CN106463477B - 功率模块用基板单元及功率模块 - Google Patents

功率模块用基板单元及功率模块 Download PDF

Info

Publication number
CN106463477B
CN106463477B CN201580033278.1A CN201580033278A CN106463477B CN 106463477 B CN106463477 B CN 106463477B CN 201580033278 A CN201580033278 A CN 201580033278A CN 106463477 B CN106463477 B CN 106463477B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
power module
metal layer
heat sink
ceramic substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201580033278.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106463477A (zh
Inventor
大井宗太郎
大开智哉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority claimed from PCT/JP2015/068884 external-priority patent/WO2016002803A1/ja
Publication of CN106463477A publication Critical patent/CN106463477A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106463477B publication Critical patent/CN106463477B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C04B35/645—Pressure sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3731—Ceramic materials or glass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/433—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
    • H01L23/4334—Auxiliary members in encapsulations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/121—Metallic interlayers based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/343—Alumina or aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/366—Aluminium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/368—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/402—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/66—Forming laminates or joined articles showing high dimensional accuracy, e.g. indicated by the warpage
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/704—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the ceramic layers or articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/706—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the metallic layers or articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/86—Joining of two substrates at their largest surfaces, one surface being complete joined and covered, the other surface not, e.g. a small plate joined at it's largest surface on top of a larger plate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/37099—Material
    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/37147—Copper [Cu] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/40137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本发明的功率模块用基板单元(51)中，电路层(12)由多个小电路层(12S)构成，陶瓷基板层(11)由至少一片构成，金属层(13)由至少一片构成，小电路层(12S)为层叠结构，该层叠结构具有接合在陶瓷基板层(11)一侧面的第1铝层(15)和固相扩散接合在该第1铝层(15)的第1铜层(16)，金属层(13)由与第1铝层(15)相同的材料形成，散热板(30)由铜或铜合金形成，金属层(13)与散热板(30)固相扩散接合，将第1铜层(16)的厚度设为t1(mm)，将接合面积设为A1(mm2)，将屈服强度设为σ1(N/mm2)，将与所述金属层接合的位置上的散热板(30)的厚度设为t2，将接合面积设为A2(mm2)，将屈服强度设为σ2(N/mm2)时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下。

Description

功率模块用基板单元及功率模块
技术领域
本发明涉及一种控制大电流及高电压的半导体装置中所使用的功率模块用基板单元及功率模块。
