CN105009278A - 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板及功率模块 - Google Patents

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

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    • H05K2201/06—Thermal details
    • H05K2201/066—Heatsink mounted on the surface of the PCB

Abstract

本发明提供一种具备绝缘基板(11)、形成在该绝缘基板(11)的一面的电路层(12)、及形成在所述绝缘基板(11)另一面的金属层(13)的功率模块用基板(10)，其中，所述电路层(12)具有接合于所述绝缘基板(11)的由铝或铝合金构成的第1铝层(12A)、及固相扩散接合于该第1铝层(12A)的由铜或铜合金构成的第1铜层(12B)，所述金属层(13)具有由铝或铝合金构成的第2铝层(13A)，所述电路层(12)的厚度t1与所述金属层(13)的第2铝层(13A)的厚度t2的关系为t1＜t2。

Description

功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板及功率模块
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及功率模块。
本申请主张基于2013年3月29日于日本申请的专利申请2013-072677号及2013年10月17日于日本申请的专利申请2013-216802号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
在半导体元件中，由于用于供给电力的功率半导体元件的发热量比较高，因此作为搭载该功率半导体元件的基板，例如使用具备电路层及金属层的功率模块用基板，所述电路层通过在由AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝)、Si3N4(氮化硅)等构成的绝缘基板的一面侧接合第1金属板而构成，所述金属层通过在绝缘基板的另一面侧接合第2金属板而构成。
在这种功率模块用基板中，在电路层上，经由焊锡材搭载有功率半导体元件等的半导体元件。
并且，在金属层的另一面侧，接合有用于冷却功率模块用基板的散热器。
例如，专利文献1中提出一种将构成电路层及金属层的第1金属板及第2金属板作为铜板，并通过DBC法将该铜板直接接合在绝缘基板上的功率模块用基板。并且，如专利文献1的图1所示，使用有机类耐热粘结剂，将铝制散热器接合在该功率模块用基板上，从而构成自带散热器的功率模块用基板。
并且，专利文献2中提出一种作为构成电路层及金属层的第1金属板及第2金属板使用铝板的功率模块用基板。在该功率模块用基板的金属层上通过焊锡接合散热器，从而构成自带散热器的功率模块用基板。
而且，专利文献3中提出，在绝缘基板的一面接合金属板作为电路层，并通过铸造法，在绝缘基板的另一面直接形成铝制散热器的功率模块用基板。并且，公开有使用铝板、铜板来作为构成电路层的金属板。
专利文献1：日本专利公开平04-162756号公报
专利文献2：日本专利第3171234号公报
专利文献3：日本专利公开2002-076551号公报
然而，在专利文献1中所记载的功率模块用基板及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，因此该铜板无法充分减缓因散热器与绝缘基板之间的热膨胀系数之差而引起的热应变，存在绝缘基板容易产生破裂的问题。另外，专利文献1中虽然记载有通过夹在散热器与金属层之间的有机类耐热粘结剂来减缓热应变，但由于夹有该有机类耐热粘结剂而热阻变高，因此存在无法将来自搭载于电路层上的电子组件等发热体的热量有效地发散到散热器侧的问题。
并且，由于电路层及金属层由变形阻力较高的铜板构成，因此在负载冷热循环时，有可能因绝缘基板与铜板之间产生的热应力而使绝缘基板产生破裂。
并且，专利文献2中所记载的功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板中，作为构成电路层的第1金属板使用铝板。
在此，由于铝的导热率比铜低，因此作为构成电路层的第1金属板使用铝板时，来自搭载于电路层上的电子组件等发热体的热量的扩散程度比铜差。因此，因电子组件的小型化或高输出化而在功率密度上升时，有可能无法充分发散热量。因此，负载功率循环时的耐久性有可能降低。并且，由于铝表面形成有坚固的氧化膜，因此无法在由铝板构成的电路层上直接焊锡接合半导体元件，需要进行镀Ni等。
而且，专利文献3中所记载的自带散热器的功率模块用基板中，由于在绝缘基板上直接接合铝制散热器，因此有如下倾向：通过因散热器与绝缘基板之间的热膨胀系数之差而引起的热应变，绝缘基板容易产生破裂。为了防止这些情况，在专利文献3中，需要将散热器的屈服强度设定为较低。因此，散热器本身的强度不足，操作起来非常困难。
并且，由于通过铸造法来形成散热器，因此散热器的结构变得比较简单，无法形成冷却能力高的散热器，存在无法促进发散热量的问题。
发明内容
本发明是针对前述问题而进行的，其目的在于提供一种能够促进来自搭载于电路层上的电子组件等发热体发散的热量，具有优异的功率循环特性，并且能够抑制负载冷热循环时的绝缘基板的破裂的可靠性高的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板及功率模块。
