CN107427954A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

一种接合体的制造方法，所述接合体接合由铜或铜合金构成的铜部件(13B)及由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(31)而成，所述接合体的制造方法的特征在于，在接合前的铝部件中，将与铜部件的接合面的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，且将该铝部件与铜部件进行固相扩散接合。

Description

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
技术领域
本发明涉及一种接合由含有较多的Si的铝合金构成的铝部件及由铜或铜合金构成的铜部件而成的接合体的制造方法、在绝缘层的一面形成有电路层的功率模块用基板中接合有散热器的自带散热器的功率模块用基板的制造方法及在散热器主体上形成有铜部件层的散热器的制造方法。
本申请主张基于2015年3月11日于日本申请的专利申请2015-048151号及2016年2月12日于日本申请的专利申请2016-025164号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
在LED、功率模块等半导体装置中，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。
在为了控制风力发电、电动汽车及混合动力汽车等而使用的大电力控制用的功率半导体元件中，其发热量较多。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，还提供有在陶瓷基板的另一面形成金属层的功率模块用基板。
例如，在专利文献1所示的功率模块中，被设为如下结构：具备功率模块用基板，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；及半导体元件，通过焊料接合于该电路层上。
并且，具备如下结构：在功率模块用基板的下侧接合有散热器，且经由散热器向外部发散从半导体元件传递至功率模块用基板侧的热。
但是，如专利文献1所记载的功率模块，在由Al构成电路层及金属层的情况下，由于在表面形成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，例如如专利文献2所公开，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，在专利文献3中提出有代替焊料而使用包含氧化银粒子及由有机物形成的还原剂的氧化银浆料，从而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之前的过程中镀Ni膜的表面由于氧化等而劣化，有可能与通过焊料进行接合的半导体元件及散热器的接合可靠性降低。在此，若散热器与金属层的接合不够充分，则有可能热阻上升且散热特性降低。并且，在镀Ni工序中，有时进行掩模处理，以免在不需要的区域形成镀Ni层而发生电蚀等问题。如此，在进行掩模处理之后进行镀层处理的情况下，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，在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。在通过进行镀层来形成Ag基底层的情况下，与镀Ni同样地存在需要极大的劳力的问题。
因此，在专利文献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用基板。在该功率模块用基板中，在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。因此，层叠方向的热阻变小，能够将从半导体元件中生成的热有效地传递至散热器侧。
并且，在专利文献5中提出有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，并且这些所述金属层与所述散热器被固相扩散接合而成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中，金属层与散热器被固相扩散接合，因此热阻较小且散热特性优异。
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：日本特开2014-160799号公报
专利文献5：日本特开2014-099596号公报
然而，在内部形成有冷却介质的流路等的结构复杂的散热器中，有时使用含有较多的Si的铸造用铝合金而制造。
在此，确认到如专利文献5所记载，在将由含有较多的Si的铸造用铝合金构成的铝部件与由铜或铜合金构成的铜部件进行固相扩散接合的情况下，在接合界面附近产生多个由于相互扩散的不均衡而产生的柯肯达尔空洞。若这种柯肯达尔空洞存在于功率模块用基板与散热器之间，则存在导致热阻上升且散热特性降低之类的问题。
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即使在将由含有较多的Si的铝合金构成的铝部件及由铜或铜合金构成的铜部件进行固相扩散接合的情况下，也能够抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞的接合体的制造方法、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。
本发明人等进行深入研究的结果，得到了以下见解。明确了由于Si的熔点高于Cu且Si中的Cu的扩散速度较快，因此若Si与Cu接触，则促进Cu的扩散。因此，得到了如下见解，即，若在由含有较多的Si的铝合金构成的铝部件中存在粗大的Si相，则在铝部件与铜部件的接合界面，Si相与铜部件的Cu接触而促进Cu的扩散，从而产生较多柯肯达尔空洞。
