CN106663663B - 接合体及其制造方法、自带散热器的功率模块用基板及其制造方法、散热器及其制造方法 - Google Patents

接合体及其制造方法、自带散热器的功率模块用基板及其制造方法、散热器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种解决了铝部件和金属部件的接合可靠性降低的技术问题的接合体。本发明的接合体为接合由铝合金构成的铝部件与由铜、镍或银构成的金属部件而成的接合体，铝部件由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成，在铝部件与金属部件的接合部形成有Ti层，铝部件与Ti层及Ti层与金属部件分别被固相扩散接合。这样的接合体适合于大功率控制用功率半导体元件。

Description

接合体及其制造方法、自带散热器的功率模块用基板及其制 造方法、散热器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种接合铝部件与由铜、镍或银构成的金属部件而成的接合体、在绝缘层的一面形成有电路层的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、在散热器主体上形成有金属部件层的散热器、接合体的制造方法、自带散热器的功率模块用基板的制造方法及散热器的制造方法。
本申请主张基于2014年8月26日于日本申请的专利申请2014-171901号及2015年8月18日于日本申请专利的专利申请2015-161293号优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
LED、功率模块等半导体装置具备在由导电材料构成的电路层上接合有半导体元件的结构。
为了控制风力发电、电动汽车及混合动力汽车等而使用的大功率控制用功率半导体元件的发热量较多。因此，作为搭载这种功率半导体元件的基板，以往广泛使用如下功率模块用基板，该功率模块用基板具备由例如AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝)等构成的陶瓷基板及在该陶瓷基板的一面接合导电性优异的金属板而形成的电路层。另外，作为功率模块用基板，还提供在陶瓷基板的另一面形成有金属层的功率模块用基板。
例如，专利文献1所示的功率模块具备在陶瓷基板的一面及另一面形成有由Al构成的电路层及金属层的功率模块用基板以及隔着焊料接合于该电路层上的半导体元件。
并且，构成为在功率模块用基板的下侧接合有散热器，从半导体元件传递至功率模块用基板侧的热经由散热器向外部扩散。
但是，如专利文献1所记载的功率模块，由Al构成电路层及金属层的情况下，由于表面形成有Al的氧化皮膜，因此无法通过焊料来接合半导体元件、散热器。
因此，例如专利文献2所公开那样，以往，在电路层及金属层的表面，通过化学镀等而形成镀Ni膜之后，焊锡接合半导体元件、散热器等。
并且，专利文献3中提出有代替焊料而使用包含氧化银粒子和由有机物形成的还原剂的氧化银浆料，将电路层与半导体元件及金属层与散热器进行接合的技术。
然而，如专利文献2所记载，在电路层表面及金属层表面形成镀Ni膜而成的功率模块用基板中，在将半导体元件及散热器进行接合为止的过程中镀Ni膜的表面由于氧化等而劣化，有可能与隔着焊料进行接合的半导体元件及散热器的接合可靠性降低。并且，在镀Ni工序中，有时进行遮蔽处理，以免在不需要的区域形成镀Ni层而发生电蚀等问题。如此，在进行遮蔽处理之后进行电镀处理时，在电路层表面及金属层表面形成镀Ni膜的工序中需要极大的劳力，存在导致功率模块的制造成本大幅增加的问题。
并且，如专利文献3所记载，使用氧化银浆料将电路层与半导体元件及金属层与散热器进行接合的情况下，Al与氧化银浆料的烧成体的接合性较差，因此需要预先在电路层表面及金属层表面形成Ag基底层。
因此，专利文献4中提出有将电路层及金属层作为Al层与Cu层的层叠结构的功率模块。此时，电路层及金属层的表面配置有Cu层，因此能够使用焊料良好地接合半导体元件和散热器。并且，Cu的变形阻力大于Al，因此该功率模块在负载热循环时，能够抑制电路层表面及金属层表面大幅变形，防止焊料层中产生裂纹，从而可提高半导体元件与电路层及散热器与金属层的接合可靠性。
另外，专利文献4所记载的功率模块中，作为电路层及金属层，使用隔着Ti层将Al层与Cu层进行接合的接合体。在此，在Al层与Ti层之间形成有扩散层，该扩散层从Al层侧依次具有Al-Ti层、Al-Ti-Si层、Al-Ti-Cu层。
专利文献1：日本专利第3171234号公报
专利文献2：日本专利公开2004-172378号公报
专利文献3：日本专利公开2008-208442号公报
专利文献4：日本专利第3012835号公报
但是，专利文献4所记载的功率模块中，电路层及金属层中在Al层与Ti层的接合界面，形成有硬且脆的金属间化合物层即Al-Ti层、Al-Ti-Cu层。因此，存在在负载热循环等时成为裂纹的起点的问题。
而且，在Al层上隔着Ti箔层叠Cu板等，并加热至Al层与Ti箔的界面熔化的温度时，在接合界面产生液相而产生凸起或厚度发生变动，因此存在接合可靠性降低的问题。
在此，如专利文献4所记载，还可以考虑代替专利文献2的镀Ni，隔着Ti箔将Ni板接合于由Al构成的电路层及金属层的表面而形成Ni层。而且，使用专利文献3的氧化银浆料时，还可以考虑隔着Ti箔将Ag板接合于由Al构成的电路层及金属层的表面而形成Ag基底层。