本申请主张基于2014年7月4日申请的日本专利申请2014-138716号及2015年6月30日申请的日本专利申请2015-130972号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
功率模块中使用一种在以氮化铝为首的陶瓷基板的一侧面接合有形成电路层的金属板，并且在另一侧面接合有散热板的功率模块用基板。该功率模块用基板的电路层上经由焊材搭载有功率元件等半导体元件。
随着半导体元件的高输出功率密度化而推进小型化，越来越要求模块的集成化。作为一般的功率模块的集成化，已知有在绝缘基板上排列附加多个电路层的方法。然而，存在若在绝缘基板设置多个电路层则因制造工序中或使用时的温度变化而发生翘曲之类的课题。若在功率模块用基板上发生翘曲，则在半导体元件的安装工序中发生安装不良而降低功率模块的成品率，或在实际使用时散热性能受阻，因此需要制造出翘曲较少的功率模块用基板。
专利文献1中公开有设置多个绝缘基板(在陶瓷基板上形成配线层而成的配线陶瓷基板)，并利用接合部件(引线框架)将这些多个绝缘基板接合，利用封装树脂将各绝缘基板及功率半导体元件成型的功率模块。并且，该专利文献1中记载通过使用多个绝缘基板的结构，能够防止陶瓷基板的龟裂和封装树脂的剥离。
专利文献2中公开有不像专利文献1中记载的功率模块那样使用引线框架而是通过定位部件直接支承，从而对多个绝缘基板(电路基板)进行定位的功率模块。
专利文献1：日本专利公开2007-27261号公报
专利文献2：日本专利公开2013-157578号公报
但是，专利文献1中记载的方法中，即使能够通过防止陶瓷基板的龟裂和封装树脂的剥离来维持良好的散热性，也要使刚性不太高的配线部件(引线框架)承担定位功能，因此很难获得各绝缘基板的位置精度，且很难实现更高的集成化。
并且，如专利文献2中所述，在直接支承绝缘基板的方法中，因为模具的局限性等，也不容易对多个绝缘基板进行准确定位。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种由温度变化引起的形状变化较少、散热性优异且能够实现电路的集成化的功率模块用基板单元及功率模块。
本发明的功率模块用基板单元，其具有：陶瓷基板层；电路层，由接合在该陶瓷基板层的一侧面的多个小电路层构成；金属层，接合在所述陶瓷基板层的另一侧面；及一片散热板，接合在所述金属层，各所述小电路层为具有接合在所述陶瓷基板层的所述一侧面的第1铝层和固相扩散接合在该第1铝层的第1铜层的层叠结构，所述金属层由与所述第1铝层相同的材料形成，所述散热板由铜或铜合金形成，固相扩散接合于所述金属层，将所述第1铜层的厚度设为t1(mm)，将所述第1铜层的接合面积设为A1(mm2)，将所述第1铜层的屈服强度设为σ1(N/mm2)，将与所述金属层接合的位置上的所述散热板的厚度设为t2(mm)，将所述散热板的接合面积设为A2(mm2)，将所述散热板的屈服强度设为σ2(N/mm2)时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下。
将电路层(小电路层)设为第1铝层与第1铜层的层叠结构，对于该电路层在陶瓷基板层的相反侧经由通过与第1铝层相同材料形成的金属层配置由铜或铜合金形成的散热板，且对于电路层的第1铜层与散热板，将它们的厚度、接合面积及屈服强度的关系设定在上述范围内，从而能够构成以陶瓷基板层为中心的对称结构。即，通过在散热板上排列配设多个小电路层等来将电路层图案化的情况下，虽然与电路层的接合部分和接合有金属层的散热板的接合部分的形状不同，但考虑它们的接合部分上的第1铜层与散热板的对称性，从而能够提高以陶瓷基板层为中心的对称性。
由此，能够使在加热时等作用于陶瓷基板层的两面的应力难以发生偏向，且难以发生翘曲。因此，不仅能够抑制各层层叠时的初始翘曲，即使在半导体元件的安装工序时和使用环境下也能够抑制翘曲的发生，也作为绝缘基板也能够提高可靠性，且能够发挥良好的散热性。并且，通过在一片散热板上接合多个小电路层，能够对多个小电路层进行准确地定位，且能够实现高集成化。
本发明的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述陶瓷基板层由与所述小电路层的同等数量的小陶瓷基板构成，所述金属层由与所述小电路层同等数量的小金属层构成，经由所述小陶瓷基板接合所述小电路层与所述小金属层而成的多个功率模块用基板隔着间隔接合在所述散热板上。
本发明的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述陶瓷基板层由与所述小电路层同等数量的小陶瓷基板构成，所述金属层由一片构成，功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过接合所述小电路层与所述小陶瓷基板而得到的层叠基板隔着间隔接合在所述金属层上而成。
本发明的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述陶瓷基板层由一片构成，所述金属层由与所述小电路层同等数量的小金属层构成，功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过将所述小电路层与所述小金属层经由所述陶瓷基板层隔着间隔接合在该陶瓷基板层的表面方向上而成。
本发明的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述陶瓷基板层由一片构成，并且所述金属层由一片构成，功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过所述小电路层隔着间隔接合于所述陶瓷基板层的所述一侧面，且在该陶瓷基板层的所述另一侧面接合所述金属层而成。
在上述各结构中，将第1铜层与散热板的关系设定为，使比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成为0.80以上且1.20以下，从而能够构成以陶瓷基板层为中心的对称结构，能够使在加热时等作用于陶瓷基板层的两面的应力难以发生偏向，且难以发生翘曲。
并且，在陶瓷基板层由热膨胀系数比较小且刚性高的一片陶瓷基板构成的情况下，由于能够使加热时等作用于陶瓷基板层的两面的应力难以发生偏向，因此能够提高防止翘曲的发生的效果。
本发明的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述第1铝层与所述第1铜层经由钛层而固相扩散接合。
本发明的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述金属层与所述散热板经由钛层而固相扩散接合。
本发明的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述第1铝层与所述第1铜层及所述金属层与所述散热板经由钛层而固相扩散接合。