本发明是基于上述见解而完成的，本发明的一方式的接合体的制造方法，所述接合体接合由铜或铜合金构成的铜部件及由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而成，所述接合体的制造方法的特征在于，在接合前的所述铝部件中，将与所述铜部件的接合面的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，且将该铝部件与所述铜部件进行固相扩散接合。
根据该结构的接合体的制造方法，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中的与所述铜部件的接合面，将分散于母相中的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，因此与铜部件接触的接合面的Si相被充分微细化，不会促进铜部件中的Cu的扩散，从而能够抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞。
在此，在本发明的接合体的制造方法中，优选层叠所述铝部件与所述铜部件，并沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，从而将所述铝部件与所述铜部件进行固相扩散接合。
在该情况下，由于将所述铝部件及所述铜部件沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，因此能够加快升温速度，并能够在较短时间内进行固相扩散接合。由此，例如即使在大气中进行接合的情况下，接合面的氧化的影响也较小，能够良好地接合所述铝部件与所述铜部件。
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，所述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配置于该金属层的与所述绝缘层相反侧的一面的散热器，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，在所述金属层中与所述散热器的接合面由铜或铜合金构成，在所述散热器中与所述金属层的接合面由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，在接合前的所述散热器中，将与所述金属层的接合面的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，且将该散热器与所述金属层进行固相扩散接合。
根据该结构的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，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散热器中的与由铜或铜合金构成的金属层的接合面中，将分散于母相中的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，因此与金属层接触的接合面的Si相被充分微细化，不会促进金属层中的Cu的扩散，从而能够抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞。由此，能够提供热阻较小且散热性优异的自带散热器的功率模块用基板。
并且，在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，并能够提高散热器的散热特性。
在此，在本发明的自带散热器的功率模块用基板的制造方法中，优选层叠所述散热器与所述金属层，并沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，从而将所述散热器与所述金属层进行固相扩散接合。
在该情况下，由于将所述散热器与所述金属层沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，因此能够加快升温速度，并能够在较短时间内进行固相扩散接合。由此，例如即使在大气中进行接合的情况下，接合面的氧化的影响也较小，能够良好地接合所述散热器与所述金属层。
本发明的一方式的散热器的制造方法，所述散热器具备散热器主体及由铜或铜合金构成的铜部件层，所述散热器的制造方法的特征在于，所述散热器主体中与所述铜部件层的接合面由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，在接合前的所述散热器主体中，将与所述铜部件层的接合面的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，且将该散热器主体与所述铜部件层进行固相扩散接合。
根据该结构的散热器的制造方法，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散热器主体中，在与由铜或铜合金构成的铜部件层的接合面，将分散于母相中的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，因此与铜部件层接触的接合面的Si相被充分微细化，不会促进铜部件层中的Cu的扩散，从而能够抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞。因此，能够提供热阻较小且散热性优异的散热器。
并且，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。而且，在该散热器主体上形成有由铜或铜合金构成的铜部件层，因此能够通过焊锡等良好地接合散热器与其他部件。并且，能够通过铜部件层使热在面方向上扩散，并能够大幅提高散热特性。