然而，若通过专利文献4中所记载的方法来形成Ni层、Ag层等，则与形成Cu层时同样地、在Al层与Ti层的接合界面形成Al-Ti层、Al-Ti-Ni层、Al-Ti-Ag层等的硬且脆的金属间化合物层或在接合界面产生凸起等，从而有可能接合可靠性降低。
如上所述，以往，无法良好地接合铝部件与由铜、镍、银的任一种构成的金属部件，无法得到接合可靠性优异的接合体。
并且，内部形成有冷却介质的流路等的结构复杂的散热器，有时使用含有较多的Si的铝铸件合金而制造。如专利文献4所记载，在这种散热器与由铜、镍或银构成的金属部件进行了接合的情况下，无法使接合温度充分上升，无法将Ti与Cu进行接合。
发明内容
本发明是鉴于前述情况而完成的，其目的在于提供一种接合体、具有该接合体的自带散热器的功率模块用基板及散热器、该接合体的制造方法、自带散热器的功率模块用基板的制造方法及散热器的制造方法，该接合体为良好地接合由含有较多Si的铝合金构成的铝部件与由铜、镍或银构成的金属部件而成的接合体。
为了解决前述课题，本发明的一方式的接合体为接合由铝合金构成的铝部件与由铜、镍或银构成的金属部件而成，所述铝部件由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成，在所述铝部件与所述金属部件的接合部形成有Ti层，所述铝部件与所述Ti层及所述Ti层与所述金属部件分别被固相扩散接合。
另外，在本发明中，金属部件由铜或铜合金、镍或镍合金或者银或银合金构成。
根据该结构的接合体，在由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成的铝部件与金属部件的接合部形成有Ti层，且所述金属部件与所述Ti层及所述Ti层与所述铝部件分别被固相扩散接合，因此能够通过Ti层抑制铝部件的Al原子与金属部件的金属(Cu、Ni、Ag)原子相互扩散。并且，能够抑制在所述铝部件与所述金属部件的接合部产生液相而形成较厚的硬且脆的金属间化合物层。因此，可获得接合可靠性良好的接合体。
本发明的一方式的自带散热器的功率模块用基板具备绝缘层、形成于该绝缘层的一面的电路层、形成于所述绝缘层的另一面的金属层及接合于该金属层的散热器，其中，所述金属层的与所述散热器的接合面由铜、镍或银构成，所述散热器由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成，在所述金属层与所述散热器的接合部形成有Ti层，所述金属层与所述Ti层及所述Ti层与所述散热器分别被固相扩散接合。
根据该结构的自带散热器的功率模块用基板，在金属层与散热器的接合部形成有Ti层，该金属层与所述散热器的接合面由铜、镍或银构成，所述金属层与所述Ti层及所述Ti层与所述散热器分别被固相扩散接合，因此能够通过Ti层抑制散热器的Al原子与金属层(与所述散热器的接合面)的金属(Cu、Ni、Ag)原子相互扩散。并且，能够抑制在所述散热器与所述金属层的接合部产生液相而形成较厚的硬且脆的金属间化合物层。因此，能够提高散热器与功率模块用基板的接合可靠性。
并且，本发明的一方式的自带散热器的功率模块用基板中，散热器由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成。因此，能够构成具有流路等的结构复杂的散热器，从而可提高散热器的散热特性。
本发明的一方式的散热器具备散热器主体及接合于所述散热器主体的金属部件层，所述金属部件层由铜、镍或银构成，所述散热器主体由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成，在所述散热器主体与所述金属部件层的接合部形成有Ti层，所述散热器主体与所述Ti层及所述Ti层与所述金属部件层分别被固相扩散接合。
根据该结构的散热器，散热器主体由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成，因此能够构成具有流路等的结构复杂的散热器主体。并且，该散热器主体中形成有由铜、镍或银构成的金属部件层，因此能够通过焊接等良好地接合散热器与其他部件。并且，由热传导性比铝合金更佳的金属形成金属部件层的情况下，能够通过金属部件层将热扩散于面方向，并能够大幅提高散热特性。
并且，在散热器主体与金属部件层的接合部形成有Ti层，所述金属部件层与所述Ti层及所述Ti层与所述散热器主体分别被固相扩散接合。因此，能够通过Ti层抑制散热器主体的Al原子与金属部件层的金属(Cu、Ni、Ag)原子相互扩散。并且，能够抑制在散热器主体与金属部件层的接合部产生液相而形成较厚的硬且脆的金属间化合物层。
因此，能够得到散热器主体与金属部件层的接合可靠性良好的散热器。
本发明的一方式的接合体的制造方法为上述接合体的制造方法，该制造方法具备：对成为所述Ti层的Ti材料与所述金属部件进行固相扩散接合的Ti与金属部件接合工序；及对接合有所述Ti材料的金属部件与所述铝部件进行固相扩散接合的铝部件与Ti接合工序。
根据该结构的接合体的制造方法，通过Ti与金属部件接合工序而对成为Ti层的Ti材料与金属部件进行固相扩散接合之后，对接合有所述Ti材料的金属部件与所述铝部件进行固相扩散接合，因此能够比较自由地设定Ti材料与金属部件的接合条件(温度、时间)。并且，能够可靠地对Ti层与金属部件层进行固相扩散接合。而且，铝部件与Ti接合工序中，能够在铝部件不会熔化的低温条件下对Ti层与铝部件进行固相扩散接合。
本发明的一方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法为上述自带散热器的功率模块用基板的制造方法，该制造方法具备：对成为所述Ti层的Ti材料与所述金属层进行固相扩散接合的Ti与金属层接合工序；及对接合有所述Ti材料的金属层与所述散热器进行固相扩散接合的散热器与Ti接合工序。