所述第1铝层与所述第1铜层及所述金属层与所述散热板中任一个或双方经由钛层而固相扩散接合，因此功率模块用基板单元变成高温时，能够抑制Al与Cu的金属间化合物的生长，且能够提高接合可靠性和寿命。
本发明的功率模块具备：所述功率模块用基板单元；接合在所述功率模块用基板单元的至少一个所述小电路层的半导体元件及外部连接用引线框架；及封装所述半导体元件和所述功率模块用基板单元中除所述散热板的表面以外的部分的树脂模。
通过使用在一片散热板接合多个小电路层的功率模块用基板单元，从而能够容易制造集成化的功率模块。并且，功率模块用基板单元通过一片散热板而被一体化，因此即使在封装时有树脂压力进行作用也难以产生位置偏离和变形。
根据本发明，能够抑制因半导体元件的安装工序时和使用环境下的温度变化引起的形状变化，且能够提高作为绝缘基板的可靠性和半导体元件的连接可靠性，并发挥良好的散热性。并且，能够准确地进行多个小电路层的定位，因此能够实现高集成化。
附图说明
图1为表示本发明的第1实施方式的功率模块的剖视图。
图2为表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板单元的制造工序的剖视图。
图3为表示在本发明的第1实施方式的功率模块用基板单元的制造中使用的加压装置的例的主视图。
图4为图1所示的第1实施方式的功率模块用基板单元的立体图。
图5为说明第1铜层与散热板的厚度的关系的第2实施方式的功率模块用基板单元的剖视图。
图6为表示本发明的第3实施方式的功率模块用基板单元的剖视图。
图7为表示本发明的第4实施方式的功率模块用基板单元的剖视图。
图8为表示本发明的第5实施方式的功率模块用基板单元的剖视图。
图9为作为本发明的另一实施方式的功率模块用基板单元的主视图。
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所示的本实施方式的功率模块100具备功率模块用基板单元51，接合在该功率模块用基板单元51的半导体元件60及外部连接用引线框架70，半导体元件60与功率模块用基板单元51除了散热板30的表面(裸露面30a)以外被树脂模40来树脂封装。而且，该功率模块100例如在将散热板30的裸露面30a按压在散热片80的表面的状态下被固定。
如图1、图2的2C及图4所示，功率模块用基板单元51在陶瓷基板层11的一侧面接合有电路层12，并且在陶瓷基板层11的另一侧面经由金属层13接合有一片散热板30。电路层12由多个小电路层12S构成，陶瓷基板层11由至少一片构成，金属层13由至少一片构成。
图1、图2的2C及图4所示的本实施方式的功率模块用基板单元51中，陶瓷基板层11由与小电路层12S同等数量的小陶瓷基板11S构成，金属层13由与小电路层12S同等数量的小金属层13S构成。经由小陶瓷基板11S接合小电路层12S与小金属层13S的功率模块用基板21隔着间隔接合在一片散热板30上。这些功率模块用基板21在小陶瓷基板11S的一侧面通过钎焊小电路层12S而被接合，且在小陶瓷基板11S的另一侧面通过钎焊小金属层13S而被接合，从而形成。
构成陶瓷基板层11的小陶瓷基板11S例如可使用AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)等氮化物类陶瓷或Al2O3(氧化铝)等氧化物类陶瓷。小陶瓷基板11S的厚度能够设定在0.2～1.5mm的范围内。
构成电路层12的各小电路层12S为具有接合于陶瓷基板层11(小陶瓷基板11S)的表面的第1铝层15和接合于该第1铝层15的第1铜层16的层叠结构。
该第1铝层15通过将由纯铝或铝合金构成的板材接合到陶瓷基板层11(小陶瓷基板11S)来形成。本实施方式中，第1铝层15由纯度99.99质量％以上且按JIS规格为1N99(纯度99.99质量％以上：所谓4N铝)的铝板钎焊于小陶瓷基板11S而形成。第1铜层16通过将由纯铜或铜合金构成的板材接合到第1铝层15而形成。本实施方式中，第1铜层16通过无氧铜的铜板在第1铝层15固相扩散接合而形成。第1铝层15的厚度为0.1mm以上且3.0mm以下，第1铜层16的厚度为0.5mm以上且5.0mm以下。
构成金属层13的小金属层13S由与电路层12(小电路层12S)的第1铝层15相同材料形成。本实施方式中，小金属层13S由与第1铝层15相同的纯度99.99质量％以上且厚度形成为0.1mm以上且小于3.0mm的铝板钎焊于小陶瓷基板11S而形成。小电路层12S与小金属层13S形成为大致相同尺寸的平面形状。
散热板30通过由纯铜或铜合金构成的板材形成，各功率模块用基板21的小金属层13S被固相扩散接合。本实施方式中，散热板30由添加锆的耐热铜合金(三菱伸铜株式会社制的ZC合金：Cu99.98重量％-Zr0.02重量％)形成为厚度1.5mm的平板状，且该平板状如图1及图2的2C所示形成为大于包括小电路层12S的电路层12和包括小金属层13S的金属层13且大于电路层12与陶瓷基板层11的接合面的平面形状。
该散热板30与各小电路层12S的第1铜层16，在将第1铜层16的厚度设为t1(mm)，将第1铜层16相对于第1铝层15的接合面积设为A1(mm2)，将第1铜层16的屈服强度设为σ1(N/mm2)，将与金属层13(小金属层13S)接合的位置上的散热板30的厚度设为t2(mm)，将散热板30相对于金属层13的接合面积设为A2(mm2)，将散热板30的屈服强度设为σ2(N/mm2)时，被设定为如下关系：比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下。
例如，在第1铜层16为厚度t1＝2.0mm的C1020(屈服强度σ1＝195N/mm2)，第1铜层16与第1铝层15的接合面积A1为800mm2，散热板30为厚度t2＝1.4mm的三菱伸铜株式会社制的耐热合金ZC(屈服强度σ2＝280N/mm2)，金属层13与散热板30的接合面积A2为900mm2的组合的情况下，成为比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)＝0.88。另外，本发明中的屈服强度的值为室温(25℃)时的值。并且，接合面积A1为各功率模块用基板21中第1铜层16相对于第1铝层15的接合面积的总和。同样，接合面积A2也是各功率模块用基板21中小金属层13S相对于散热板30的接合面积的总和。
在构成该功率模块用基板单元51的各功率模块用基板21的小电路层12S的表面焊锡接合有半导体元件60，在该半导体元件60和小电路层12S连接有外部连接用引线框架70。半导体元件60与功率模块用基板单元51除了散热板30的表面(裸露面30a)之外被树脂模40来树脂封装而被一体化。外部连接用引线框架70以其一部分向树脂模40的外部突出的方式设置。