在此，在本发明的散热器的制造方法中，优选层叠所述散热器主体与所述铜部件层，并沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，从而将所述散热器主体与所述铜部件层固相扩散接合。
在该情况下，在将所述散热器主体与所述铜部件层沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，因此能够加速升温速度，并能够在较短时间内进行固相扩散接合。由此，例如即使在大气中进行接合的情况下，接合面的氧化影响也较小，能够良好地接合所述散热器主体与所述铜部件层。
根据本发明，能够提供一种即使在将由含有较多的Si的铝合金构成的铝部件与由铜或铜合金构成的铜部件进行固相扩散接合的情况下，也能够抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞的接合体的制造方法、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。
附图说明
图1为具备本发明的第一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2为对第一实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法及具备第一实施方式的自带散热器的功率模块用基板的功率模块的制造方法进行说明的流程图。
图3为第一实施方式的功率模块用基板的制造方法及第一实施方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的概略说明图。
图4为在第一实施方式的功率模块用基板的制造方法中，与接合前的散热器的铜部件的接合面的组织观察照片。
图5为本发明的第二实施方式的散热器的概略说明图。
图6为说明第二实施方式的散热器的制造方法的流程图。
图7为第二实施方式的散热器的制造方法的概略说明图。
图8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。
图9为表示通过通电加热法来进行固相扩散接合的状况的概略说明图。
图10为表示在本发明例2中，测定接合面的Si相的圆当量直径的步骤的说明图。
图11为表示在比较例2中，测定接合面的Si相的圆当量直径的步骤的说明图。
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中示出使用本发明的第一实施方式的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(在图1中为上表面)通过焊接层2而接合的半导体元件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(在图1中为上表面)的电路层12及配设于陶瓷基板11的另一面的金属层13。
如图3所示，电路层12通过由铝或铝合金构成的铝板22接合于陶瓷基板11的一面而形成。在本实施方式中，电路层12通过纯度为99质量％以上的铝(2N铝)的轧制板(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，本实施方式中设定为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及层叠在该Al层13A中的与接合有陶瓷基板11的一面相反侧的面的Cu层13B。
如图3所示，Al层13A通过由铝或铝合金构成的铝板23A接合于陶瓷基板11的另一面而形成。在本实施方式中，Al层13A通过纯度为99质量％以上的铝(2N铝)的轧制板(铝板23A)接合于陶瓷基板11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，本实施方式中设定为0.6mm。
Cu层13B通过由铜或铜合金构成的铜板23B接合于Al层13A的另一面而形成。在本实施方式中，Cu层13B通过接合有无氧铜轧制板(铜板23B)而形成。铜层13B的厚度设定在0.1mm以上且6mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为1mm。
散热器31用于发散功率模块用基板10侧的热，如图1所示，在本实施方式中，设有供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，由根据JIS H 2118：2006规定的模铸用铝合金即ADC12构成。另外，该ADC12为含有1.5～3.5质量％的范围内的Cu、9.6～12.0质量％的范围内的Si的铝合金。优选将上述铝合金的Si浓度设定在10.5质量％以上且12.0质量％以下的范围内，但并不限定于此。
在此，散热器31与金属层13(Cu层13B)被固相扩散接合。
在金属层13(Cu层13B)与散热器31的接合界面形成有金属间化合物层。该金属间化合物层通过散热器31的Al原子与Cu层13B的Cu原子相互扩散而形成。在该金属间化合物层中，具有如下浓度梯度：随着从散热器31朝向Cu层13B，Al原子的浓度逐渐降低且Cu原子的浓度逐渐变高。
金属间化合物层由Cu及Al所成的金属间化合物构成，在本实施方式中，被设为多种金属间化合物沿接合界面层叠的结构。在此，金属间化合物层的厚度设定在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。
并且，在本实施方式中，金属间化合物层被设为3种金属间化合物层叠的结构，且以如下方式构成：从散热器31侧朝向Cu层13B侧，依次沿散热器31与Cu层13B的接合界面而层叠θ相、η2相，并进一步层叠ζ2相、δ相及γ2相中的至少一个相。