根据该结构的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，通过Ti与金属层接合工序而对成为Ti层的Ti材料与金属层进行固相扩散接合之后，对接合有所述Ti材料的金属层与所述散热器进行固相扩散接合，因此能够比较自由地设定Ti材料与金属层的接合条件(温度、时间)。并且，能够可靠地对Ti层与金属层进行固相扩散接合。而且，散热器与Ti接合工序中，能够在散热器不熔化的低温条件下对Ti层与散热器进行固相扩散接合。
本发明的一方式的散热器的制造方法为上述散热器的制造方法，该制造方法具备：对成为所述Ti层的Ti材料与所述金属部件层进行固相扩散接合的Ti与金属部件层接合工序；及对接合有所述Ti材料的金属部件层与所述散热器主体进行固相扩散接合的散热器主体与Ti接合工序。
根据该结构的散热器的制造方法，通过Ti与金属部件层接合工序而对成为Ti层的Ti材料与金属部件层进行固相扩散接合之后，对接合有所述Ti材料的金属部件层与所述散热器主体进行固相扩散接合，因此能够比较自由地设定Ti材料与金属部件层的接合条件(温度、时间)。并且，能够可靠地对Ti层与金属部件层进行固相扩散接合。而且，散热器主体与Ti接合工序中，能够在散热器主体不会熔化的低温条件下对Ti层与散热器主体进行固相扩散接合。
根据本发明，能够提供一种接合体、具有该接合体的自带散热器的功率模块用基板及散热器、该接合体的制造方法、自带散热器的功率模块用基板的制造方法及散热器的制造方法，该接合体为良好地接合由含有较多Si的铝合金构成的铝部件与由铜、镍或银构成的金属部件而成的接合体。
附图说明
图1为具备本发明的第一实施方式所涉及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2为图1中的作为金属层的Cu层与第二Ti层的接合界面的放大说明图。
图3为图1中的散热器与第二Ti层的接合界面的放大说明图。
图4为说明第一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流程图。
图5为第一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6为本发明的第二实施方式所涉及的散热器的概略说明图。
图7为图6中的金属部件层与Ti层的接合界面的放大说明图。
图8为图6中的散热器主体与Ti层的接合界面的放大说明图。
图9为说明第二实施方式所涉及的散热器的制造方法的流程图。
图10为第二实施方式所涉及的散热器的制造方法的概略说明图。
图11为本发明的另一实施方式的具备自带散热器的功率模块用基板的功率模块的概略说明图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
图1中示出本发明的第一实施方式的使用自带散热器的功率模块用基板30的功率模块1。
该功率模块1具备自带散热器的功率模块用基板30及在该自带散热器的功率模块用基板30的一面(图1中上表面)隔着焊接层2接合的半导体元件3。
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的散热器31。
功率模块用基板10具备构成绝缘层的陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一面(图1中上表面)的电路层12及配设于陶瓷基板11的另一面的金属层13。
陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，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，本实施方式中，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0.2mm以上且1.5mm以下的范围内，本实施方式中设定在0.635mm。
如图5所示，电路层12在陶瓷基板11的一面，通过接合由铝或铝合金构成的铝板22而形成。本实施方式中，电路层12通过纯度为99质量％以上的铝(2N铝)轧制板(铝板22)接合于陶瓷基板11而形成。另外，成为电路层12的铝板22的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，本实施方式中设定在0.6mm。
如图1所示，金属层13具有配设于陶瓷基板11的另一面的Al层13A及在该Al层13A中与接合有陶瓷基板11的面相反侧的面隔着第一Ti层15而层叠的Cu层13B。
如图5所示，Al层13A在陶瓷基板11的另一面，通过接合由铝或铝合金构成的铝板23A而形成。被接合的铝板23A的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，本实施方式中设定在0.6mm。
Cu层13B通过在Al层13A的另一面，隔着第一Ti层15接合由铜或铜合金构成的铜板23B而形成。优选将所述铜板23B的厚度设定在0.05mm以上且1mm以下的范围内，但并不限定于此。本实施方式中，被接合的铜板23B由无氧铜构成，且厚度设定在0.8mm。
散热器31用于扩散功率模块用基板10侧的热，如图1所示，本实施方式中，设有冷却介质流通的流路32。
该散热器31由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成。具体而言，散热器31由根据JIS H 2118：2006规定的压铸用铝合金即ADC12构成。另外，该ADC12为以1.5～3.5质量％的范围含有Cu、以9.6～12.0质量％的范围含有Si的铝合金。优选将构成所述散热器31的铝合金的Si浓度设定在1质量％以上且13质量％以下的范围内，更优选设定在4质量％以上且13质量％以下的范围内，但并不限定于此。