半导体元件60为具备半导体的电子零件，且根据所需功能，选择IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、FWD(自振荡二极管)等各种半导体元件。接合半导体元件60的焊材例如设为Sn-Sb类、Sn-Ag类、Sn-Cu类、Sn-In类或Sn-Ag-Cu类的焊材(所谓无铅焊材)。
外部连接用引线框架70例如由铜或铜合金形成，通过超声波接合或焊锡接合等连接。
树脂模40例如能够使用掺杂SiO2填料的环氧类树脂等，例如由传送模形成。
如此构成的功率模块100如图1所示在固定于散热片80的状态下使用。散热片80用于发散功率模块100的热，本实施方式中，包括固定有功率模块100的散热板30的顶板部81和设置有用于使冷却介质(例如，冷却水)流通的流路83的冷却部82。例如脂膏(省略图示)介于功率模块100的散热板30与散热片80的顶板部81之间，通过弹簧等将这些功率模块100与散热片80按压固定。
散热片80优选由导热性良好的材料构成，本实施方式中，由铝合金(A6063合金)形成。作为固定功率模块100的散热片80，能够采用平板状散热片、通过热锻造等一体形成为若干个针状扇的散热片、通过挤出成型一体形成为相互平行的带状扇的散热片等适当的形状。另外，关于由铝或铜形成的散热片，也能够将功率模块焊锡接合而进行固定。
接着，对制造如此构成的功率模块用基板单元51及功率模块100的方法的一例进行说明。
首先，如图2的2A所示，在小陶瓷基板11S的一侧面层叠小电路层12S中成为第1铝层15的第1层铝板15a，在另一侧面层叠成为小金属层13S的金属层铝板13a并将它们接合为一体。将这些接合时，使用Al-Si类等合金的钎料。例如，使用图3所示的加压装置110沿层叠方向对经由所述合金的钎料箔18层叠小陶瓷基板11S、第1层铝板15a及金属层铝板13a的层叠体S进行加压。
该图3所示的加压装置110具备底座板111、垂直安装于底座板111的上表面的四个角落的导柱112、固定于这些导柱112的上端部的固定板113、在这些底座板111与固定板113之间上下移动自如地被支承于导柱112的按压板114及设置于固定板113与按压板114之间且对按压板114向下方施力的弹簧等施力机构115。
固定板113及按压板114相对于底座板111平行配置，在底座板111与按压板114之间配置前述的层叠体S。在层叠体S的两面配设碳片116以便均匀加压。
将用该加压装置110加压的状态的层叠体S连同加压装置110设置在省略图示的加热炉内，并在真空气氛下加热至钎焊温度而进行钎焊。作为此时的加压力例如可设为0.68MPa(7kgf/cm2)，作为加热温度例如可设为640℃。
而且，如图2的2B所示，在接合小陶瓷基板11S、第1铝层15及小金属层13S的接合体19上接合成为第1铜层16的第1层铜板16a及散热板30。在接合体19的第1铝层15层叠第1层铜板16a，并利用如图3所示的加压装置110沿层叠方向对在小金属层13S层叠散热板30的层叠体进行加压的状态下，在真空气氛下对每个加压装置110进行加热，将第1铝层15及第1铜层16固相扩散接合而形成小电路层12S，并且将小金属层13S及散热板30固相扩散接合。该情况下，作为加压力例如设为0.29MPa以上且3.43MPa以下，作为加热温度设为400℃以上且小于548℃。将该加压及加热状态保持5分钟以上且240分钟以下，从而第1铝层15及第1铜层16、小金属层13S及散热板30同时被固相扩散接合，而获得功率模块用基板单元51(图2的2C、图4)。
本实施方式中，第1铝层15与第1铜层16的各接合面、小金属层13S与散热板30的各接合面的伤痕在固相扩散接合之前被去除而呈平滑状态。固相扩散接合时真空加热的优选加热温度为铝和铜的共晶温度-5℃以上且小于共晶温度的范围。
另外，第1铝层15及第1铜层16、小金属层13S及散热板30的固相扩散接合并不限定于同时进行。首先将第1铝层15与第1铜层16接合，而形成功率模块用基板21之后，再接合小金属层13S与散热板30等，各工序能够不受上述实施方式的限定而进行。
在如此制造的功率模块用基板单元51的小电路层12S焊锡接合(芯片焊接)半导体元件60。此外，通过超声波接合或焊锡接合等方法在半导体元件60及小电路层12S连接外部连接用引线框架70之后，通过传送模成型来形成树脂模40，对于半导体元件60与功率模块用基板单元51除了散热板30的裸露面30a之外进行树脂封装。
在如此制造的功率模块用基板单元51中，将第1铜层16的厚度设为t1(mm)，将第1铝层15与第1铜层16的接合面积设为A1(mm2)，将第1铜层16的屈服强度设为σ1(N/mm2)，将与金属层13的接合位置即与各小金属层13S的接合位置上的散热板30的厚度设为t2(mm)，将金属层13与散热板30的接合面积设为A2(mm2)，将散热板30的屈服强度设为σ2(N/mm2)时，将比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)设定在0.80以上且1.20以下的范围内，因此成为以陶瓷基板层11为中心的对称结构。即比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00的情况、0.80以上且小于1.00的情况、超过1.00且1.20以下的情况下，能够良好地构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。
如本实施方式，通过考虑电路层12的接合部分、接合有金属层13的散热板30的接合部分的上述比率，能够提高以陶瓷基板层11为中心的对称性。由此，能够使加热时等作用于陶瓷基板层11的两面的应力难以发生偏向，且难以发生翘曲。因此，不仅能够抑制各层层叠时的初始翘曲，即使在半导体元件60安装工序时和使用环境下也能够抑制翘曲的发生，也能够提高作为绝缘基板的可靠性，且能够发挥良好的散热性。并且，通过在一片散热板30接合多个功率模块用基板21(小电路层12S)，能够对多个功率模块用基板21(小电路层12S)进行准确地定位，并实现高集成化。
此外，通过使用在一片散热板30接合多个功率模块用基板21的功率模块用基板单元51，能够如本实施方式的功率模块100容易制造集成化的功率模块。并且，功率模块用基板单元51通过一片散热板30被一体化，因此即使有树脂压力作用也难以产生位置偏离和变形，且容易实现位置精度，因此能够实现高集成化。
另外，上述实施方式中，构成了使用平板状的散热板30的功率模块用基板单元51，但也能够使用在平板部设置针扇等由温度变化引起的形状变化较小的扇的散热板或具有厚度不同的形状的散热板等。该情况下，将接合有金属层的平板部的厚度作为散热板的厚度t2，通过使第1铜层相对于散热板的关系即比率(t1×A1×σ1)/(t2×A1×σ2)为0.80以上且1.20以下的第1铜层与散热板的关系成立，由此即使在使用具有如此复杂的形状的散热板的功率模块用基板单元中，也能够构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。