并且，在该金属间化合物层与Cu层13B的接合界面，氧化物沿接合界面分散为层状。另外，在本实施方式中，该氧化物设为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。另外，氧化物以被分割的状态分散于金属间化合物层与Cu层13B的界面，且还存在与金属间化合物层与Cu层13B所直接接触的区域。并且，有时氧化物还以层状分散于θ相、η2相或ζ2相、δ相及γ2相中的至少一个相的内部。
接着，参考图2～图4，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3所示，在陶瓷基板11的一面，通过Al-Si系钎料箔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，通过Al-Si系钎料箔26层叠成为Al层13A的铝板23A。另外，在本实施方式中，作为Al-Si系钎料箔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)
并且，在沿层叠方向进行加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))的状态下将其配置在真空加热炉内进行加热，从而接合铝板22与陶瓷基板11而形成电路层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)
接着，在Al层13A的另一面侧，层叠成为Cu层13B的铜板23B。
并且，在沿层叠方向进行加压(压力3～35kgf/cm2(0.29～3.43MPa))的状态下将其配置在真空加热炉内进行加热，从而将Al层13A与铜板23B进行固相扩散接合而形成金属层13。
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548℃以下的范围内，保持时间设定在5分钟以上且240分钟以下的范围内。
另外，Al层13A及铜板23B中待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。
(散热器准备工序S04)
接着，准备待接合的散热器31。此时，如图4所示，准备如下散热器31：在散热器31中的与金属层13(Cu层13B)接合的接合面，分散于母相51中的Si相52的圆当量直径D90在1μm以上且8μm以下的范围内。
在此，在铸造散热器31时，至少调整散热器31的接合面附近的冷却速度，从而能够控制接合面的Si相52的尺寸及形状。在该情况下，例如将铸造时的模具的温度设为230℃以下，优选设为210℃以下。铸造时的模具的温度的下限值可以为170℃，但并不限定于此。
或者，至少熔融散热器31的接合面附近之后，进行快速冷却，从而能够控制接合面的Si相52的尺寸及形状。
(金属层/散热器接合工序S05)
接着，层叠金属层13(Cu层13B)与散热器31，并在沿层叠方向进行加压(压力5～35kgf/cm2(0.49～3.43MPa))的状态下配置在真空加热炉内进行加热，从而将金属层13(Cu层13B)与散热器31进行固相扩散接合。另外，金属层13(Cu层13B)及散热器31中待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0.5小时以上且3小时以下的范围内。
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)，通过焊料层叠半导体元件3，并在还原炉内进行焊接。
通过上述方式，制造本实施方式的功率模块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的制造方法，使用由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散热器31，且具有散热器准备工序S04：准备在与金属层13(Cu层13B)接合的接合面，分散于母相51中的Si相52的圆当量直径D90在1μm以上且8μm以下的范围内的散热器31，因此与金属层13(Cu层13B)接触的接合面的Si相52被充分微细化，在其后的金属层/散热器接合工序S05中不会促进金属层13(Cu层13B)中的Cu的扩散，从而能够抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞。
在此，在分散于母相中的Si相52的圆当量直径D90小于1μm的情况下，通过基于微细地分散的Si相的析出固化而导致散热器31的接合面附近过于固化，因此由于在自带散热器的功率模块用基板30负荷热循环时所产生的热应力而有可能使陶瓷基板11发生破裂。
另一方面，在分散于母相中的Si相52的圆当量直径D90大于8μm的情况下，促进Cu的扩散，有可能无法充分抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞。
因此，在本实施方式中，将接合面的Si相52的圆当量直径D90设定在1μm以上且8μm以下的范围内。
另外，为了可靠地抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞，优选Si相52的圆当量直径D50为5μm以下，进一步优选Si相52的圆当量直径D50为3μm以下且D90为6μm以下。
并且，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，因此能够构成具有流路32的结构复杂的散热器31，并能够提高散热器31的散热特性。
而且，由于抑制了在接合界面产生柯肯达尔空洞，因此能够构成散热器31与金属层13(Cu层13B)的接合强度优异且热阻较少的高性能自带散热器的功率模块用基板30。