并且，在散热器31与金属层13(Cu层13B)的接合部形成有第二Ti层35，金属层13(Cu层13B)与第二Ti层35及第二Ti层35与散热器31分别被固相扩散接合。
如图2所示，在金属层13(Cu层13B)与第二Ti层35的接合界面形成有Cu-Ti层36。本实施方式中，该Cu-Ti层36的厚度t1在1μm≤t1≤8μm的范围内。优选将所述Cu-Ti层36的厚度t1设定在2μm≤t1≤6.5μm的范围内，但并不限定于此。
并且，如图3所示，本实施方式中，在散热器31与第二Ti层35的接合界面形成有Si固溶于Al3Ti而成的Al-Ti-Si层37。该Al-Ti-Si层37具备形成于第二Ti层35侧的第一Al-Ti-Si层37A及形成于散热器31侧的第二Al-Ti-Si层37B。
第一Al-Ti-Si层37A与第二Al-Ti-Si层37B由Si固溶于Al3Ti而成的Al-Ti-Si相构成，第二Al-Ti-Si层37B的Si浓度低于第一Al-Ti-Si层37A的Si浓度。第一Al-Ti-Si层37A的Si浓度在10at％以上且30at％以下，第二Al-Ti-Si层37B的Si浓度在0.6at％以上且小于10at％。优选将所述第一Al-Ti-Si层37A的Si浓度设定在15at％以上且25at％以下，第二Al-Ti-Si层37B的Si浓度设定在2at％以上且5at％以下，但并不限定于此。
接着，参考图4及图5，对本实施方式的自带散热器的功率模块用基板30的制造方法进行说明。
(铝板层叠工序S01)
首先，如图5所示，在陶瓷基板11的一面，隔着Al-Si系焊料箔26，层叠成为电路层12的铝板22。
并且，在陶瓷基板11的另一面，隔着Al-Si系焊料箔26，层叠成为Al层13A的铝板23A。另外，本实施方式中，作为Al-Si系焊料箔26，使用厚度15μm的Al-6质量％Si合金箔。
(电路层及Al层形成工序S02)
然后，在加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))于层叠方向的状态下配置于真空加热炉内并进行加热，从而接合铝板22与陶瓷基板11，形成电路层12。并且，接合陶瓷基板11与铝板23A而形成Al层13A。
在此，优选将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上且643℃以下的范围内，保持时间设定在30分钟以上且180分钟以下的范围内。
(Cu层(金属层)形成工序S03及Ti与金属层接合工序S04)
接着，在Al层13A的另一面侧，隔着第一钛箔25，层叠成为Cu层13B的铜板23B。而且，本实施方式中，在铜板23B的另一面侧层叠第二钛箔45。在此，第一钛箔25及第二钛箔45的纯度设定在99质量％以上。并且，第一钛箔25及第二钛箔45的厚度设定在3μm以上且40μm以下，本实施方式中设定在10μm。
然后，在加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))于层叠方向的状态下配置于真空加热炉内并进行加热，从而将Al层13A与第一钛箔25及第一钛箔25与铜板23B进行固相扩散接合，形成由接合体构成的金属层13。而且，将铜板23B(Cu层13B)与第二钛箔45进行固相扩散接合，形成第二Ti层35。
在此，优选将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上且643℃以下的范围内，保持时间设定在30分钟以上且180分钟以下的范围内。优选将上述加热温度设定在630℃以上且643℃以下的范围内，保持时间设定在45分钟以上且120分钟以下的范围内，但并不限定于此。
另外，Al层13A、第一钛箔25、铜板23B及第二钛箔45中被固相扩散接合的各自的接合面的瑕疵被预先去除而变得平滑。
(散热器与Ti接合工序S05)
接着，层叠第二Ti层35与散热器31，在加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))于层叠方向的状态下配置于真空加热炉内并进行加热，从而将第二Ti层35与散热器31进行固相扩散接合。另外，第二Ti层35、散热器31中被固相扩散接合的各自的接合面的瑕疵被预先去除而变得平滑。
在此，优选将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在400℃以上且520℃以下的范围内，保持时间设定在3小时以上且48小时以下的范围内。另外，更优选将上述加热温度设定在480℃以上且520℃以下的范围内，保持时间设定在18小时以上且24小时以下的范围内，但并不限定于此。
通过这种方式，制造本实施方式的自带散热器的功率模块用基板30。
(半导体元件接合工序S06)
接着，在电路层12的一面(表面)，隔着成为焊接层2的焊料而层叠半导体元件3，并在还原炉内进行焊锡接合。
通过上述方式，制造本实施方式的功率模块1。
根据如上所述的结构的本实施方式所涉及的自带散热器的功率模块用基板30，金属层13具有Al层13A及Cu层13B，该Cu层13B成为与散热器31接合的接合面，在金属层13(Cu层13B)与散热器31的接合部形成有第二Ti层35，金属层13(Cu层13B)与第二Ti层35、第二Ti层35与散热器31分别被固相扩散接合，因此能够通过第二Ti层35抑制散热器31中的Al与Cu层13B中的Cu相互扩散，能够防止在接合部形成较厚的硬且脆的金属间化合物。因此，能够在负载热循环时抑制在接合部产生裂纹，并能够提高散热器31与功率模块用基板10的接合可靠性。