例如，如图5所示的第2实施方式的功率模块用基板单元52，在散热板32不是相同的平板状，而具有不同厚度的形状部分的情况下，第1铝层15与第1铜层16的接合位置、金属层13与散热板32的接合位置上，将第1铜层16与散热板32的关系设定为比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成为0.80以上且1.20以下，从而能够构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。
该情况下，将第1铝层15与第1铜层16的接合面积设为A1(mm2)，将金属层13与散热板32的接合面积设为A2(mm2)。如此，功率模块用基板单元52中，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00的情况、0.80以上且小于1.00的情况、超过1.00且1.20以下的情况下，与第1实施方式同样能够良好地构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。因此，能够使加热时等作用于陶瓷基板层11的两面的应力难以产生偏向，且难以发生翘曲，并且能够发挥良好的散热性。
另外，接合面积A1为各功率模块用基板21中第1铜层16相对于第1铝层15的接合面积的总和。同样，接合面积A2也是各功率模块用基板21中小金属层13S相对于散热板30的接合面积的总和。
图6表示第3实施方式的功率模块用基板单元53。该功率模块用基板单元53中，陶瓷基板层11由与小电路层12S同等数量的小陶瓷基板11S构成，金属层13由一片构成。小电路层12S与小陶瓷基板11S接合的层叠基板14在金属层13上隔着间隔接合，从而形成功率模块用基板23。功率模块用基板23的金属层13接合于散热板30上，从而形成功率模块用基板单元53。
在该情况下，第1铝层15与第1铜层16的接合位置、金属层13与散热板30的接合位置中，将第1铜层16与散热板30的关系设定为比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成为0.80以上且1.20以下，从而能够构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。该情况下，将第1铝层15与第1铜层16的接合面积设为A1(mm2)，将金属层13与散热板30的接合面积设为A2(mm2)。
如本实施方式的功率模块用基板单元53，在接合面积A1与接合面积A2不同的情况下，将这些接合部分上的第1铜层16与散热板30的关系设定为比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成为0.80以上且1.20以下，从而能够与第1实施方式同样良好地构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。即，功率模块用基板单元53中，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00的情况、0.80以上且小于1.00的情况、超过1.00且1.20以下的情况下，与第1实施方式同样良好地构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。另外，接合面积A1为各层叠基板14中第1铜层16相对于第1铝层15的接合面积的总和。
图7表示第4实施方式的功率模块用基板单元54。该功率模块用基板单元54中，陶瓷基板层11由一片构成，金属层13由与小电路层12S同等数量的小金属层13S构成。小电路层12S与小金属层13S经由陶瓷基板层11沿陶瓷基板层11的表面方向隔着间隔接合，从而形成功率模块用基板24。功率模块用基板24的金属层13(各小金属层13S)接合于散热板30上，从而形成功率模块用基板单元54。
如此，在陶瓷基板层11由一片构成的情况下，第1铝层15与第1铜层16的接合位置、小金属层13S与散热板30的接合位置上，将第1铜层16与散热板30的关系设定为比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成为0.80以上且1.20以下，从而能够构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。该情况下，将第1铝层15与第1铜层16的接合面积设为A1(mm2)，将金属层13与散热板30的接合面积设为A2(mm2)。
如此，功率模块用基板单元54中，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00的情况、0.80以上且小于1.00的情况、超过1.00且1.20以下的情况下，与第1实施方式同样良好地构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。而且，如该第4实施方式的功率模块用基板单元54，通过由一片线膨胀系数较小且刚性高的陶瓷基板层11构成，能够进一步使加热时等作用于陶瓷基板层11的两面的应力难以产生偏向，因此能够进一步提高防止翘曲的发生的效果。另外，接合面积A1为各功率模块用基板24中第1铜层16相对于第1铝层15的接合面积的总和。同样，接合面积A2也是各功率模块用基板24中小金属层13S相对于散热板30的接合面积的总和。
图8表示第5实施方式的功率模块用基板单元55。该功率模块用基板单元55中，陶瓷基板层11由一片构成，并且金属层13也由一片构成。小电路层12S在陶瓷基板层11的一侧面隔着间隔接合，在陶瓷基板层11的另一侧面接合有金属层13，从而形成功率模块用基板25。该功率模块用基板25的金属层13接合于散热板30上，从而形成功率模块用基板单元55。
如此，陶瓷基板层11由一片构成，并且金属层13由一片构成的情况下，第1铝层15与第1铜层16的接合位置、金属层13与散热板30的接合位置上，将第1铜层16与散热板30的关系设定为使比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成为0.80以上且1.20以下，从而能够构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。该情况下，将第1铝层15与第1铜层16的接合面积设为A1(mm2)，将金属层13与散热板30的接合面积设为A2(mm2)。