而且，在本实施方式中，在固相扩散接合时，接合面存在瑕疵的情况下，有可能在接合界面产生间隙，但在本实施方式中，Cu层13B(铜板23B)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进行固相扩散接合，因此能够抑制在接合界面产生间隙，并能够可靠地进行固相扩散接合。
并且，在本实施方式中，在金属层13(Cu层13B)与散热器31的接合界面形成有由Cu及Al的金属间化合物构成的金属间化合物层，该金属间化合物层被设为多种金属间化合物沿接合界面层叠的结构，因此能够抑制脆弱的金属间化合物大幅生长。并且，金属间化合物层内部的体积变动减小，可抑制内部应变。
而且，在本实施方式中，在Cu层13B与金属间化合物层的接合界面中，沿它们的接合界面分别以层状分散有氧化物，因此形成于散热器31的接合面的氧化膜被切实地破坏，且充分进行了Cu与Al的相互扩散，从而Cu层13B与散热器31可靠地被接合。
(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5中示出本发明的第二实施方式的散热器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(在图5中为上侧)的由铜或铜合金构成的铜部件层118。如图7所示，在本实施方式中，铜部件层118通过接合由无氧铜轧制板构成的铜板128而构成。
在散热器主体110中设有供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，由根据JIS H 2118：2006规定的模铸用铝合金即ADC3构成。另外，该ADC3为包含9.0～11.0质量％的范围内的Si、0.45～0.64质量％的范围内的Mg的铝合金。优选将上述铝合金的Si浓度设定在10.5质量％以上且11.0质量％以下的范围内，但并不限定于此。
在此，散热器主体110与铜部件层118被固相扩散接合。
在散热器主体110与铜部件层118的接合界面形成有金属间化合物层。该金属间化合物层通过散热器主体110的Al原子与铜部件层118的Cu原子相互扩散而形成。在该金属间化合物层中，具有如下浓度梯度：随着从散热器主体110朝向铜部件层118，Al原子的浓度逐渐降低且Cu原子的浓度逐渐变高。
金属间化合物层由Cu及Al所成的金属间化合物构成，在本实施方式中，被设为多种金属间化合物沿接合界面层叠的结构。在此，金属间化合物层的厚度设定在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。
并且，在本实施方式中，金属间化合物层被设为3种金属间化合物层叠的结构，且以如下方式构成：从散热器110侧朝向铜部件层118侧，依次沿散热器110与铜部件层118的接合界面而层叠θ相、η2相，并进一步层叠ζ2相、δ相及γ2相中的至少一个相。
并且，在该金属间化合物层与铜部件层118的接合界面，氧化物沿接合界面分散为层状。另外，在本实施方式中，该氧化物设为氧化铝(Al2O3)等铝氧化物。另外，氧化物以被分割的状态分散于金属间化合物层与铜部件层118的界面，且还存在于金属间化合物层与铜部件层118所直接接触的区域。并且，有时氧化物还以层状分散于θ相、η2相或ζ2相、δ相及γ2相中的至少一个相的内部。
接着，参考图6及图7，对本实施方式的散热器101的制造方法进行说明。
(散热器主体准备工序S101)
首先，准备待接合的散热器主体110。此时，与在第一实施方式中进行说明的散热器31(参考图4)同样地，准备如下散热器110：准备在散热器主体110中与铜部件层118接合的接合面，:将分散于母相中的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内。
在此，在铸造散热器主体110时，至少调整散热器主体110的接合面附近的冷却速度，从而能够控制接合面的Si相的尺寸及形状。在该情况下，例如将铸造时的模具的温度设为230℃以下，优选设为210℃以下。铸造时的模具的温度的下限值可以为170℃，但并不限定于此。
或者，至少熔融散热器主体110的接合面附近之后，进行快速冷却，从而能够控制接合面的Si相的尺寸及形状。
(散热器主体/铜部件层接合工序S102)
接着，如图7所示，层叠散热器主体110与成为铜部件层118的铜板128，并在沿层叠方向进行加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))的状态下配置在真空加热炉内进行加热，从而将铜板128与散热器主体110进行固相扩散接合。另外，铜板128及散热器主体110中待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0.5小时以上且3小时以下的范围内。
通过这种方式，制造本实施方式的散热器101。
根据如上构成的本实施方式的散热器101的制造方法，使用由Si浓度在1质量％以上25质量％以下的范围内的铝合金构成的散热器主体110，且具有准备散热器主体110的散热器主体准备工序S101，其中散热器主体110在与铜部件层118(铜板128)接合的接合面，将分散于母相中的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，因此与铜部件层118(铜板128)接触的接合面的Si相被充分微细化，不会促进铜部件层118(铜板128)中的Cu的扩散，从而能够抑制在接合界面产生柯肯达尔空洞。
并且，在本实施方式中，通过在散热器主体110的一面接合由无氧铜轧制板构成的铜板128而形成铜部件层118，因此能够通过铜部件层118使热在面方向上扩散，并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，由根据JIS H 2118：2006规定的模铸用铝合金即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，在本实施方式中，铜部件层118与散热器主体110的接合界面和第一实施方式中的Cu层13B与散热器31的接合界面被设为相同的结构，因此能够发挥与第一实施方式相同的作用效果。