本发明的一方式的功率模块用基板具备绝缘基板、形成在该绝缘基板的一面的电路层、及形成在所述绝缘基板的另一面的金属层，其中，所述电路层具有接合于所述绝缘基板的由铝或铝合金构成的第1铝层、及固相扩散接合于该第1铝层的由铜或铜合金构成的第1铜层，所述金属层具有由铝或铝合金构成的第2铝层，所述电路层的厚度t1与所述金属层的第2铝层的厚度t2的关系为t1＜t2。
在该结构的功率模块用基板中，由于配置于绝缘基板的一面侧的具有第1铝层及第1铜层的电路层的厚度t1、与配置于绝缘基板的另一面侧的金属层的第2铝层的厚度t2的关系为t1＜t2，因此在该功率模块用基板上负载有热应力时，形成为较厚的金属层的第2铝层变形，能够抑制功率模块用基板产生翘曲。
并且，例如即使在将散热器接合在该功率模块用基板的金属层侧时，也能够通过形成为足够厚的第2铝层的变形来减缓因绝缘基板与散热器的热膨胀系数之差而引起的热应变。
而且，在本发明的功率模块用基板中，由于电路层在绝缘基板侧具备由铝及铝合金构成的第1铝层，因此在负载热循环时能够通过第1铝层的变形来吸收因绝缘基板与电路层的热膨胀系数之差而引起的热应力，并能够抑制绝缘基板的破裂。
并且，由于电路层具备由铜或铜合金构成的第1铜层，因此能够通过第1铜层在面方向上扩散来自半导体元件等的热量，而能够有效地散热。而且，能够在电路层上良好地焊锡接合半导体元件等。并且，第1铜层的变形阻力较大，因此在负载功率循环时，能够抑制电路层的表面变形，并能够抑制焊锡层产生龟裂等。
并且，由于第1铝层与第1铜层通过固相扩散接合而接合，因此可靠地接合了第1铝层与第1铜层，能够维持电路层的导热性及导电性。
所述金属层也可以为，具有接合于所述绝缘基板的所述第2铝层、及固相扩散接合于该第2铝层的由铜或铜合金构成的第2铜层的结构。
此时，位于绝缘基板的另一面侧的金属层具备所述第2铝层、及固相扩散接合于该第2铝层的第2铜层，因此在将散热器接合于该功率模块用基板的金属层侧时，相当于接合第2铜层与散热器。
例如，散热器的接合面由铝或铝合金构成时，可以通过固相扩散接合法而接合该第2铜层与散热器。并且，例如，散热器的接合面由铜或铜合金构成时，可以通过焊锡接合该第2铜层与散热器。
并且，由于金属层具备由铜或铜合金构成的第2铜层，因此能够通过第2铜层在面方向上扩散热量，而能够有效地散热。
而且，由于在绝缘基板与第2铜层之间形成有变形阻力较小的第2铝层，因此通过第2铝层的变形来减缓热应力，能够抑制绝缘基板产生破裂。
并且，由于第2铝层与第2铜层通过固相扩散接合而接合，因此可靠地接合了第2铝层与第2铜层，能够维持金属层的导热性。
优选所述电路层的厚度t1与所述金属层的第2铝层的厚度t2的关系为t2/t1≥1.5。
此时，电路层的厚度t1、与金属层的第2铝层的厚度t2的关系为t2/t1≥1.5，因此，能够可靠地抑制功率模块用基板产生翘曲。
本发明的另一方式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、及接合在所述金属层侧的散热器。
根据该结构的自带散热器的功率模块用基板，在散热器与绝缘基板之间，夹有具有由铝或铝合金构成的第2铝层的金属层，该第2铝层的厚度t2相对于电路层的厚度t1，为t1＜t2。因此，能够通过金属层的第2铝层的变形来减缓因绝缘基板与散热器的热膨胀系数之差而引起的热应变，并能够抑制绝缘基板的破裂。
本发明的另一方式的功率模块具备所述功率模块用基板、及搭载于所述电路层上的电子组件。
根据该结构的功率模块，能够有效地发散来自搭载于电路层上的电子组件的热量，即使在电子组件的功率密度(发热量)提高时，也能够进行充分地应对。并且能够提高负载功率循环时的耐久性。
根据本发明，能够提供一种能够促进来自搭载于电路层上的电子组件等发热体发散的热量，具有优异的功率循环特性，并且，能够抑制负载冷热循环时的绝缘基板的破裂的可靠性高的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板及功率模块。
附图说明
图1为使用本发明的第1实施方式的功率模块用基板的功率模块的概略说明图。
图2为图1的电路层中的第1铝层与第1铜层的接合界面的放大说明图。
图3为图1的金属层中的第2铝层与第2铜层的接合界面的放大说明图。
图4为本发明的第1实施方式的功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图5为表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图6为使用本发明的第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概略说明图。
图7为使用本发明的第3实施方式的功率模块用基板的功率模块的概略说明图。
图8为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概略说明图。
图9为本发明的其他实施方式的自带散热器的功率模块用基板中，第1铝层与第1铜层的界面的概略说明图。
图10为本发明的其他实施方式的自带散热器的功率模块用基板中，第2铝层与第2铜层的界面的概略说明图。
图11为图9的第1金属间化合物层与第1铜层的界面的放大说明图。
图12为图10的第2金属间化合物层与第2铜层的界面的放大说明图。
图13为Cu与Al的2元状态图。
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表示本发明第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及功率模块1。
该功率模块1具备自带散热器的功率模块用基板40、及半导体元件(电子组件)3，所述半导体元件经由焊锡层2接合于该自带散热器的功率模块用基板40的一侧(图1中为上侧)面。