并且，本实施方式中，散热器31由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成。具体而言，散热器31由根据JIS H 2118：2006规定的压铸用铝合金即ADC12(Si浓度9.6～12.0质量％)构成。因此，能够构成具有流路32的结构复杂的散热器31，可提高散热性能。
并且，本实施方式中，在将金属层13(Cu层13B)与成为第二Ti层35的第二钛箔45进行固相扩散接合之后，将散热器31与第二Ti层35进行固相扩散接合，因此能够比较自由地设定金属层13(Cu层13B)与第二Ti层35的固相扩散接合条件(温度、时间)，能够可靠地将金属层13(Cu层13B)与第二Ti层35进行固相扩散接合。本实施方式中，在金属层13(Cu层13B)与第二Ti层35的接合界面形成有厚度t1在1μm≤t1≤8μm的范围内的Cu-Ti层36，因此可靠地接合了金属层13(Cu层13B)与第二Ti层35。
并且，能够在低温条件下将散热器31与第二Ti层35进行固相扩散接合，可抑制散热器31熔化。
而且，本实施方式中同时实施Cu层(金属层)形成工序S03与Ti与金属层接合工序S04，因此能够简化制造工序，可降低制造成本。
而且，本实施方式中，在散热器31与金属层13(Cu层13B)的接合部形成有Al-Ti-Si层37，且形成于第二Ti层35侧的第一Al-Ti-Si层37A的Si浓度高于形成于散热器31侧的第二Al-Ti-Si层37B的Si浓度。因此，通过Si浓度较高的第一Al-Ti-Si层37A可抑制Ti原子扩散于散热器31侧，能够使Al-Ti-Si层37的厚度变薄。
并且，形成于散热器31侧的第二Al-Ti-Si层37B所含的Si浓度为0.6at％以上且小于10at％。因此，可抑制Al原子过度扩散于第二Ti层35侧，能够使第二Al-Ti-Si层37B的厚度变薄。而且，形成于第二Ti层35侧的第一Al-Ti-Si层37A所含的Si浓度为10at％以上且30at％以下。因此，可抑制Ti原子过度扩散于散热器31侧，能够使第一Al-Ti-Si层37A的厚度变薄。
并且，进行固相扩散接合时，在被接合的面中存在瑕疵的情况下，有时会在进行固相扩散接合时产生间隙。然而，本实施方式中，Al层13A、第一钛箔25、铜板23B、第二钛箔45及散热器31的被接合的面的瑕疵被预先去除而变得平滑之后，被固相扩散接合，因此能够抑制在各自的接合界面产生间隙而可靠地进行接合。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式的散热器进行说明。图6中示出本发明的第二实施方式所涉及的散热器101。
该散热器101具备散热器主体110及层叠于散热器主体110的一面(图6中上侧)的由铜、镍或银构成的金属部件层118。如图10所示，本实施方式中，金属部件层118通过接合由厚度2mm的无氧铜轧制板构成的金属板128而构成。优选所述金属板128的厚度为0.001mm以上且3mm以下，但并不限定于此。
散热器主体110中设有冷却介质流通的流路111。该散热器主体110，由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成。具体而言，散热器主体110由根据JISH 2118：2006规定的压铸用铝合金即ADC3构成。另外，该ADC3为在9.0～11.0质量％的范围内包括Si、在0.45～0.64质量％的范围内包括Mg的铝合金。优选将构成上述散热器主体110的铝合金的Si浓度设定在4质量％以上且13质量％以下的范围内，但并不限定于此。
在此，在散热器主体110与金属部件层118的接合部形成有Ti层115。
并且，金属部件层118与Ti层115及Ti层115与散热器主体110分别被固相扩散接合。
并且，如图7所示，在金属部件层118与Ti层115的接合界面形成有Cu-Ti层116。本实施方式中，该Cu-Ti层116的厚度t1在1μm≤t1≤8μm的范围内。优选将所述Cu-Ti层116的厚度t1设定在2μm≤t1≤6.5μm的范围内，但并不限定于此。
并且，如图8所示，本实施方式中，在散热器主体110与Ti层115的接合界面形成有Si固溶于Al3Ti而成的Al-Ti-Si层117。该Al-Ti-Si层117具备形成于Ti层115侧的第一Al-Ti-Si层117A、形成于散热器主体110侧的第二Al-Ti-Si层117B。
第一Al-Ti-Si层117A与第二Al-Ti-Si层117B由Si固溶于Al3Ti而成的Al-Ti-Si相构成，第二Al-Ti-Si层117B的Si浓度低于第一Al-Ti-Si层117A的Si浓度。第一Al-Ti-Si层117A的Si浓度在10at％以上且30at％以下，第二Al-Ti-Si层117B的Si浓度在0.6at％以上且小于10at％。优选将所述第一Al-Ti-Si层117A的Si浓度设定在15at％以上且25at％以下，第二Al-Ti-Si层117B的Si浓度设定在2at％以上且5at％以下，但并不限定于此。
接着，参考图9及图10，对本实施方式的散热器101的制造方法进行说明。
(Ti与金属部件层接合工序S101)
首先，如图10所示，层叠成为金属部件层118的金属板128及成为Ti层115的钛箔125，在加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))于层叠方向的状态下配置于真空加热炉内并进行加热，从而将金属板128与钛箔125进行固相扩散接合。另外，金属板128、钛箔125中被固相扩散接合的各自的接合面的瑕疵被预先去除而变得平滑。并且，钛箔125的纯度设定在99质量％以上，钛箔125的厚度设定在3μm以上且40μm以下，本实施方式中设定在10μm。