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，在不脱离该发明的技术思想的范围内可进行适当的变更。
例如，在第一实施方式中，将金属层13作为具有Al层13A及Cu层13B的金属层而进行了说明，但并不限定于此，如图8所示，也可以由铜或铜合金构成金属层整体。在该图8所示的自带散热器的功率模块用基板230中，在陶瓷基板11的另一面(图8中为下侧)通过DBC法或活性金属钎焊法等接合有铜板，并形成有由铜或铜合金构成的金属层213。并且，该金属层213与散热器31被固相扩散接合。另外，在图8所示的功率模块用基板210中，电路层212也通过铜或铜合金而构成。
并且，在第一实施方式中，将电路层作为通过接合纯度99质量％以上的铝板来形成的电路层而进行了说明，但并不限定于此，也可以由纯度99.99质量％以上(4N-Al)或其他铝或铝合金、铜或铜合金等其他金属构成。并且，也可以将电路层设为Al层与Cu层的两层结构。这在图8所示的自带散热器的功率模块用基板中也相同。
并且，在第一实施方式的金属层/散热器接合工序S05中，设为层叠金属层13(Cu层13B)与散热器31，并在沿层叠方向进行加压的状态下配置在真空加热炉内进行加热的结构，在第二实施方式的散热器主体/铜部件层接合工序S102中，设为层叠散热器主体110与成为铜部件层118的铜板128，并在沿层叠方向进行加压(压力5～35kgf/cm2)的状态下配置在真空加热炉内进行加热的结构来进行了说明，但并不限定于此，如图9所示，也可以在将铝部件301(散热器31、散热器主体110)与铜部件302(金属层13、铜部件层118)进行固相扩散接合时适用通电加热法。
如图9所示，在进行通电加热时，层叠铝部件301与铜部件302，并将这些层叠体经由碳板311、311并通过一对电极312、312沿层叠方向进行加压，并且对铝部件301及铜部件302进行通电。于是，通过焦耳热而碳板311、311及铝部件301与铜部件302被加热，从而铝部件301与铜部件302被固相扩散接合。
在上述通电加热法中，铝部件301及铜部件302直接被通电加热，由此能够将升温速度设为例如30～100℃/min的较快的速度，从而能够在短时间内进行固相扩散接合。由此，接合面的氧化影响较小，例如即使在大气气氛下也能够进行接合。并且，根据铝部件301及铜部件302的电阻值或比热，也能够在这些铝部件301及铜部件302中产生温度差的状态下进行接合，还能够减小热膨胀差，实现热应力的降低。
在此，在上述通电加热法中，优选将基于一对电极312、312的加压载荷设为30kgf/cm2以上且100kgf/cm2以下(2.94MPa以上且9.8MPa以下)的范围内。
并且，在适用通电加热法的情况下，优选将铝部件301及铜部件302的表面粗糙度以算数平均粗糙度Ra计设为0.3μm以上且0.6μm以下，或以最大高度Rz计设为1.3μm以上且2.3μm以下的范围内。在通常的固相扩散接合中，优选接合面的表面粗糙度较小，但在通电加热法的情况下，若接合面的表面粗糙度过小，则界面接触电阻降低，难以局部加热接合界面，因此优选设为上述范围内。
另外，在第一实施方式的金属层/散热器接合工序S05中也能够利用上述通电加热法，但在该情况下，由于陶瓷基板11为绝缘体，因此需要通过例如由碳构成的夹具等来使碳板311、311短路。接合条件与上述铝部件301与铜部件302的接合相同。
并且，对于金属层13(Cu层13B)与散热器31的表面粗糙度，也与上述铝部件301及铜部件302的情况相同。
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。
(试验片的制作)
在表1所示的铝板(10mm×10mm、厚度3mm)的一面，通过上述实施方式中所记载的方法，将由无氧铜构成的铜板(2mm×2mm、厚度0.3mm)进行了固相扩散接合。
在本发明例1～7及比较例1、2中，将铝板与铜板沿层叠方向以15kgf/cm2(1.47MPa)的载荷进行按压，并在真空加热炉内以500℃下120min的条件实施了固相扩散接合。
在本发明例8～11中，将铝板与铜板通过图9所示的通电加热法进行了固相扩散接合。另外，在电极中，将加压载荷设为15kgf/cm2(1.47MPa)，加热温度(铜板温度)设为510℃，在加热温度下的保持时间设为5min，升温速度设为80℃/min。并且，将接合气氛设为大气气氛。
(接合面的Si相的粒径)
在进行接合之前，进行铝板的接合面的组织观察，并以如下方式测定了分散于母相中的Si相的D90及D50。另外，图10表示本发明例2的测定例，图11表示比较例2的测定例。
首先，利用EPMA(JEOL Ltd.制JXA―8530F)，在视场360μm×360μm、加速电压15kV、Si等高级别(コンターレベル)0～1000的条件下，实施Si的面分析，得到了图10的(a)及图11的(a)所示的Si分布图像。
将所得到的Si分布图像转换成8比特灰度，得到了如图10的(b)及图11的(b)所示的Si分布图像。
接着，根据Kapur-Sahoo-Wong(Maximum Entropy)thresholding mrthod(参考Kapur，JN；Sahoo，PK；Wong，ACK(1985)、“Anew Methodfor Gray-Level PictureThresholding Using the Entropy of the Histogram”，Graphical Model sand ImageProcessing 29(3)：273-285)，如图10的(c)及图11的(c)所示，对Si分布图像进行了二值化。
接着，如图10的(d)及图11的(d)所示，从进行二值化的图像中提取了Si相的轮廓。
根据提取的Si相的轮廓的图像，根据轮廓内的面积(像素数)计算出了圆当量直径(直径)。
并且，求出了所计算的圆当量直径D90及D50。将测定结果示于表1。
(剪切测试)
使用该试验片，实施了剪切测试。另外，根据国际电工委员会标准IEC 60749-19实施了该剪切测试。将剪切测试的n数设为30。在剪切强度的威布尔图表中，将剪切强度成为100MPa的累积失效率作为破损率。另外，根据中位秩计算了累积失效率。将评价结果示于表1。
(陶瓷破裂的评价)
并且，将表1所示的铝板作为散热器，制作了在第一实施方式中进行说明的结构的自带散热器的功率模块用基板。自带散热器的功率模块用基板的结构为如下。另外，将层叠方向的载荷设为15kgf/cm2(1.47MPa)，并在真空加热炉内以500℃下120min的条件实施了金属层(Cu层)与散热器的固相扩散接合。
陶瓷基板：AlN、40mm×40mm、厚度0.635mm
电路层：4N铝、37mm×37mm、厚度0.6mm
金属层(Al层)：4N铝、37mm×37mm、厚度0.9mm
金属层(Cu层)：无氧铜、37mm×37mm、厚度0.3mm
散热器：表1所记载的铝合金、50mm×50mm、厚度5mm
在所得到的自带散热器的功率模块用基板中，使用冷热冲击试验机(ESPEC CORP.制TSB-51)，在液相(惰性液Fluorinert)中负荷2500次以-40℃下5分钟、以150℃下5分钟的冷热循环，并利用超声波探伤装置评价了有无陶瓷基板的破裂。将评价结果示于表1。
[表1]
在铝板(散热器)的接合面的Si相的D90小于本发明的范围的比较例1中，在陶瓷基板中发生了破裂。推测是由于大量分散有微细的Si粒子而铝板(散热器)固化过度。
在铝板(散热器)的接合面的Si相的D90大于本发明的范围的比较例2中，基于剪切测试的失效率变得非常高。推测是在接合界面产生了较多柯肯达尔空洞。
相对于此，在铝板(散热器)的接合面的Si相的D90在本发明的范围内的本发明例1～11中，破损率较低，且也没有确认到陶瓷破裂。并且，在Si浓度为23.9质量％的本发明例6及Si浓度为1.0质量％的本发明例7中，也为相同的结果。并且，在适用了通电加热法的本发明例8～11中，即使在大气中进行接合，也良好地接合了铝板与铜板。
通过以上内容，根据本发明例，确认到能够制造良好地接合有由含有较多的Si的铝合金构成的铝部件与由铜或铜合金构成的铜部件的接合体。
产业上的可利用性
根据本发明的接合体的制造方法，能够抑制在铝部件与铜部件的接合界面产生柯肯达尔空洞。并且，根据本发明的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，能够提供一种热阻较少，且散热性优异的自带散热器的功率模块用基板。
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(铜部件)，30、230-自带散热器的功率模块用基板，31-散热器(铝部件)，52-Si相，101-散热器，110-散热器主体，118-铜部件层。

Claims (6)

1.一种接合体的制造方法，所述接合体接合由铜或铜合金构成的铜部件及由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而成，所述接合体的制造方法的特征在于，
在接合前的所述铝部件中，将与所述铜部件的接合面的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，
且将该铝部件与所述铜部件进行固相扩散接合。
2.根据权利要求1所述的接合体的制造方法，其特征在于，
层叠所述铝部件与所述铜部件，并沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，从而将所述铝部件与所述铜部件进行固相扩散接合。
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配置于该金属层的与所述绝缘层相反侧的一面的散热器，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，
在所述金属层中的与所述散热器的接合面由铜或铜合金构成，
在所述散热器中的与所述金属层的接合面由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，
在接合前的所述散热器中，将与所述金属层的接合面的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，
且将该散热器与所述金属层进行固相扩散接合。
4.根据权利要求3所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
层叠所述散热器与所述金属层，并沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，从而将所述散热器与所述金属层进行固相扩散接合。
5.一种散热器的制造方法，所述散热器具备散热器主体及由铜或铜合金构成的铜部件层，所述散热器的制造方法的特征在于，
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，
在接合前的所述散热器主体中，将与所述铜部件层的接合面的Si相的圆当量直径D90设为1μm以上且8μm以下的范围内，
且将该散热器主体与所述铜部件层进行固相扩散接合。
6.根据权利要求5所述的散热器的制造方法，其特征在于，
层叠所述散热器主体与所述铜部件层，并沿层叠方向进行加压的同时进行通电加热，从而将所述散热器主体与所述铜部件层进行固相扩散接合。
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