如此，在功率模块用基板单元55中，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00的情况、0.80以上且小于1.00的情况、超过1.00且1.20以下的情况下，与第1实施方式同样良好地构成以陶瓷基板层11为中心的对称结构。而且，该情况下也有一片线膨胀系数较小且刚性高的陶瓷基板层11，从而能够进一步使加热时等作用于陶瓷基板层的两面的应力难以产生偏向，因此能够进一步提高防止发生翘曲的效果。另外，接合面积A1为各小电路层12S中第1铜层16相对于第1铝层15的接合面积的总和。
在以上说明的各实施方式中，对在散热板30上搭载两个电路(小电路层12S)的所谓二合一结构的功率模块进行了说明，但只要使用本发明的功率模块用基板单元及功率模块的结构，则能够容易进行如搭载三个电路的三合一结构、如图9所示的功率模块用基板单元56在散热板30搭载了六个电路(小电路层12S)的六合一结构的延伸。另外，图9中，省略了除了小电路层12S与散热板30的陶瓷基板层11、金属层13的图示。
此外，设为将具有散热板的功率模块用基板单元分别配置在半导体元件的两面的结构，从而能够设为两面冷却结构。
上述实施方式中，第1铝层15与第1铜层16被直接固相扩散，金属层13与散热板30、32被直接固相扩散接合。
然而，本发明并不限定于直接固相扩散接合的情况，也可以设为如下结构。
上述实施方式中，也可以是第1铝层15与第1铜层16及金属层13与散热板30、32中任一个或双方经由钛层被固相扩散接合的结构。该情况下，在功率模块用基板单元成为高温时，能够抑制Al与Cu的金属间化合物的生长，且能够提高接合可靠性和寿命。
钛层的厚度能够设为5μm以上且50μm以下。钛层的厚度小于5μm的情况下，固相扩散接合时钛层容易破损，因此抑制Al与Cu的金属间化合物的生长的效果变低。钛层的厚度超过50μm的情况下，导热较差的钛层变厚，因此功率模块用基板单元的热阻的上升变得显著。
能够将钛层的存在对翘曲造成的影响忽略不计。
作为制造包含钛层的功率模块用基板单元的方法，在利用上述实施方式中记载的制造方法制造时，只要在第1铝层15与第1铜板16a之间或金属层13与散热板30、32之间插入钛箔进行固相扩散接合即可。钛箔的厚度可以设为5μm以上且50μm以下。
实施例
接着，对为了确认本发明的效果而进行的实施例进行说明。
作为功率模块用基板单元的试样，作为陶瓷基板层准备包括厚度0.635mm的AlN的陶瓷基板、作为第1铝层及金属层(第1层铝板及金属层铝板)准备厚度0.6mm的纯度99.99质量％以上(4N)的铝板。作为第1铜层及散热板(第1层铜板及散热板)，通过C1020(屈服强度＝195N/mm2)或三菱伸铜株式会社制的耐热合金ZC(屈服强度＝280N/mm2)，准备表1所示的厚度的板材。另外，屈服强度的值为室温(25℃)时的值。各部件的平面尺寸形成为如表1所示。
通过上述实施方式中叙述的接合方法将它们接合而制作功率模块用基板单元的试样。表1中“实施方式”表示各试样用哪一实施方式的制造方法制成。并且，作为以往例，制作在第1实施方式中叙述的接合方法中不接合电路层的第1铜层而没有形成第1铜层的(即，电路层仅由第1铝层形成)功率模块用基板单元(表1的以往例1)。
表1中，“电路数”表示构成电路层的小电路层的数量。并且，陶瓷基板层的“构成数”表示陶瓷基板层由多个小陶瓷基板构成的情况下的小陶瓷基板的数量。金属层的“构成数”表示金属层由多个小金属层构成的情况下的小金属层的数量。因此，例如陶瓷基板层由一片构成的情况下，“构成数”记为“1”。另外，电路层、陶瓷基板层及金属层的各“平面尺寸”分别为小电路层、小陶瓷基板及小金属层的尺寸形成为如表1所示。并且，散热板为平板状，整体的平面尺寸设为100mm×100mm。另外，表1的“比率”表示比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)。
就所获各试样，分别测定接合后的常温(25℃)时的翘曲量(初始翘曲)、假定安装工序的285℃加热时的翘曲量(加热时翘曲)。对于翘曲量，使用叠纹式三维形状测定机测定散热板的后面的平面度的变化来进行评价。另外，关于翘曲量，在电路层侧凸状弯曲的情况设为正翘曲量(+)，在电路层侧凹状弯曲的情况设为负翘曲量(-)。
并且，评价半导体元件的安装工序中的成品率。对100个各试样，将半导体元件安装到第1铜层上，位置从安装位置向水平方向发生100μm以上偏离的设为不良，成为不良的个数为两个以下的情况作为最佳被评价为“A”，三个以上小于10个的情况作为良好被评价为“B”，10个以上的的情况作为不良被评价为“C”。在表1示出结果。
从表1可知，在未设置第1铜层的以往例1中确认到常温时及加热时的翘曲量较大，且安装半导体元件时不良也变多。相对于此，在具有第1铜层且比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下的发明例1～14中确认到可获得常温时的翘曲量及加热时的翘曲量较小的功率模块基板单元。并且，获知通过使用这种功率模块基板单元，能够以高成品率安装半导体元件。
尤其，获知在常温时的翘曲量为±120μm以下并且常温时和加热时的翘曲量的差量小于120μm的发明例1～4、7～10、12～14中，可获得能够以更高的成品率安装半导体元件的功率模块用基板单元。
另一方面，即使具有第1铜层，在比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)小于0.80或超过1.20的比较例1～6中，也确认到功率模块基板单元在常温时的翘曲量及加热时的翘曲量变大，半导体元件安装工序中的成品率较低。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可进行各种变更。
产业上的可利用性
提供一种因温度变化引起的形状变化较少且散热性优异，并且能够实现电路的集成化的功率模块用基板单元及功率模块。
符号说明
11-陶瓷基板层，11S-小陶瓷基板，12-电路层，12S-小电路层，13-金属层，13a-金属层铝板，13S-小金属层，14-层叠基板，15-第1铝层，15a-第1层铝板，16-第1铜层，16a-第1层铜板，18-钎料箔，19-接合体，21～25-功率模块用基板，30、32-散热板，30a-裸露面，40-树脂模，51～56-功率模块用基板单元，60-半导体元件，70-外部连接用引线框架，80-散热片，81-顶板部，82-冷却部，83-流路，100-功率模块，110-加压装置，111-底座板，112-导柱，113-固定板，114-按压板，115-施力机构，116-碳片。

Claims (9)

1.一种功率模块用基板单元，其特征在于，具有：
陶瓷基板层；
电路层，由接合在该陶瓷基板层的一侧面的多个小电路层构成；
金属层，接合在所述陶瓷基板层的另一侧面；及
一片散热板，接合在所述金属层，
各所述小电路层为层叠结构，该层叠结构具有接合在所述陶瓷基板层的所述一侧面的第1铝层和固相扩散接合在该第1铝层的第1铜层，
所述金属层由与所述第1铝层相同的材料形成，
所述散热板由铜或铜合金形成，固相扩散接合于所述金属层，
