相互扩散，将第二铝层12A及铜板22B、第一铝层13A及铜板23B固相扩散接合，且能够在第二铝层12A的一侧形成第二铜层12B，在第一铝层13A的另一侧形成第一铜层13B。
固相扩散接合时，当相对第一铝层13A及第一铜层13B、第二铝层12A及第二铜层12B负载的荷重为3kgf/cm2以上时，能够良好地固相扩散接合，且能够抑制第一铝层13A及第一铜层13B、第二铝层12A及第二铜层12B之间产生间隙。此外，当35kgf/cm2以下时，能够抑制陶瓷基板11发生破裂。从而，在固相扩散接合时负载的荷重设定在上述范围。
固相扩散接合时，当温度在400℃以上时，能够促进Al原子与Cu原子之间的扩散，能够在短时间使其充分地固相扩散。此外，当低于548℃时，能够抑制Al与Cu之间产生液相而造成接合界面产生瘤、或厚度的变动等。因此，固相扩散接合的温度，优选设定在400℃以上低于548℃的范围。
并且，在固相扩散接合时，更理想的加热温度为，Al和Cu的共晶温度-5℃以上且低于共晶温度(不包括共晶温度)的范围。当选择了这样的温度范围，不会形成液相而不会生成Al与Cu的化合物，因此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较快，能够以较短时间固相扩散接合。
并且，在固相扩散接合时，若接合的面有伤痕，则固相扩散接合时可能会产生间隙，但在第一铝层13A与铜板23B、第二铝层12A与铜板22B接合的面，预先除去该面的伤痕而平滑化之后再进行固相扩散接合，因此能够抑制各自的接合界面产生间隙而接合。
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，在不脱离其发明的技术思想范围内可适当进行变更。
然而，上述实施方式中，对散热器(散热板)由无氧铜的铜板构成的情况进行了说明，但也可以由韧铜等纯铜或铜合金构成。此外，散热器(散热板)也可以由Al或Al合金构成，在这种情况下，在散热器(散热板)实施Ni电镀后，将散热器(散热板)与功率模块用基板通过焊锡而接合，由此能够良好地焊锡接合。
并且，上述实施方式当中，对将第一铝层13A与铜板23B、第二铝层12A与铜板22B同时固相扩散接合的情况进行了说明，但也可以构成为分别固相扩散接合。
而且，对将散热器的散热板与冷却部通过螺丝而固定的情况进行了说明，但散热板与冷却部的接合方法并无限定，例如也可以构成为通过固相扩散接合而接合。
另外，上述实施方式中，对通过纯度99.99％的纯铝轧板而构成第一铝层与第二铝层的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以为纯度99％的铝(2N铝)或铝合金等。
并且，本实施方式当中，对散热器40由散热板31与冷却部41构成，而将功率模块用基板10与散热板31接合的情况进行了说明，但也可以不使用散热板31而将功率模块用基板10与冷却部41进行接合。而且，散热器能够采用热导管等使热扩散的各种构成。
并且，对使用由AlN构成的陶瓷基板作为陶瓷基板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以使用由Si3N4或Al2O3等构成的陶瓷基板。
而且，上述实施方式中，对电路层具有第二铝层与第二铜层的情况进行了说明，但并不限定于此，例如也可以仅用第二铝层来构成电路层，或是仅用第二铜层来构成电路层。
并且，上述实施方式的功率模块用基板中，对电路层12具备形成于陶瓷基板11的第一面的第二铝层12A、及在该第二铝层12A的一侧与铜板22B接合而成的第二铜层12B的情况进行了说明，但并不限定于此。
例如如图7的功率模块用基板110所示，也可以构成为电路层112具备形成于陶瓷基板11的第一面的第二铝层112A及在该第二铝层112A的一侧接合的第二铜层112B，该第二铜层112B由铜板构成，该铜板具有：接合半导体元件等的芯片垫(ダイパッド)152；及用作外部端子的引线部153。该功率模块用基板110中，芯片垫152与第二铝层112A固相扩散接合。
其中，第二铝层112A的厚度，优选设为0.1mm以上1.0mm以下。此外，第二铜层112B的厚度，优选设为0.1mm以上6.0mm以下。
并且，图7所示的自带散热器的功率模块用基板130中，散热器140在功率模块用基板110的金属层13侧经由焊锡层32而接合。
此外，上述实施方式当中，对在铝层(第一铝层13A、第二铝层12A)与铜层(第一铜层13B、第二铜层12B)的接合界面形成金属间化合物层13C、12C，而该金属间化合物层13C、12C构成为从铝层(第一铝层13A、第二铝层12A)侧朝向铜层(第一铜层13B、第二铜层12B)侧依次层压θ相16a、16b、η2相17a、17b、ζ2相18a、18b的情况进行了说明，但并不限定于此。
具体而言，也可以在铝层(第一铝层、第二铝层)与铜层(第一铜层、第二铜层)的接合界面，层压多层由Cu及Al构成的金属间化合物，而使得从铝层(第一铝层、第二铝层)侧朝向铜层(第一铜层、第二铜层)侧，铝的比率依次变低。
并且，如图8、9所示，也可以构成为，在铝层(第一铝层213A、第二铝层212A)与铜层(第一铜层213B、第二铜层212B)的接合界面，从铝层(第一铝层213A、第二铝层212A)侧朝向铜层(第一铜层213B、第二铜层212B)侧依次沿着所述接合界面层压θ相216a、216b，η2相217a、217b，进一步层压在ζ2相218a、218b，δ相214a、214b，及γ2相215a、215b当中的至少一种相(图12)。
并且，上述实施方式当中，对在金属间化合物层13C、12C与铜层(第一铜层13B、第二铜层12B)的接合界面，氧化物19a、19b沿着接合界面而分散成层状的情况进行了说明，但例如也可以构成为如图10、11所示，沿着金属间化合物层213C、212C与铜层(第一铜层213B、第二铜层212B)的界面，氧化物219a、219b在ζ2相218a、218b，δ相214a、214b，或γ2相215a、215b的内部分散成层状。而且，该氧化物219a、219b为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。
实施例
以下，对为了确认本发明的功效而进行的确认实验结果进行说明。
通过下述方式，制作出本发明例1～6、比较例1、比较例2的功率模块。
针对本发明例1及本发明例5，在由AlN构成的陶瓷基板(厚度：0.635mm)的第一面经由Al-Si系钎料接合铝板(厚度：0.4mm)而形成电路层。本发明例1中使用4N-Al的铝板、本发明例2中使用2N-Al的铝板。接着，在陶瓷基板的第二面经由Al-Si系钎料接合4N-Al的铝板(厚度：0.2mm)而形成第一铝层。并且，将由Cu(无氧铜)构成的铜板固相扩散接合于第一铝层，而形成金属层。将通过这种方式得到的功率模块用基板与散热器通过Sn-Sb焊锡而接合。另外，本发明例1中散热器由无氧铜构成、本发明例5中则使用了由实施Ni电镀的Al合金(A6063)构成的散热器。并且，将电路层与半导体元件通过焊锡而接合，制作出本发明例1及本发明例5的自带散热器的功率模块。
针对本发明例2～4、本发明例6，在表1所示材质的陶瓷基板(厚度：0.635mm)的第一面及第二面，经由Al-Si系钎料接合表1所示材质的铝板(厚度：0.2mm)，而形成第二铝层及第一铝层。并且，在第二铝层及第一铝层固相扩散接合由Cu(无氧铜)构成的铜板(厚度：0.2mm)，而形成电路层及金属层。在通过这种方式得到的功率模块用基板，通过Sn-Sb焊锡接合表1所示的散热器，在电路层焊锡接合半导体元件，而得到本发明例2～4及本发明例6的自带散热器的功率模块。而且，针对本发明例6，在由Al合金(A6063)构成的散热器实施Ni电镀后，将功率模块用基板与散热器焊锡接合。
然而，上述固相扩散接合，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。
针对比较例1，在由AlN构成的陶瓷基板(厚度：0.635mm)的第一面及第二面经由Al-Si系钎料接合由4N-Al构成的铝板(厚度：0.4mm)，而制作出形成有电路层及金属层的功率模块用基板。在功率模块用基板通过Sn-Sb焊锡而接合由无氧铜构成的散热器。并且，将电路层与半导体元件通过焊锡而接合，得到比较例1的自带散热器的功率模块。
针对比较例2，在由AlN构成的陶瓷基板(厚度：0.635mm)的第一面及第二面通过利用Ag-Cu-Ti系钎料的活性金属钎焊法接合由无氧铜构成的铜板(厚度：0.4mm)，而制作出形成有电路层及金属层的功率模块用基板。并且，在功率模块用基板通过Sn-Sb焊锡而接合由无氧铜构成的散热器。并且，将电路层与半导体元件通过焊锡而接合，得到比较例2的自带散热器的功率模块。
并且，半导体元件为IGBT元件，使用12.5mm×9.5mm、厚度0.25mm的元件。
对得到的自带散热器的功率模块，进行以下的评价试验。
(冷热循环试验)
冷热循环试验使用espec公司制TSB-51冷热冲击试验机，针对功率模块，在液相(电子氟化液)下以反复-40℃下5分钟及125℃下5分钟而实施3000次循环。
(接合率评价)
针对本发明例1～6、比较例1、比较例2，对于冷热循环试验后的功率模块，使用超声波探伤装置对陶瓷基板与金属层的界面的接合率进行评价，且由以下式子进行计算。并且，针对本发明例1及本发明例2，对于冷热循环试验后的功率模块，对陶瓷基板与电路层的界面的接合率进行评价。
其中，所谓初始接合面积是指接合前的应接合面积，也即在本实施例中为金属层的面积。此外，对陶瓷基板与电路层的界面的接合率进行评价时，将电路层的面积设为初始接合面积。超声波探伤像中，剥离以接合部内的白色部分表示，因此将该白色部面积作为剥离面积。并且，当陶瓷基板、金属层、及焊锡层中发生龟裂时，该龟裂在超声波探伤像中会以白色部分显示，龟裂也作为剥离面积而评价。
(接合率(％))＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)
热阻通过下述方式而测定。使用加热片作为半导体元件，以100W功率加热，利用热电偶对加热片的温度进行实际测量。并且，对在散热器流通的冷却介质(乙二醇:水＝9:1)的温度进行实际测量。而且，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，求出冷热循环试验后的热阻上升率。
(功率循环试验)
针对本发明例2、本发明例1，进行功率循环试验。作为功率循环试验，在将冷却部(冷却器)中的冷却水温度、流量保持一定的状态下，将对IGBT元件的通电调整成每隔10秒重复一次循环，并重复10万次，以实施功率循环试验，该循环为当通电(ON)时元件表面温度成为140℃、当非通电(OFF)时元件表面温度成为80℃。
测定该功率循环试验前后的热阻，求出热阻的上升率。
上述评价结果在表1、表2中示出。
如表1所示，本发明例1～6当中，由于金属层具有第一铝层与第一铜层，因此冷热循环试验后，陶瓷基板与金属层的接合率及金属层与焊锡层的接合率良好，确认到其为具有较高可靠性的功率模块。
另一方面，比较例1当中，由于金属层仅由4N-Al构成，因此冷热循环试验后，陶瓷基板与金属层的接合率虽良好，但热阻的上升率与本发明例1～6相比会增大。并且，比较例2当中，由于金属层仅由无氧铜构成，因此冷热循环试验后，陶瓷基板发生了破裂。
并且，如表2所示，电路层具有第二铝层与第二铜层的本发明例2，与电路层仅由4N-Al构成的本发明例1相比较，确认到其能够使功率循环后的热阻上升率降低。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种在负载冷热循环时能够抑制将金属层与散热器进行接合的焊锡中发生龟裂，抑制接合可靠性的降低或热阻的上升，且能抑制陶瓷基板发生破裂的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、及自带散热器的功率模块。
符号说明
1-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、112-电路层，12A、112A-第二铝层，12B、112B-第二铜层，13-金属层，13A-第一铝层，13B-第一铜层，30、130-自带散热器的功率模块用基板，31-散热板(散热器)，40、140-散热器，41-冷却部(散热器)。

Claims (6)

1.一种功率模块用基板，具备陶瓷基板、形成于所述陶瓷基板的一面的电路层及形成于所述陶瓷基板的另一面的金属层，其特征在于，
所述金属层具有：第一铝层，与所述陶瓷基板的另一面接合；第一铜层，与该第一铝层固相扩散接合；及第一金属间化合物层，由Cu和Al所成的多个金属间化合物构成，所述多个金属间化合物沿着所述第一铝层与所述第一铜层的第一接合界面被形成为层状，
所述第一金属间化合物层的所述多个金属间化合物为在从所述第一铝层朝向所述第一铜层侧依次层压θ相、η2相，进一步层压ζ2相、δ相及γ2相中的至少一种相而构成。
2.根据权利要求1所述的功率模块用基板，其中，所述电路层具有：第二铝层，与所述陶瓷基板的一面接合；及第二铜层，与该第二铝层固相扩散接合。
3.一种自带散热器的功率模块用基板，具有：权利要求1或2所述的功率模块用基板；及散热器，
所述第一铜层与所述散热器接合。
4.根据权利要求3所述的自带散热器的功率模块用基板，其中，所述散热器由Cu或Cu合金构成，所述功率模块用基板与所述散热器通过焊锡而接合。
5.根据权利要求3所述的自带散热器的功率模块用基板，其中，所述散热器由形成有Ni镀层的Al或Al合金构成，所述功率模块用基板与所述散热器通过焊锡而接合。
6.一种自带散热器的功率模块，具备权利要求3～5任一项所述的自带散热器的功率模块用基板及与所述电路层的一面接合的半导体元件。
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