在此，优选将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上且670℃以下的范围内，保持时间设定在30分钟以上且180分钟以下的范围内。另外，更优选将上述加热温度设定在630℃以上且670℃以下的范围内，保持时间设定在45分钟以上且120分钟以下的范围内，但并不限定于此。
(散热器主体与Ti接合工序S102)
接着，层叠Ti层115与散热器主体110，在加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))于层叠方向的状态下配置于真空加热炉内并进行加热，从而将Ti层115与散热器主体110进行固相扩散接合。另外，Ti层115、散热器主体110中被固相扩散接合的各自的接合面的瑕疵被预先去除而变得平滑。
在此，优选将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在400℃以上且520℃以下的范围内，保持时间设定在3小时以上且48小时以下的范围内。另外，更优选将上述加热温度设定在480℃以上且520℃以下的范围内，保持时间设定在18小时以上且24小时以下的范围内，但并不限定于此。
通过这种方式，制造本实施方式的散热器101。
根据如上结构的本实施方式所涉及的散热器101，通过在散热器主体110的一面接合由无氧铜轧制板构成的金属板128而形成金属部件层118，因此能够通过金属部件层118而将热扩散于面方向，能够大幅提高散热特性。并且，能够利用焊接等良好地接合其他部件与散热器101。
并且，散热器主体110由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成。具体而言，散热器主体110由根据JIS H 2118：2006规定的压铸用铝合金即ADC3(Si浓度9.0～11.0质量％)构成。因此，能够构成具有流路等的结构复杂的散热器主体110。
并且，在散热器主体110与金属部件层118的接合部形成有Ti层115，且金属部件层118与Ti层115及Ti层115与散热器主体110分别被固相扩散接合。因此，能够通过Ti层115抑制散热器主体110的Al原子与金属部件层118的Cu原子相互扩散，能够抑制在散热器主体110与金属部件层118的接合部产生液相而形成较厚的硬且脆的金属间化合物层。因此，能够得到散热器主体110与金属部件层118的接合可靠性良好的散热器101。
并且，本实施方式中，通过Ti与金属部件层接合工序S101而对成为Ti层115的钛箔125与成为金属部件层118的金属板128进行固相扩散接合之后，通过散热器主体与Ti接合工序S102而将Ti层115与散热器主体110进行固相扩散接合。因此，能够比较自由地设定钛箔125与金属板128的接合条件，能够可靠地将Ti层115与金属部件层118进行固相扩散接合。本实施方式中，在金属部件层118与Ti层115的接合界面，形成有厚度t1在1μm≤t1≤8μm的范围内的Cu-Ti层116，因此金属部件层118与Ti层115被可靠地接合。
并且，在散热器主体与Ti接合工序S102中，能够在散热器主体110不会熔化的低温条件下可靠地将Ti层115与散热器主体110进行固相扩散接合。
而且，本实施方式中，在散热器主体110与Ti层115的接合部，形成有Al-Ti-Si层117，且形成于Ti层115侧的第一Al-Ti-Si层117A的Si浓度高于形成于散热器主体110侧的第二Al-Ti-Si层117B的Si浓度。因此，通过Si浓度较高的第一Al-Ti-Si层117A可抑制Ti原子扩散于散热器主体110侧，能够使Al-Ti-Si层117的厚度变薄。
并且，形成于散热器主体110侧的第二Al-Ti-Si层117B所含有的Si浓度在0.6at％以上且小于10at％。因此，可抑制Al原子过度扩散于Ti层115侧，可使第二Al-Ti-Si层117B的厚度变薄。而且，形成于Ti层115侧的第一Al-Ti-Si层117A所含有的Si浓度在10at％以上且30at％以下。因此，可抑制Ti原子过度扩散于散热器主体110侧，能够使第一Al-Ti-Si层117A的厚度变薄。
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的范围内可进行适当的变更。
例如，上述实施方式中，对作为金属部件层将由铜构成的Cu层进行接合的情况进行了说明，但代替Cu层，也可以将由镍或镍合金构成的Ni层或者由银或银合金构成的Ag层进行接合。
在代替Cu层而形成Ni层的情况下，焊锡接合性变得良好，能够提高与其他部件的接合可靠性。而且，通过固相扩散接合而形成Ni层的情况下，不需要在化学镀等中形成镀Ni膜时所进行的遮蔽处理，因此能够降低制造成本。此时，优选将Ni层的厚度设定在1μm以上且30μm以下。在Ni层的厚度小于1μm的情况下，有可能使提高与其他部件的接合可靠性的效果消失，且在大于30μm的情况下，Ni层成为热阻体而有可能无法有效地将热进行传递。并且，在通过固相扩散接合而形成Ni层的情况下，能够以与前述实施方式相同的固相扩散接合条件来形成。更优选将上述Ni层的厚度设定在1μm以上且15μm以下，但并不限定于此。
在代替Cu层而形成Ag层的情况下，在使用例如包含氧化银粒子和由有机物形成的还原剂的氧化银浆料接合其他部件时，氧化银被还原形成的银与Ag层成为同种金属彼此的接合，因此能够提高接合可靠性。而且，形成热传导率良好的Ag层，因此能够将热扩散于面方向而有效地进行传递。此时，优选将Ag层的厚度设定在1μm以上且20μm以下。
在Ag层的厚度小于1μm的情况下，有可能使提高与其他部件的接合可靠性的效果消失，在大于20μm的情况下，无法观察到提高接合可靠性的效果，导致成本增加。并且，通过固相扩散接合而形成Ag层时，能够以与前述实施方式相同的固相扩散接合条件来形成。更优选将上述Ag层的厚度设定在1μm以上且10μm以下，但并不限定于此。
而且，第一实施方式中，将金属层13作为具有Al层13A和Cu层13B的层进行了说明，但并不限定于此，如图11所示，也可以由铜或铜合金构成金属层整体。在该图11所示的自带散热器的功率模块用基板230中，铜板通过DBC法或活性金属钎焊法等而接合于陶瓷基板11的另一面(图11中下侧)，且形成有由铜或铜合金构成的金属层213。并且，该金属层213与Ti层235、Ti层235与散热器31分别被固相扩散接合。另外，在图11所示的功率模块用基板210中，电路层212也通过铜或铜合金构成。
并且，第一实施方式中，对通过接合纯度99质量％的铝板而形成电路层的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由其他铝或铝合金、铜或铜合金等其他金属构成。
并且，也可以将电路层作为Al层与Cu层的两层结构的层。这在图11所示的功率模块用基板中也相同。
并且，第一实施方式中分别进行了电路层及Al层形成工序S02、Cu层(金属层)形成工序S03及Ti与金属层接合工序S04，但并不限于此，也能够同时进行。即，在陶瓷基板的一面隔着Al-Si系焊料箔26而层叠铝板22，在另一面从陶瓷基板侧层叠Al-Si系焊料箔26、铝板23A、第一钛箔25、铜板23B及第二钛箔45，加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))于层叠方向的状态下，将保持时间设为30分钟以上且180分钟以下，并进行加热(600℃以上且643℃以下)，从而能够制造功率模块用基板10。
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。
(实施例1)
准备表1所示的铝板(50mm×50mm×厚度10mm)及金属板(40mm×40mm)。并且，准备纯度99质量％、厚度10μm的钛箔。
本发明例1～8中，将表1的金属板和钛箔以表1所示的条件进行了固相扩散接合。然后，将接合有钛箔的金属板和铝板以表1所示的条件进行了固相扩散接合。
另外，比较例1、2中，同时实施了金属板、钛箔及铝板的接合。并且，本发明例1中使用Al-1.3质量％Si的板作为铝板。关于铝板的Si浓度，将铝板酸解，并通过ICP发射光谱分析法(SII Nano Technology公司制ICP发射光谱分析装置：SPS3100)而求出。
对如此制造的接合体中的金属板与Ti层的接合部进行截面观察，测定了构成金属板的金属元素与Ti的金属间化合物层的厚度。并且，测定了铝板与金属板的接合部的接合率。以下示出评价的具体步骤。
(截面观察及构成金属板的金属元素与Ti的金属间化合物层的厚度的测定)
关于接合体的截面，使用截面抛光机(Cross section polisher)(JEOL Ltd.制SM-09010)，以离子加速电压：5kV、加工时间：14小时、从遮蔽板的突出量：100μm进行了离子蚀刻。接着，关于金属板与Ti层的接合部，通过EPMA(JEOL Ltd.制JXA-8530F)，以倍率2000倍的视场(纵45μm；横60μm)观察5个视场，并进行了Ti的映射。求出金属间化合物层的面积，将该面积除以测定视场的宽度的尺寸而算出厚度，将5个视场的平均作为金属间化合物层的厚度。
在使用由铜构成的金属板的情况下，将Ti浓度为19at％以上且67at％以下的区域作为金属间化合物层。
在使用由镍构成的金属板的情况下，将Ti浓度为25at％以上且67at％以下的区域作为金属间化合物层。
在使用由银构成的金属板的情况下，将Ti浓度为50at％以上且67at％以下的区域作为金属间化合物层。
(接合率评价)
关于接合体的铝板与金属板的接合部的接合率，使用超声波探伤装置(HitachiPower Solutions Co.,ltd.制FineSAT200)进行评价，并根据以下式算出。在此，初始接合面积为接合前应接合的面积，并将其作为铝板的面积(50mm×50mm)。对超声波探伤图像进行了二值化处理的图像中白色部分表示剥离，因此将该白色部分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
将以上的评价结果示于表1。
[表1]
※截面观察：金属板与Ti层的接合界面的截面观察/构成金属板的金属元素与Ti的金属间化合物厚度的评价
比较例1中，同时实施金属板、钛箔及铝板的接合，将接合温度设定在低温。这种比较例1中，金属板与钛箔(Ti层)未充分接合。
比较例2中，同时实施金属板、钛箔及铝板的接合，将接合温度设定在高温。这种比较例2中，铝板的一部分熔化，接合率大幅降低。另外，比较例2中，铝板的一部分熔化，因此无法测定金属间化合物的层的厚度。
相对于此，本发明例1～8中，接合金属板与钛箔(Ti层)之后，接合了Ti层与铝板。这种本发明例1～8中，能够将金属板与钛箔(Ti层)在较高温条件下进行固相扩散接合，能够将金属板与Ti层可靠地进行了接合。并且，能够以铝板不会熔化的低温条件将铝板与Ti层可靠地进行了固相扩散接合。
(实施例2)
准备了表2所示的铝板(50mm×50mm×厚度5mm)及金属板(40mm×40mm)。并且，准备了纯度99质量％、厚度10μm的钛箔。另外，本发明例11及本发明例12中使用Al-1.3质量％Si的板作为铝板。以与实施例1同样的方法求出Si浓度。
本发明例11～17中，将表2的金属板与钛箔以表2所示的条件进行了固相扩散接合。然后，将接合有钛箔的金属板与铝板以表2所示的条件进行了固相扩散接合。
对如此制造的接合体中的金属板与Ti层的接合部进行截面观察，测定了构成金属板的金属元素与Ti的金属间化合物层的厚度。厚度的测定方法与实施例1相同。
并且，以如下方式求出第一Al-Ti-Si层及第二Al-Ti-Si层的Si浓度。
将接合体在层叠方向上进行机械切割，对所得到的截面进行机械研磨直至厚度约30μm为止，将其作为截面试样。然后，将4kV的氩离子从上下(与层叠方向垂直的一面)以4度的角度入射于接合界面附近，通过溅射进行薄片化直至截面试样开孔为止。孔的边缘成为边缘状而成为电子束能够透射的0.1μm左右的厚度，因此根据TEM及EDS测定了该部分。关于TEM及EDS的测定，利用FEI Company.制Titan Chemi STEM(附带EDS检测器)，以加速电压：200kV、光束直径：5nm、倍率：1万倍来进行。
根据TEM及EDS进行测定时，从Ti层侧朝向铝板侧(铝部件侧)进行Si的线分析，将最初出现的Si的峰值作为第一Al-Ti-Si层的Si浓度，将从该峰值距离铝板侧为150nm之处作为第二Al-Ti-Si层的Si浓度。
并且，测定了冷热循环试验后的铝板与金属板的接合部的接合率。关于冷热循环试验，使用ESPEC CORP.制冷热冲击试验机TSB-51，对各接合体以液相(氟系惰性液体(3M公司制Fluorinert))，在-40℃下5分钟及150℃下5分钟作为一个循环，重复了4000次循环。接合率的测定方法与实施例1相同。
[表2]
[表3]
※截面观察：金属板与Ti层的接合界面的截面观察/构成金属板的金属元素与Ti的金属间化合物厚度的评价
第二Al-Ti-Si层的Si浓度在0.6at％～9.8at％的本发明例12～14中，初始接合率及冷热循环后的接合率较高，得到了接合可靠性优异的接合体。
另一方面，第二Al-Ti-Si层的Si浓度为0.2at％的本发明例11中，与本发明例12～14相比，初始接合率稍微降低。
并且，第二Al-Ti-Si层的Si浓度为13.1at％的本发明例17中，由于Si浓度高而接合界面变得较硬，接合可靠性稍微降低。
产业上的可利用性
根据本发明的接合体、自带散热器的功率模块用基板、散热器及其制造方法，能够良好地接合由铝合金构成的铝部件与由铜、镍或银构成的金属部件。因此，本发明的接合体、自带散热器的功率模块用基板及散热器适合于为了控制风力发电、电动汽车及混合动力汽车等而使用的大功率控制用功率半导体元件。
符号说明
10、210-功率模块用基板，11-陶瓷基板，13、213-金属层，13B-Cu层(金属部件)，31-散热器(铝部件)，35-第二Ti层(Ti层)，45-第二钛箔(Ti材料)，101-散热器，110-散热器主体，115-Ti层，118-金属部件层。

Claims (6)

1.一种接合体，其接合由铝合金构成的铝部件与由铜或铜合金、镍或镍合金、或银或银合金构成的金属部件而成，其中，
所述铝部件由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成，
在所述铝部件与所述金属部件的接合部形成有Ti层，所述铝部件与所述Ti层及所述Ti层与所述金属部件分别被固相扩散接合。
2.一种自带散热器的功率模块用基板，其具备绝缘层、形成于该绝缘层的一面的电路层、形成于所述绝缘层的另一面的金属层及接合于该金属层的散热器，其中，
所述金属层的与所述散热器的接合面由铜或铜合金、镍或银构成，
所述散热器由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成，
在所述金属层与所述散热器的接合部形成有Ti层，所述金属层与所述Ti层及所述Ti层与所述散热器分别被固相扩散接合。
3.一种散热器，其具备散热器主体和接合于所述散热器主体的金属部件层，其中，
所述金属部件层由铜或铜合金、镍或镍合金、或银或银合金构成，
所述散热器主体由Si浓度在1质量％以上且25质量％以下的范围内的铝合金构成，
在所述散热器主体与所述金属部件层的接合部形成有Ti层，所述散热器主体与所述Ti层及所述Ti层与所述金属部件层分别被固相扩散接合。
4.一种接合体的制造方法，其为权利要求1所述的接合体的制造方法，该方法具备：
Ti与金属部件接合工序，对成为所述Ti层的Ti材料与所述金属部件进行固相扩散接合；及
铝部件与Ti接合工序，对接合有所述Ti材料的金属部件与所述铝部件进行固相扩散接合。
5.一种自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其为权利要求2所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，该方法具备：
Ti与金属层接合工序，对成为所述Ti层的Ti材料与所述金属层进行固相扩散接合；及
散热器与Ti接合工序，对接合有所述Ti材料的金属层与所述散热器进行固相扩散接合。
6.一种散热器的制造方法，其为权利要求3所述的散热器的制造方法，该方法具备：
Ti与金属部件层接合工序，对成为所述Ti层的Ti材料与所述金属部件层进行固相扩散接合；及
散热器主体与Ti接合工序，对接合有所述Ti材料的金属部件层与所述散热器主体进行固相扩散接合。
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