将所述第1铜层的厚度设为t1，将所述第1铜层的接合面积的总和设为A1，将所述第1铜层的屈服强度设为σ1，将与所述金属层接合的位置上的所述散热板的厚度设为t2，将所述散热板的接合面积的总和设为A2，将所述散热板的屈服强度设为σ2时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下，其中，所述t1和t2的单位为mm，所述A1和A2的单位为mm2，所述σ1和σ2的单位为N/mm2。
2.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，
所述陶瓷基板层由与所述小电路层同等数量的小陶瓷基板构成，
所述金属层由与所述小电路层同等数量的小金属层构成，
经由所述小陶瓷基板接合所述小电路层与所述小金属层而成的多个功率模块用基板隔着间隔接合在所述散热板上。
3.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，
所述陶瓷基板层由与所述小电路层同等数量的小陶瓷基板构成，
所述金属层由一片构成，
功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过接合所述小电路层与所述小陶瓷基板而得到的层叠基板隔着间隔接合在所述金属层上而成。
4.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，
所述陶瓷基板层由一片构成，
所述金属层由与所述小电路层同等数量的小金属层构成，
功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过将所述小电路层与所述小金属层经由所述陶瓷基板层隔着间隔接合在该陶瓷基板层的表面方向上而成。
5.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，
所述陶瓷基板层由一片构成，并且
所述金属层由一片构成，
功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过所述小电路层隔着间隔接合于所述陶瓷基板层的所述一侧面，且在该陶瓷基板层的所述另一侧面接合所述金属层而成。
6.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，
所述第1铝层与所述第1铜层经由钛层而固相扩散接合。
7.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，
所述金属层与所述散热板经由钛层而固相扩散接合。
8.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，
所述第1铝层与所述第1铜层及所述金属层与所述散热板，经由钛层而固相扩散接合。
9.一种功率模块，其特征在于，具备：
权利要求1所述的所述功率模块用基板单元；
接合在所述功率模块用基板单元的至少一个所述小电路层的半导体元件及外部连接用引线框架；及
封装所述半导体元件和所述功率模块用基板单元中除所述散热板的表面以外的部分的树脂模。
CN201580033278.1A 2014-07-04 2015-06-30 功率模块用基板单元及功率模块 Active CN106463477B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014-138716 2014-07-04
JP2014138716 2014-07-04
PCT/JP2015/068884 WO2016002803A1 (ja) 2014-07-04 2015-06-30 パワーモジュール用基板ユニット及びパワーモジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106463477A CN106463477A (zh) 2017-02-22
CN106463477B true CN106463477B (zh) 2019-03-12

Family

ID=58091927

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580033278.1A Active CN106463477B (zh) 2014-07-04 2015-06-30 功率模块用基板单元及功率模块

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3166140B1 (zh)
CN (1) CN106463477B (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6776953B2 (ja) * 2017-03-07 2020-10-28 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
JP6717238B2 (ja) 2017-03-07 2020-07-01 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
JP6601512B2 (ja) * 2018-01-24 2019-11-06 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP6939596B2 (ja) * 2018-01-24 2021-09-22 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法及びセラミックス‐銅接合体
JP6614256B2 (ja) * 2018-03-02 2019-12-04 三菱マテリアル株式会社 絶縁回路基板
EP3780087A4 (en) * 2018-03-26 2022-01-12 Mitsubishi Materials Corporation METHOD OF MANUFACTURE OF CONNECTED BODY FOR INSULATION OF A CIRCUIT BOARD AND CONNECTED BODY FOR INSULATION OF A CIRCUIT BOARD
CN112236860B (zh) * 2018-06-12 2024-04-16 三菱电机株式会社 功率半导体模块以及电力变换装置
JP7143659B2 (ja) * 2018-07-18 2022-09-29 三菱マテリアル株式会社 金属ベース基板
JP7147610B2 (ja) * 2019-02-12 2022-10-05 三菱マテリアル株式会社 絶縁回路基板及びその製造方法