在此，焊锡层2例如为Sn-Ag系、Sn-In系或者Sn-Ag-Cu系焊锡材。
自带散热器的功率模块用基板40具备功率模块用基板10、及对功率模块用基板10进行冷却的散热器41。
本实施方式中的散热器41具备与功率模块用基板10接合的顶板部42、及在该顶板部42层叠配置的冷却部件43。在冷却部件43的内部形成有使冷却介质流通的流路44。
在此，顶板部42和冷却部件43为，通过固定螺钉45连接的结构。因此，顶板部42需要确保刚性，以使在拧入固定螺钉45时也不易变形。于是，在本实施方式中，将散热器41的顶板部42由屈服强度为100N/mm2以上的金属材料构成，将其厚度设为2mm以上。另外，在本实施方式中，顶板部42由A6063合金(铝合金)构成。
功率模块用基板10具备，绝缘基板11、配设于该绝缘基板11的一面(图1中为上表面)的电路层12、及配设于绝缘基板11的另一面(图1中为下表面)的金属层13。
绝缘基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，并且，例如由AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)等绝缘性较高的陶瓷构成，在本实施方式中由AlN(氮化铝)构成。并且，绝缘基板11的厚度例如设定在0.2mm以上且1.5mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.635mm。
如图1所示，电路层12具有配设在绝缘基板11的一面(图1中为上表面)的第1铝层12A、及接合于该第1铝层12A的一侧的第1铜层12B。
本实施方式中，第1铝层12A，通过在绝缘基板11的一面接合纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板而形成。
并且，第1铜层12B，通过无氧铜的轧制板固相扩散接合于第1铝层12A而形成。
如图1所示，金属层13具有配设在绝缘基板11的另一面(图1中为下表面)的第2铝层13A、及接合于该第2铝层13A的另一侧(图1中为下侧)的第2铜层13B。
本实施方式中，第2铝层13A通过在绝缘基板11的另一面接合纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板而形成。
并且，第2铜层13B，通过无氧铜的轧制板固相扩散接合于第2铝层13A而形成。
如上所述，在本实施方式中，电路层12与金属层13分别由铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)与铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)固相扩散接合的接合体构成。
在此，如图2及图3所示，在固相扩散接合的第1铝层12A与第1铜层12B的接合界面及第2铝层13A与第2铜层13B的接合界面，分别形成有金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)。
金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)通过铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)的铝原子、及铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)的铜原子相互扩散而形成，随着从铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)向铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)，具有铝原子的浓度逐渐降低，且铜原子的浓度提高的浓度梯度。在此，金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)的厚度tc设定在1μm以上且80μm以下的范围内，优选设定在5μm以上且80μm以下的范围内。
金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)由Cu与Al构成的金属间化合物构成，在本实施方式中为多个金属间化合物沿着接合界面层叠的结构。
如图2及图3所示，在本实施方式中为3种金属间化合物层叠的结构，从铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)侧向铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)侧依次为θ相16、η2相17、ζ2相18(参考图13)。
并且，在金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)与铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)的接合界面，沿着接合界面分层分散有氧化物19。另外，在本实施方式中，该氧化物19为氧化铝(Al2O3)等的铝氧化物。在金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)与铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)的界面以间断的状态分散有该氧化物19，也存在于第1金属间化合物层12C与第1铜层12B直接接触的区域。
而且，本实施方式中，铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)的平均结晶粒径在50μm以上且200μm以下的范围内，铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)的平均结晶粒径为500μm以上。
在此，如图1所示，电路层12的厚度t1、与金属层13的第2铝层13A的厚度t2的关系为t1＜t2。
本实施方式中，电路层12的厚度t1设定在0.10mm≤t1≤3.6mm的范围内，金属层13的第2铝层13A的厚度t2设定在0.15mm≤t2≤5.4mm的范围内，电路层12的厚度t1、与金属层13的第2铝层13A的厚度t2的关系为t2/t1≥1.5。
以下，参考图4及图5，对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的制造方法进行说明。
首先，如图5所示，在绝缘基板11的一面(图5中为上表面)及另一面(图5中为下表面)，经由Al-Si系钎料25、26，层叠第1铝板22A、第2铝板23A。并且，通过加压加热后进行冷却，对绝缘基板11与第1铝板22A及第2铝板23A进行接合，在绝缘基板11上形成第1铝层12A及第2铝层13A(铝层形成工序S01)。另外，该钎焊的温度设定在例如640℃～650℃。
接下来，在第1铝层12A的一侧(图5中为上侧)配置第1铜板22B。并且，在第2铝层13A的另一侧(图5中为下侧)，经由第2铜板23B，层叠散热器41的顶板部42。并且，将这些配置在真空加热炉50中，沿层叠方向进行加压(例如以3kgf/cm2以上且35kgf/cm2以下的压力进行加压)，在真空气氛下进行加热处理。在本实施方式中，将加热温度设定在例如400℃以上且小于548℃、将保持时间设定在例如5分钟以上且240分钟以下。另外，优选加热温度设为Al与Cu的共晶温度-5℃以上且小于共晶温度的范围内。并且，优选将固相扩散接合的接合面设为预先去除该面的裂纹而变得平滑的面。
由此，形成固相扩散接合于第1铝层12A的第1铜层12B及固相扩散接合于第2铝层13A的第2铜层13B(铜层形成工序S02)。而且，通过固相扩散接合来接合第2铜层13B与顶板部42(散热器接合工序S03)。
接下来，在顶板部42的另一侧经由润滑脂层叠冷却部件43，通过固定螺钉45来连接顶板部42与冷却部件43(冷却器连接工序S04)。
并且，在电路层12的一面，通过焊锡接合半导体元件3(半导体元件接合工序S05)。
如此，制造本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及功率模块1。
根据如上结构的本实施方式的功率模块用基板10，由于配置在绝缘基板11的一面侧的电路层12的厚度t1、与配置在绝缘基板11的另一面侧的金属层13的第2铝层13A的厚度t2的关系为t1＜t2，因此在该功率模块用基板10上负载热应力时，通过形成为较厚的金属层13的第2铝层13A的变形，能够抑制功率模块用基板10产生翘曲。
尤其，本实施方式中，由于电路层12的厚度t1、与金属层13的第2铝层13A的厚度t2的关系为t2/t1≥1.5，因此能够可靠地抑制功率模块用基板10产生翘曲。
并且，本实施方式中，电路层12在绝缘基板11侧具备第1铝层12A，因此能够通过第1铝层12A的变形，吸收在负载热循环时因绝缘基板11与电路层12的热膨胀系数之差而产生的热应力来抑制绝缘基板11的破裂。尤其，在本实施方式中，第1铝层12A通过接合纯度99.99质量％以上的4N铝轧制板而构成，因此变形阻力较小，能够吸收热应力来可靠地抑制绝缘基板11的破裂。
而且，由于电路层12具备第1铜层12B，因此能够通过第1铜层12B，在面方向上扩散来自半导体元件3的热量，而能够有效地散热。
并且，能够在电路层12(第1铜层12B)上良好地焊锡接合半导体元件3。而且，第1铜层12B的变形阻力较大，因此在负载功率循环时，能够抑制电路层12的表面变形，并能够抑制焊锡层2产生龟裂等。尤其，在本实施方式中，由于第1铜层12B通过接合无氧铜的轧制板而构成，因此导热率优异，能够可靠地提高散热特性。
并且，第1铝层12A与第1铜层12B通过固相扩散接合而接合，因此可靠地接合了第1铝层12A与第1铜层12B，能够维持电路层12的导热性及导电性。
并且，由于金属层13具有接合于绝缘基板11的第2铝层13A、及固相扩散接合于该第2铝层13A的第2铜层13B，因此通过第2铝层13A的变形来减缓负载于功率模块用基板10的热应力，能够抑制绝缘基板11产生破裂。而且，由于通过第2铜层13B，热量在面方向上扩散，因此能够提高散热特性。并且，第2铝层13A与第2铜层13B通过固相扩散接合而接合，因此可靠地接合了第2铝层13A与第2铜层13B，能够维持金属层13的导热性。
并且，本实施方式中，在铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)与铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)之间形成有金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)。因此，铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)中的Al向铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)侧、铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)中的Cu向铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)侧分别充分地相互扩散，可靠地接合了铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)与铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)，接合可靠性优异。
并且，本实施方式中，在铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)与金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)的接合界面，沿着这些接合界面分别分层分散有氧化物19。因此，可靠地破坏形成于铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)表面的氧化膜，Cu与Al充分进行相互扩散，可靠地接合了铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)与铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)，在电路层12及金属层13中不存在产生剥离的可能性。
并且，本实施方式中，金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)为多个金属间化合物沿着接合界面层叠的构造，因此能够抑制脆弱的金属间化合物的大幅成长。
并且，本实施方式中，在从铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)向铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)侧依次分别层叠有θ相16、η2相17、ζ2相18的金属间化合物，因此金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)内部的体积变动变小，能够抑制内部应变。
即，未固相扩散时，例如形成液相时，产生过量的金属间化合物、金属间化合物层的体积变动变大，金属间化合物层内部产生应变。但是，固相扩散时，由于脆弱的金属间化合物层不会大幅成长，分层形成金属间化合物，因此能够抑制其内部应变。
并且，通过铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)中的Cu、与铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)中的Al分别相互扩散，可以从铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)侧、向铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)侧，分层形成适合各个组分的金属间化合物，因此能够使接合界面的特性稳定。
而且，在本实施方式中，铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)的平均结晶粒径为500μm以上，铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)的平均结晶粒径在50μm以上且200μm以下的范围内。因此，在铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)不会蓄积过量的应变等，疲劳特性得到提高。因此，在负载冷热循环时，提高对产生在功率模块用基板10上的热应力的可靠性。
而且，在本实施方式中，金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)的厚度tc为1μm以上且80μm以下，优选在5μm以上且80μm以下的范围内。因此，Cu与Al充分地进行相互扩散，能够紧固地接合铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)与铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)，并且，能够抑制脆弱的金属间化合物的大幅成长，使接合界面的特性稳定。
并且，在本实施方式的自带散热器的功率模块用基板40中，在散热器41的顶板部42与绝缘基板11之间，夹有具有第2铝层13A的金属层13，该第2铝层13A的厚度t2相对于电路层12的厚度t1，为t1＜t2。因此，能够通过金属层13的第2铝层13A的变形来减缓因绝缘基板11与散热器41的热膨胀系数之差而引起的热应变，能够抑制绝缘基板11的破裂。
而且，本实施方式中，金属层13具有第2铜层13B，由于该第2铜层13B与散热器41的顶板部42固相扩散接合，因此能够将功率模块用基板10侧的热量有效地向散热器41侧进行传递，能够大幅提高散热特性。
并且，根据本实施方式的功率模块1，能够有效地发散来自搭载于电路层12上的半导体元件3的热量，即使在半导体元件3的功率密度(发热量)提高时也能够进行充分的应对。并且，能够提高功率循环负载时的耐久性。
接下来，参考图6对本发明的第2实施方式进行说明。
图6所示的功率模块101具备自带散热器的功率模块用基板140，及在该自带散热器的功率模块用基板140的一面侧(图6中为上侧)经由第1焊锡层102接合的半导体元件(电子组件)3。其中，第1焊锡层102，例如为Sn-Ag系、Sn-In系、Sn-Sb系、或者Sn-Ag-Cu系焊锡材。
自带散热器的功率模块用基板140具备功率模块用基板110、及对功率模块用基板110进行冷却的散热器141。
功率模块用基板110具备绝缘基板111、配设在该绝缘基板111的一面(图6中为上表面)的电路层112、及配设在绝缘基板111的另一面(图6中为下表面)的金属层113。
本实施方式中，绝缘基板111由AlN(氮化铝)构成。并且，绝缘基板111的厚度设定在例如0.2mm以上且1.5mm以下的范围内，本实施方式中设定为0.635mm。
如图6所示，电路层112具有配设在绝缘基板111的一面(图6中为上表面)的第1铝层112A、及接合在该第1铝层112A的一侧的第1铜层112B。
本实施方式中，第1铝层112A，在绝缘基板111的一面通过接合纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板而形成。
并且，第1铜层112B通过在第1铝层112A上固相扩散接合无氧铜的轧制板而形成。
如图1所示，金属层113具有配设在绝缘基板111的另一面(图6中为下表面)的第2铝层113A、及接合在该第2铝层113A的另一侧(图6中为下侧)的第2铜层113B。
本实施方式中，第2铝层113A在绝缘基板111的另一面通过接合纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板而形成。
并且，第2铜层113B通过在第2铝层113A上固相扩散接合无氧铜的轧制板而形成。
如此，本实施方式中，与第1实施方式同样地，电路层112与金属层113分别由铝层(第1铝层112A、第2铝层113A)与铜层(第1铜层112B、第2铜层113B)扩散接合的接合体构成。
并且，在实施方式的功率模块用基板110中，电路层112的厚度t1、与金属层113的第2铝层113A的厚度t2的关系为t1＜t2。
本实施方式中，电路层112的厚度t1设定在0.1mm≤t1≤3.6mm的范围内，金属层113的第2铝层113A的厚度t2设定在0.15mm≤t2≤5.4mm的范围内，电路层112的厚度t1、与金属层113的第2铝层113A的厚度t2的关系为t2/t1≥1.5。
并且，本实施方式中的散热器141为由铜或铜合金构成的散热板。
该散热器141经由第2焊锡层108，与功率模块用基板110的金属层113接合。并且，第2焊锡层108，与上述第1焊锡层102同样地，能够使用例如Sn-Ag系、Sn-In系、Sn-Sb系、或者Sn-Ag-Cu系等各种焊锡材。
如上结构的本实施方式的自带散热器的功率模块用基板140中，与第1实施方式同样地，能够抑制绝缘基板111的破裂或功率模块用基板110的翘曲等。
而且，在本实施方式中，金属层113具有第2铜层113B，因此能够经由焊锡层108接合由铜或铜合金构成的散热器141。
并且，电路层112具有第1铜层112B、金属层113具有第2铜层113B，因此能够确保功率模块用基板110整体的刚性，在热循环负载时，功率模块用基板110不易变形，能够抑制第2焊锡层108产生龟裂。
接下来，参考图7对本发明的第3实施方式进行说明。
图7所示的功率模块201具备自带散热器的功率模块用基板240，及在该自带散热器的功率模块用基板240的一面侧(图7中为上侧)经由焊锡层202接合的半导体元件(电子组件)3。其中，焊锡层202，例如为Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系焊锡材。
自带散热器的功率模块用基板240具备功率模块用基板210、及对功率模块用基板210进行冷却的散热器241。
功率模块用基板210具备绝缘基板211、配设在该绝缘基板211的一面(图7中为上表面)的电路层212、及配设在绝缘基板211的另一面(图7中为下表面)的金属层213。
本实施方式中，绝缘基板211由AlN(氮化铝)构成。并且，绝缘基板211的厚度设定在例如0.2mm以上且1.5mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.635mm。
如图7所示，电路层212具有配设在绝缘基板211的一面(图7中为上表面)的第1铝层212A、及接合在该第1铝层212A的一侧的第1铜层212B。
本实施方式中，第1铝层212A在绝缘基板211的一面通过接合纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板而形成。并且，第1铜层212B，通过在第1铝层212A上固相扩散接合无氧铜的轧制板而形成。
如图7所示，金属层213由配设在绝缘基板211的另一面(图7中为下表面)的第2铝层213A构成。
本实施方式中，金属层213(第2铝层213A)在绝缘基板211的另一面通过接合纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板而形成。
并且，在本实施方式的功率模块用基板210中，电路层212的厚度t1、与金属层213的第2铝层213A的厚度t2的关系为t1＜t2。
本实施方式中，电路层212的厚度t1设定在0.1mm≤t1≤3.6mm的范围内，金属层213(第2铝层213A)的厚度t2设定在0.15mm≤t2≤5.4mm的范围内，电路层212的厚度t1、与金属层213(第2铝层213A)的厚度t2的关系为t2/t1≥1.5。
并且，本实施方式的散热器241为由铝或铝合金构成的冷却器，具有与金属层213接合的顶板部242、及冷却液流通的流路244。
该散热器241通过钎焊而接合在功率模块用基板210的金属层213(第2铝层213A)上。
如上结构的本实施方式的自带散热器的功率模块用基板240中，与第1、2实施方式同样地，能够抑制绝缘基板211的破裂或功率模块用基板210的翘曲等。
而且，在本实施方式中，由于金属层213由第2铝层213A构成的，因此能够通过钎焊与由铝或铝合金构成的散热器241良好地接合。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内可以进行适当的变更。
例如，对作为构成铝层(第1铝层、第2铝层)的铝板，使用纯度99.99质量％以上的4N铝轧制板的情况进行了说明，但并不限于此，也可以由其他的铝或铝合金构成。同样地，对作为构成铜层(第1铜层、第2铜层)的铜板，使用无氧铜的轧制板的情况进行了说明，但并不限于此，也可以由其他的铜或铜合金构成。
并且，对作为绝缘基板使用由AlN构成的陶瓷基板的情况进行了说明，但并不限于此，也可以使用例如由Si3N4或Al2O3等构成的陶瓷基板。
而且，对作为通过钎焊来接合绝缘基板与第1铝层及第2铝层的情况进行了说明，但并不限于此，也可以适用例如瞬间液相扩散连接法(Transient Liquid PhaseBonding)、金属浆料法、铸造法等。
并且，散热器的结构等，并不限于本实施方式，也可以为例如其他结构的散热板、冷却器等。
并且，在上述实施方式的功率模块用基板中，对电路层12具备形成在绝缘基板11的一面的第1铝层12A、及在该第1铝层12A的一侧接合第1铜板22B而形成的第1铜层12B的情况进行了说明，但并不限于此。
例如，如图8的功率模块用基板310所示，电路层312具备形成在绝缘基板11的一面的第1铝层312A、及接合在该第1铝层312A的一侧的第1铜层312B，该第1铜层312B，也可以为具有接合半导体元件等的芯片焊盘332、及作为外部端子使用的引线部333的由铜板构成的结构。在该功率模块用基板310中，芯片焊盘332与第1铝层312A固相扩散接合。其中，第1铝层312A的厚度优选为0.1mm以上且1.0mm以下。并且，第1铜层312B的厚度优选为0.1mm以上且6.0mm以下。
并且，图8所示的自带散热器的功率模块用基板340中，由铝或铝合金构成的散热器341通过固相扩散接合而接合在功率模块用基板310的金属层13侧。
并且，上述实施方式中，对在铝层(第1铝层12A、第2铝层13A)与铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)的接合界面，形成金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)，从铝层侧(第1铝层12A、第2铝层13A)向铜层侧(第1铜层12B、第2铜层13B)依次层叠θ相16、η2相17、ζ2相18而构成的情况进行了说明，但并不限于此。
具体而言，也可以在铝层(第1铝层、第2铝层)与铜层(第1铜层、第2铜层)的接合界面，从铝层(第1铝层、第2铝层)侧向铜层(第1铜层、第2铜层)侧依次使铝的比率降低的方式层叠由多个Cu及Al构成的金属间化合物。
并且，如图9、10所示，也可以在铝层(第1铝层412A、第2铝层413A)与铜层(第1铜层412B、第2铜层413B)的接合界面，设置从铝层(第1铝层412A、第2铝层413A)侧向铜层(第1铜层412B、第2铜层413B)侧依次沿前述接合界面层叠θ相416、η2相417，进一步层叠ζ2相418、δ相414、及γ2相415中的至少一相而构成的金属间化合物层(第1金属间化合物层412C、第2金属间化合物层413C)(参考图13)。
并且，上述实施方式中，对在金属间化合物层(第1金属间化合物层12C、第2金属间化合物层13C)与铜层(第1铜层12B、第2铜层13B)的接合界面，沿着接合界面分层分散有氧化物19的情况进行了说明，但也可以为，例如图11、12所示，沿着金属间化合物层(第1金属间化合物层412C、第2金属间化合物层413C)与铜层(第1铜层412B、第2铜层413B)的界面，在ζ2相418、δ相414、或γ2相415的内部分层分散有氧化物419的结构。另外，该氧化物419为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。
实施例
(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。
如表1所示，将对绝缘基板、成为电路层的第1铝层的铝板及成为第1铜层的铜板、成为金属层的第2铝层的铝板及成为第2铜层的铜板进行接合来制作功率模块用基板。
电路层的尺寸为37mm×37mm，绝缘基板的尺寸为40mm×40mm，金属层的尺寸为37mm×37mm。
表2所示的“TLP”，通过将Cu以成为1.0mg/cm2的方式固着于绝缘基板的表面，并在层叠方上以5kgf/cm2进行加压的状态下，在10-3Pa的真空中，以600℃的温度加热30分钟来接合铝板与绝缘基板。
表2所示的“Al-Si钎焊”，通过使用由Al-7.5质量％Si构成的钎料箔(厚度100μm)，在层叠方向上以12kgf/cm2进行加压的状态下，在10-3Pa的真空中，以650℃的温度加热30分钟来接合铝板与绝缘基板。
表2所示的“活性金属钎焊”，通过使用由Ag-27.4质量％Cu-2.0质量％Ti构成的活性钎料，在10-3Pa的真空中，以850℃的温度加热10分钟来接合铜板与绝缘基板。
表2所示的“DBC”，通过在氮气气体气氛中以1075℃的温度加热10分钟来接合铜板与绝缘基板。
第1铜层与第1铝层、第2铜层与第2铝层的固相扩散接合在使用真空炉、在炉内压力3×10-3Pa、加热温度535℃、保持时间60min、加压压力12kgf/cm2(1.17MPa)的条件下实施。
在上述功率模块用基板的金属层的另一面侧接合散热器。散热器为A3003合金的铝板(60mm×70mm×5mm)。
对金属层仅由第2铝层构成的功率模块用基板，使用Al-Si钎料箔，在以3.0kgf/cm2进行加压的状态下，在真空中以610℃的温度进行加热而进行接合。
关于金属层由第2铝层及第2铜层构成的功率模块用基板，在进行上述固相扩散接合时，对散热器与第2铜层进行了固相扩散接合。
使用如此获得的自带散热器的功率模块用基板，实施冷热循环试验。将评价结果示于表2。另外，每隔500次循环时进行观察，以确认到绝缘基板破裂的时刻的循环次数进行了评价。如下表示测定条件。
评价装置：ESPEC Corporation制TSB-51
液相：电子氟化液
温度条件：-40℃×5分钟←→125℃×5分钟
而且，在这些功率模块用基板的电路层的一面侧焊锡接合IGBT元件。另外，在使用Sn-Ag-Cu系焊锡材，在氢气还原气氛中、以300℃的温度进行焊锡接合。
使用如此获得的功率模块，实施功率循环试验。将评价结果示于表2。另外，通过进行负载10万次功率循环后的热阻率的上升率来进行评价。
以如下方式测定热阻上升率。使IGBT通电来进行加热，并使用IGBT元件内的温度检测二极管来实际测定IGBT元件的温度。并且，实际测定在散热器中流通的冷却介质(乙二醇：水＝9：1)的温度。并且，由IGBT的温度与冷却介质的温度差而归一化的数值作为热阻上升率。如下表示测定条件。
温度差：80℃
温度范围：55℃～135℃(利用IGBT元件内的温度检测二极管进行测定)
通电时间：6秒
冷却时间：4秒
[表1]
[表2]
电路层的厚度t1形成为比金属层的第2铝层的厚度t2厚的比较例1中，在冷热循环试验中，在3000次循环以下发现绝缘基板破裂。而且，在功率循环试验中也发现热阻上升。
电路层的厚度t1与金属层的第2铝层的厚度t2相同的比较例2中，在冷热循环试验中，在2000次循环以下发现绝缘基板破裂。而且，在功率循环试验中也发现热阻上升。
仅由第1铝层构成电路层的比较例3、4中，冷热循环试验的结果良好，但在功率循环试验中确认到热阻大幅上升。
仅由第1铜层构成电路层的比较例5、6中，在冷热循环试验中，在1000次循环以下发现绝缘基板破裂。
相对于此，在本发明例1～8中，即使在冷热循环试验的3000次循环以上也没有发现绝缘基板破裂。并且，在功率循环试验中，也确认到能够抑制热阻的上升。
从以上结果确认到，根据本发明例，可提供一种能够促进来自搭载于电路层上的电子组件等发热体发散的热量，具有优异的功率循环特性，并且，能够抑制负载冷热循环时的绝缘基板的破裂的可靠性高的功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、及功率模块。
(实施例2)
接下来，如上述第2实施方式及图6所示，经由第2焊锡层接合功率模块用基板的金属层与散热器，并对该第2焊锡层的接合率进行评价。
如表3所示，接合绝缘基板、作为电路层的第1铝层的铝板及作为第1铜层的铜板、作为金属层的第2铝层的铝板及作为第2铜层的铜板来制作功率模块用基板。
电路层的尺寸为37mm×37mm、绝缘基板的尺寸为40mm×40mm、金属层的尺寸为37mm×37mm。
另外，将表4所示的“TLP”、“Al-Si钎焊”设为与上述实施例1及表2相同的接合方法。
并且，在上述功率模块用基板的金属层的另一面侧，经由焊锡材接合散热器。作为散热器，与上述实施例1同样地，使用A3003合金的铝板(60mm×70mm×5mm)。
通过使用Sn-Sb系焊锡材，在H2气氛下以200℃的温度保持5分钟后，以300℃的温度保持10分钟来进行焊锡，然后通过置换成N2气氛进行冷却来接合散热器。另外，在散热器的接合面，在形成镀Ni膜后，实施焊锡。而且，在比较例11中，在金属层的接合面，也形成镀Ni膜后，实施焊锡。
使用如此获得的自带散热器的功率模块用基板，实施冷热循环试验。冷热循环条件与上述实施例1相同，负载3000次的冷热循环。
并且，在接合初期及负载3000次的冷热循环后，测定第2焊锡层的接合率。将评价结果示于表4。
[表3]
[表4]
由铝板构成电路层及金属层的比较例11中，冷热循环后的接合率大幅降低。推测为冷热循环导致第2焊锡层产生龟裂。
相对于此，在本发明例11～14中，冷热循环后的接合率并无大幅降低。根据本发明例11～14，确认到能够抑制第2焊锡层产生龟裂。
产业上的可利用性
根据本发明，能够促进来自搭载于电路层上的电子组件等发热体发散的热量、具有优异的功率循环特性，并且，能够抑制冷热循环负载时绝缘基板产生破裂、并能够提高可靠性。因此，本发明具有产业上的可利用性。
符号说明
1、101、201-功率模块，3-半导体元件(电子组件)，10、110、210、310-功率模块用基板，11、111、211-绝缘基板，12、112、212、312-电路层，12A、112A、212A、312A-第1铝层，12B、112B、212B、312B-第1铜层，13、113、213-金属层，13A、113A、213A-第2铝层，13B、113B-第2铜层，40、140、240、340-自带散热器的功率模块用基板，41、141、241、341-散热器。

Claims (5)

1.一种功率模块用基板，其具备绝缘基板、形成在该绝缘基板的一面的电路层、及形成在所述绝缘基板的另一面的金属层，其中，
所述电路层具有第1铝层及第1铜层，所述第1铝层接合于所述绝缘基板，由铝或铝合金构成，所述第1铜层固相扩散接合于该第1铝层，由铜或铜合金构成，
所述金属层具有由铝或铝合金构成的第2铝层，
所述电路层的厚度t1与所述金属层的第2铝层的厚度t2的关系为t1＜t2。
2.根据权利要求1所述的功率模块用基板，其中，
所述金属层具有接合于所述绝缘基板的所述第2铝层及固相扩散接合于该第2铝层的第2铜层，所述第2铜层由铜或铜合金构成。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块用基板，其中，
所述电路层的厚度t1与所述金属层的第2铝层的厚度t2的关系为t2/t1≥1.5。
4.一种自带散热器的功率模块用基板，其中，
所述自带散热器的功率模块用基板具备权利要求1～3中任一项所述的功率模块用基板及接合于所述金属层侧的散热器。
5.一种功率模块，其中，
所述功率模块具备权利要求1～3中任一项所述的功率模块用基板及搭载于所述电路层上的电子组件。
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