EP3852138B1 (en) 2020-01-20 2023-11-08 Infineon Technologies Austria AG An electronic module comprising a semiconductor package connected to a fluid heatsink
JP7363613B2 (ja) * 2020-03-13 2023-10-18 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク一体型絶縁回路基板
CN113838821A (zh) * 2020-06-24 2021-12-24 深圳第三代半导体研究院 一种用于SiC平面封装结构的散热件及其制备方法
CN116230666B (zh) * 2023-05-05 2023-08-08 烟台台芯电子科技有限公司 一种dbc双面微通道制冷igbt模块及其制造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1551340A (zh) * 2003-05-06 2004-12-01 富士电机电子设备技术株式会社 半导体器件及其制造方法
JP2008147308A (ja) * 2006-12-07 2008-06-26 Hitachi Metals Ltd 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール
CN101971329A (zh) * 2008-03-17 2011-02-09 三菱综合材料株式会社 带散热片的功率模块用基板及其制造方法、以及带散热片的功率模块、功率模块用基板
JP2014039062A (ja) * 2012-03-30 2014-02-27 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09234826A (ja) * 1995-12-28 1997-09-09 Dowa Mining Co Ltd 金属−セラミックス複合基板及びその製造法
JPH11214612A (ja) * 1998-01-26 1999-08-06 Hitachi Ltd パワー半導体モジュール
JP2003078086A (ja) * 2001-09-04 2003-03-14 Kubota Corp 半導体素子モジュール基板の積層構造
US7482685B2 (en) * 2003-09-25 2009-01-27 Kabushiki Kaisha Toshiba Ceramic circuit board, method for making the same, and power module
JP4137840B2 (ja) * 2004-05-10 2008-08-20 三菱電機株式会社 電力用半導体装置
JP6127540B2 (ja) * 2012-03-30 2017-05-17 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1551340A (zh) * 2003-05-06 2004-12-01 富士电机电子设备技术株式会社 半导体器件及其制造方法
JP2008147308A (ja) * 2006-12-07 2008-06-26 Hitachi Metals Ltd 回路基板およびこれを用いた半導体モジュール
CN101971329A (zh) * 2008-03-17 2011-02-09 三菱综合材料株式会社 带散热片的功率模块用基板及其制造方法、以及带散热片的功率模块、功率模块用基板
JP2014039062A (ja) * 2012-03-30 2014-02-27 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106463477A (zh) 2017-02-22
EP3166140B1 (en) 2020-06-03
EP3166140A4 (en) 2018-03-07
EP3166140A1 (en) 2017-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106463477B (zh) 功率模块用基板单元及功率模块
US9837363B2 (en) Power-module substrate unit and power module
US9615442B2 (en) Power module substrate and power module
US9041183B2 (en) Power module packaging with double sided planar interconnection and heat exchangers
JP6435945B2 (ja) ヒートシンク付きパワーモジュール用基板
US10510640B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
JP6417834B2 (ja) 冷却器付パワーモジュール用基板及び冷却器付パワーモジュール用基板の製造方法
JP6601512B2 (ja) ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP6435711B2 (ja) 放熱板付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
WO2019180913A1 (ja) 電子部品実装モジュールの製造方法
JP5987418B2 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
JP2005011922A (ja) ヒートシンクを備えた両面銅貼り基板、およびこれを用いた半導体装置
EP3761764A1 (en) Insulating circuit board
JP5786569B2 (ja) パワーモジュール用基板の製造方法
JP6681660B2 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP5772088B2 (ja) パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板
JP6853435B2 (ja) パワーモジュールの製造方法
JP5630375B2 (ja) 絶縁基板、その製造方法、半導体モジュールおよび半導体装置
JPWO2019188884A1 (ja) ヒートシンク付き絶縁回路基板
JPH0529499A (ja) セラミツクス多層基板
JP2021061341A (ja) 半導体冷却装置
JP2010267997A (ja) セラミックス回路基板およびパワーモジュール

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant