CN107431051A - 带有散热片的功率模块用基板的制造方法 - Google Patents

带有散热片的功率模块用基板的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明中构成金属层的接合面的铝材料及构成散热片的接合面的铝材料中的任一方为铝纯度高的高纯度铝材料，另一方为铝纯度低的低纯度铝材料，将所述高纯度铝材料与所述低纯度铝材料的Al以外的含有元素的浓度差设为1原子％以上，并将金属层与散热片进行固相扩散接合。

Description

带有散热片的功率模块用基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种带有散热片的功率模块用基板的制造方法，该带有散热片的功率模块用基板具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个面的电路层、形成于所述绝缘层的另一个面的金属层及被配置于该金属层的与所述绝缘层相反侧的面的散热片。
本申请主张基于2015年3月30日在日本申请的专利申请2015-069860号的优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
一般而言，为了控制风力发电、电动汽车、混合动力汽车等而使用的大电力控制用功率半导体元件其发热量较多。因此，以往作为搭载这种功率半导体元件的基板，广泛使用例如具备由AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝)等所构成的陶瓷基板、形成于该陶瓷基板的一个面的电路层及形成于陶瓷基板的另一个面的金属层的功率模块用基板。
并且，为了有效地扩散由所搭载的半导体元件等产生的热，而提供将散热片接合于金属层侧的带有散热片的功率模块用基板。
例如，在专利文献1中公开有一种带有散热片的功率模块用基板，该功率模块用基板的电路层及金属层由铝或铝合金所构成，并且散热片由铝或铝合金所构成，通过软钎焊或硬钎焊将金属层与散热片接合。
并且，在专利文献2中公开有一种带有散热片的功率模块用基板，其在陶瓷基板的一个面及另一个面形成有由铝所构成的电路层及金属层，在金属层与散热片之间配置有铜板，金属层与铜板、铜板与散热片分别被焊接。
而且，在专利文献3中公开有一种带有散热片的功率模块用基板，其中功率模块用基板的电路层及金属层由铝或铝合金所构成，并且散热片由铝或铝合金所构成，使由铜或铜合金所构成的接合材料介于金属层与散热片之间，将金属层与接合材料及接合材料与散热片分别进行固相扩散接合而成。
专利文献1：日本特开2008-016813号公报
专利文献2：日本特开2007-250638号公报
专利文献3：日本特开2014-060215号公报
然而，最近功率半导体元件等的高输出功率化得到发展，而变得对搭载该半导体元件的带有散热片的功率模块用基板负载严峻的热循环，从而比以往更加要求对于热循环的接合可靠性优异的带有散热片的功率模块用基板。
在此，在专利文献1所记载的带有散热片的功率模块用基板中，在将金属层与散热片进行软钎焊的情况下，存在在热循环负载时、在焊锡处产生裂纹而接合率降低的问题。
并且，在将金属层与散热片进行硬钎焊的情况下，有可能在热循环负载时，在陶瓷基板产生破裂。
而且，在内部形成有冷却介质的流路等的复杂的结构的散热片中，有时通过固相线温度较低的铝铸件合金来制造，但在这种散热片中，很难使用硬钎焊材料来进行接合。
并且，在专利文献2所记载的带有散热片的功率模块用基板中，金属层与铜板、铜板与散热片分别进行焊接，因此仍旧存在在热循环负载时，在焊锡处产生裂纹而接合率降低的问题。
而且，示于专利文献3的带有散热片的功率模块用基板中，使由铜或铜合金所构成的接合材料介于金属层与散热片之间，将金属层与接合材料及接合材料与散热片分别进行固相扩散接合，而在金属层与散热片的接合界面形成金属间化合物。该金属间化合物硬且脆，因此有可能在热循环负载时产生龟裂等。
发明内容
本发明是鉴于所述情况而完成的，其目的在于提供一种可制造带有散热片的功率模块用基板的带有散热片的功率模块用基板的制造方法，该带有散热片的功率模块用基板即使在负载热循环的情况下也能够抑制在接合界面处产生裂纹等。
为了解决这种课题而实现所述目的，本发明的一方式的带有散热片的功率模块用基板的制造方法中，所述带有散热片的功率模块用基板具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个面的电路层、形成于所述绝缘层的另一个面的金属层及被配置于该金属层的与所述绝缘层相反侧的面的散热片，所述制造方法的特征在于，所述金属层中与所述散热片的接合面及所述散热片中与所述金属层的接合面由铝或铝合金所成的铝材料所构成，构成所述金属层的接合面的铝材料及构成所述散热片的接合面的铝材料中的任一方为铝纯度高的高纯度铝材料，另一方为铝纯度低的低纯度铝材料，将所述高纯度铝材料与所述低纯度铝材料的Al以外的含有元素的浓度差设为1原子％以上，将所述金属层与所述散热片进行固相扩散接合。
在该结构的带有散热片功率模块用基板的制造方法中，所述金属层中与所述散热片的接合面及所述散热片中与所述金属层的接合面由铝或铝合金所成的铝材料所构成，将这些金属层与散热片进行固相扩散接合。通常，在使铝材料彼此进行固相扩散的情况下，铝的自我扩散速度缓慢，因此为了得到牢固的固相扩散接合则需要较长的时间，而未能在工业上实现。
在此，在本发明中，构成所述金属层的接合面的铝材料及构成所述散热片的接合面的铝材料中的任一方设为铝纯度高的高纯度铝材料，另一方设为铝纯度低的低纯度铝材料，将所述高纯度铝材料与所述低纯度铝材料的Al以外的含有元素的浓度差设为1原子％以上，因此通过Al以外的含有元素从所述低纯度铝材料侧朝所述高纯度铝材料侧扩散，从而促进铝的自我扩散，能够在较短时间内将金属层与散热片可靠地进行固相扩散接合。
并且，散热片与金属层如此被固相扩散接合，因此即使在负载热循环的情况下，也不会在接合界面处产生龟裂等，而能够得到对于热循环的接合可靠性优异的带有散热片的功率模块用基板。
在本发明的一方式的带有散热片的功率模块用基板的制造方法中，优选所述高纯度铝材料与所述低纯度铝材料含有选自Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中的1种或2种以上元素作为Al以外的含有元素，且所述高纯度铝材料中的所述Al以外的含有元素的总量与所述低纯度铝材料中的所述Al以外的含有元素的总量的差为1原子％以上。
在该情况下，Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr这些元素促进铝的自我扩散的作用效果优异，因此能够将均由铝材料所构成的金属层与散热片在短时间内可靠地进行固相扩散接合。
并且，在本发明的一方式的带有散热片的功率模块用基板的制造方法中，优选所述低纯度铝材料总计含有1原子％以上的选自Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中的1种或2种以上元素，并且Si的含量为15原子％以下、Cu的含量为10原子％以下、Mn的含量为2原子％以下、Fe的含量为1原子％以下、Mg的含量为5原子％以下、Zn的含量为10原子％以下、Ti的含量为1原子％以下及Cr的含量为1原子％以下。
在该情况下，纯度低的低纯度铝材料总计含有1原子％以上的选自Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中的1种或2种以上元素，因此通过使这些元素朝向高纯度铝材料侧扩散，而促进铝的自我扩散，能够在较短时间内将金属层与散热片可靠地进行固相扩散接合。
另一方面，由于被限制成Si的含量为15原子％以下、Cu的含量为10原子％以下、Mn的含量为2原子％以下、Fe的含量为1原子％以下、Mg的含量为5原子％以下、Zn的含量为10原子％以下、Ti的含量为1原子％以下及Cr的含量为1原子％以下，因此通过这些元素能够抑制接合界面过度变硬，而能够可靠地制造对于热循环的接合可靠性优异的带有散热片的功率模块用基板。
而且，在本发明的一方式的带有散热片的功率模块用基板的制造方法中，优选设为下述过程：将所述金属层与所述散热片进行层叠，以在层叠方向负载0.3MPa以上且3.0MPa以下的荷载的状态，在低纯度铝材料的固相线温度(K)的90％以上且低于低纯度铝材料的固相线温度的保持温度下保持1小时以上，由此将所述金属层与所述散热片进行固相扩散接合。
在该情况下，采用以在层叠方向负载0.3MPa以上且3.0MPa以下的荷载的状态，在低纯度铝材料的固相线温度(K)的90％以上且低于低纯度铝材料的固相线温度的保持温度下保持1小时以上的固相扩散接合条件，因此能够促进铝的扩散移动，而能够将所述金属层与所述散热片可靠地接合。
根据本发明，可提供一种能够制造带有散热片的功率模块用基板的带有散热片的功率模块用基板的制造方法，该带有散热片的功率模块用基板即使在负载热循环的情况下也能够抑制在接合界面处产生裂纹等。
附图说明
图1为本发明的实施方式所涉及的带有散热片的功率模块用基板及功率模块的示意说明图。
图2为表示带有散热片的功率模块用基板的金属层与散热片的接合界面的观察结果及分析结果的图。
图3为表示本发明的实施方式的带有散热片的功率模块用基板及功率模块的制造方法的流程图。
图4为表示本发明的实施方式的带有散热片的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图5为本发明的另一实施方式的带有散热片的功率模块用基板及功率模块的示意说明图。
图6为本发明的又一实施方式的带有散热片的功率模块用基板及功率模块的示意说明图。
具体实施方式
以下，针对本发明的实施方式，参照附图来进行说明。
图1为表示本发明的一实施方式的带有散热片的功率模块用基板30及功率模块1。
该功率模块1具备带有散热片的功率模块用基板30及通过焊锡层2被接合于该带有散热片的功率模块用基板30的一个面(在图1中为上表面)的半导体元件3。
在此，焊锡层2为例如Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊锡材料。
并且，本实施方式的带有散热片的功率模块用基板30具备功率模块用基板10及被接合于功率模块用基板10的散热片31。
功率模块用基板10具备陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一个面(在图1中为上表面)的电路层12及配设于陶瓷基板11的另一个面(在图1中为下表面)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，且在本实施方式中由绝缘性高的AlN(氮化铝)所构成。在此，陶瓷基板11的厚度设定在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4所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一个面接合由铝或铝合金所构成的铝板22而形成。在本实施方式中，作为构成电路层12的铝板22使用了纯度99质量％以上的2N铝的轧制板。在该电路层12形成有电路图案，且其中一个面(在图1中为上表面)为搭载半导体元件3的搭载面。在此，电路层12(铝板22)的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.6mm。
如图4所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一个面接合由铝或铝合金所构成的铝板23而形成。在本实施方式中，作为构成金属层13的铝板23使用了纯度99.99质量％以上的4N铝的轧制板。在此，金属层13(铝板23)的厚度设定在0.1mm以上且6.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为2.0mm。
散热片31用于将功率模块用基板10侧的热进行扩散，在本实施方式中如图1所示，设置有供冷却介质流通的流路32。
该散热片31由下述材料构成：该材料使构成金属层13的铝(在本实施方式中为纯度99.99质量％以上的4N铝)与构成散热片31的铝合金的Al以外的含有元素的浓度差成为1原子％以上。
更优选选自Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中的1种或2种以上元素作为Al以外的含有元素。
进一步优选作为Al以外的含有元素含有总计1原子％以上的选自Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中的1种或2种以上元素，并且Si的含量为15原子％以下、Cu的含量为10原子％以下、Mn的含量为2原子％以下、Fe的含量为1原子％以下、Mg的含量为5原子％以下、Zn的含量为10原子％以下、Ti的含量为1原子％以下及Cr的含量为1原子％以下。
在本实施方式中，散热片31由根据JIS H 2118：2006所规定的模铸用铝合金即ADC12所构成。另外，该ADC12为包含1.5质量％以上且3.5质量％以下的范围的Cu、9.6质量％以上且12.0质量％以下的范围的Si的铝合金。
并且，在本实施方式的带有散热片的功率模块用基板30中，金属层13与散热片31通过固相扩散接合而接合。即，在本实施方式中，金属层13由纯度99.99质量％以上的4N铝所构成，并且散热片31由模铸用铝合金即ADC12所构成，因此在这些金属层13与散热片31中，铝的纯度不同，金属层13由高纯度铝材料所构成，散热片31由低纯度铝材料所构成。
在此，将对于金属层13与散热片31的接合界面使用Japan Electron OpticsLaboratory制JXA-8530F，并基于SEM、EPMA的映射图像的观察结果示于图2的(a)～(c)。由图2的(a)～(c)确认到在散热片31中所包含的添加元素(Cu，Si)扩散至金属层13侧。另外，关于从接合界面往金属层13侧的扩散深度，Cu为10μm以上，Si为45μm以上。另外，也可以是Cu为25μm以上，Si为45μm以上。
接着，针对上述本实施方式的带有散热片的功率模块用基板30的制造方法，参照图3及图4进行说明。
(铝板接合工序S01)
首先，如图4所示，将成为电路层12的铝板22及成为金属层13的铝板23与陶瓷基板11进行接合。在本实施方式中，将由2N铝的轧制板所构成的铝板22及由4N铝的轧制板所构成的铝板23与由AlN所构成的陶瓷基板11分别通过Al-Si系钎料24进行接合。
在该铝板接合工序S01中，首先，在陶瓷基板11的一个面与另一个面，分别通过Al-Si系钎料24来层叠铝板22、铝板23(铝板层叠工序S11)。
接着，将层叠后的陶瓷基板11、铝板22及铝板23以在层叠方向负载0.1MPa以上且3.5MPa以下的荷载的状态装入真空或氩气氛的加热炉内，在600℃以上且650℃以下保持0.5小时以上且3小时以下，由此在陶瓷基板11与铝板22、铝板23之间形成熔融金属区域(加热工序S12)。
然后，通过进行冷却而使熔融金属区域凝固(凝固工序S13)。以这种方式，将铝板22、陶瓷基板11及铝板23进行接合，而形成电路层12及金属层13。由此，制造本实施方式的功率模块用基板10。
(散热片接合工序S02)
接着，在功率模块用基板10的金属层13的另一个面(与陶瓷基板11的接合面相反侧的面)接合散热片31。
在该散热片接合工序S02中，首先，如图4所示，在功率模块用基板10的另一个面侧层叠散热片31(散热片层叠工序S21)。
将该功率模块用基板10与散热片31的层叠体以在层叠方向负载0.3Pa以上且3.0MPa以下的荷载的状态装入真空加热炉之中。
接着，在低纯度铝材料的固相线温度(K)的90％以上且低于低纯度铝材料的固相线温度的温度下保持1小时以上来进行固相扩散接合(固相扩散接合工序S22)。另外，低纯度铝材料的固相线温度(K)的90％是指以绝对温度表示低纯度铝的固相线温度时的90％的温度。在本实施方式中，ADC12为低纯度铝材料，其固相线温度为788K(515℃)。从而，加热温度为固相线温度的90％即709.2K(436.2℃)以上，且低于固相线温度即低于788K(515℃)。
在本实施方式中，金属层13与散热片31的接合面在预先去除该面的损伤而变平滑之后，进行固相扩散接合。另外，此时的金属层13及散热片31的各自的接合面的表面粗糙度被设定在以算术平均粗糙度Ra(JIS B 0601(1994))计为0.5μm以下的范围内。
以这种方式，制造本实施方式的带有散热片的功率模块用基板30。
(半导体元件接合工序S03)
接着，在功率模块用基板10的电路层12的一个面通过焊接而接合半导体元件3。
通过以上工序，而制造出图1所示的功率模块1。
根据设为如上过程的本实施方式的带有散热片的功率模块用基板30的制造方法，构成金属层13的铝材料为纯度99.99质量％以上的4N铝，构成散热片31的铝材料由ADC12(Cu：1.5质量％以上且3.5质量％以下，Si：9.6质量％以上且12.0质量％以下)所构成，因此在固相扩散接合时，散热片31的Cu及Si会朝金属层13侧扩散，而促进铝的自我扩散。由此，能够在较短时间内将金属层与散热片可靠地进行固相扩散接合。
接着，在本实施方式中，均由铝材料所构成的金属层13与散热片31被固相扩散接合，因此如图2所示，在散热片31与金属层13的接合界面并未形成异相。
从而，即使在负载热循环的情况下，也不会在接合界面处产生龟裂，而能够制造对于热循环的接合可靠性优异的带有散热片的功率模块用基板30。
并且，在本实施方式中，构成散热片31的铝材料由ADC12(Cu：1.5质量％以上且3.5质量％以下，Si：9.6质量％以上且12.0质量％以下)所构成，这些Cu及Si促进铝的自我扩散的作用效果优异，因此，可将均由铝材料所构成的金属层13与散热片31在短时间内可靠地进行固相扩散接合。
而且，在构成散热片31的铝材料中，Si的含量为12.0质量％以下(11.6原子％以下(换算值))，Cu的含量为3.5质量％以下(1.5原子％以下(换算值))，因此通过这些元素而能够抑制接合界面过度变硬，而能够可靠地制造对于热循环的接合可靠性优异的带有散热片的功率模块用基板。
并且，将金属层13与散热片31进行层叠，以在层叠方向负载0.3MPa以上且3.0MPa以下的荷载的状态，在低纯度铝材料的固相线温度(K)的90％以上且低于低纯度铝材料的固相线温度的保持温度下保持1小时以上，由此将金属层13与散热片31进行固相扩散接合，因此能够促进铝的扩散移动，而能够将金属层13与散热片31可靠地接合。
在荷载为0.3MPa以上的情况下，接合初期的接触面积被充分确保，而能够将金属层13与散热片31良好地接合。并且，在荷载为3.0MPa以下的情况下，能够抑制在金属层13和散热片31产生变形。
在保持温度为低纯度铝材料的固相线温度(K)的90％以上的情况下，能够确保充分的扩散速度，而能够将金属层13与散热片31良好地接合。在保持温度低于低纯度铝材料的固相线温度的情况下，无液相产生，并且，能够抑制在金属层13和散热片31产生变形，因此可将金属层13与散热片31可靠地进行固相扩散接合。
在保持时间为1小时以上的情况下，能够充分进行固相扩散，而能够将金属层13与散热片31良好地接合。
而且，在本实施方式中，将接合前的金属层13及散热片31的接合面的损伤去除，并且将其表面粗糙度设定在以算术平均粗糙度Ra(JIS B 0601(1994))计为0.5μm以下的范围内，因此使金属层13与散热片31可靠地接触，而能够促进铝原子及散热片31的添加元素(Cu，Si)的扩散移动，从而能够将金属层13与散热片31可靠地接合。
以上，虽针对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离其发明技术思想的范围内可适当变更。
例如，金属层及散热片的材质并不限定于本实施方式，只要构成金属层的接合面的铝材料及构成散热片的接合面的铝材料中的任一方为铝纯度高的高纯度铝材料，另一方为铝纯度低的低纯度铝材料，将高纯度铝材料与低纯度铝材料的Al以外的含有元素的浓度差设为1原子％以上即可。
具体而言，在本实施方式中，虽将金属层作为由纯度99.99质量％的4N铝所构成的金属层来进行了说明，但并不限定于此，也可以是由其他纯铝或铝合金所构成的金属层。例如，也可以使用A1050或A1085等纯度99质量％以上的2N铝。在该情况下，金属层初期的杂质浓度较高，因此接合温度中的晶粒成长被抑制，而能够期待晶界扩散，因此，可促进来自散热片侧的含有元素的扩散移动。
而且，在本实施方式中，虽将散热片作为由ADC12所构成的散热片来进行了说明，但并不限定于此，也可以是由其他纯铝或A3003或A6063等铝合金所构成的散热片。
并且，也可以是散热片侧为高纯度铝材料，金属层侧由低纯度铝材料所构成。
并且，在本实施方式中，虽以金属层全体由铝或铝合金所构成的金属层来进行了说明，但并不限定于此，例如如图5所示，只要金属层中与散热片的接合面由铝或铝合金所构成即可。在该图5所示的带有散热片的功率模块用基板130及功率模块101中，金属层113为层叠铜层113A与铝层113B而成的结构，将陶瓷基板11与铜层113A接合，并将铝层113B与散热片131固相扩散接合。另外，在图5中，电路层112也为层叠铜层112A与铝层112B而成的结构，半导体元件3通过焊锡层2与铝层112B接合。
同样地，在本实施方式中，虽以散热片整体由铝或铝合金所构成的散热片来进行了说明，但并不限定于此，例如如图6所示，只要散热片中与金属层的接合面由铝或铝合金所构成即可。在该图6所示的带有散热片的功率模块用基板230及功率模块201中，散热片231为层叠由铝或铝合金所构成的铝层231B与由铜或铜合金所构成的散热片主体231A而成的结构，将金属层213与铝层231B(散热片231)固相扩散接合。
并且，在本实施方式中，虽将构成电路层的铝板作为由纯度为99质量％的2N铝所构成的铝板来进行了说明，但并不限定于此，也可以是由纯度99.99质量％以上的纯铝、或者其他纯铝或铝合金所构成的铝板。
而且，在本发明中，电路层的结构并无限定，能够适当进行设计变更。例如，可以由铜或铜合金所构成，也可以如图5所示的带有散热片的功率模块用基板130及功率模块101那样，电路层112为铜层112A与铝层112B的层叠结构。
而且，在本实施方式中，虽将成为电路层及金属层的铝板与陶瓷基板作为使用Al-Si系钎料来接合的铝板与陶瓷基板来进行了说明，但并不限定于此，也可以使用瞬间液相连接法(Transient Liquid Phase Bonding)、铸造法及金属粘结法等进行接合。
并且，在本实施方式中，虽将绝缘层作为以由AlN构成的陶瓷基板所构成的绝缘层来进行了说明，但并不限定于此，也可以使用Si3N4或Al2O3等其他陶瓷基板。
而且，绝缘层、电路层、金属层及散热片的厚度并不限定于本实施方式，也可以适当进行设计变更。
实施例
针对为了确认本发明的有效性而进行的确认实验进行说明。
按照图3的流程图中记载的顺序，制作了本发明例及比较例的带有散热片的功率模块用基板。
另外，陶瓷基板使用了由AlN所构成，且为40mm×40mm、厚度0.635mm的陶瓷基板。
电路层通过将纯度99质量％以上的2N铝的轧制板(37mm×37mm、厚度0.6mm)使用Al-7.5mass％Si钎料来接合于陶瓷基板而形成。
金属层通过将由表1所示的铝材料所构成的轧制板(37mm×37mm、厚度0.6mm)使用Al-7.5mass％Si钎料来接合于陶瓷基板而形成。
散热片使用了由表2中记载的材质所构成且为50mm×50mm、厚度5mm的散热片。
金属层与散热片的固相扩散接合以表3所示的条件来实施。
并且，制作以下带有散热片的功率模块用基板作为现有例1至3。
将成为电路层的2N铝的轧制板(37mm×37mm、厚度0.6mm)、由AlN所构成的陶瓷基板(40mm×40mm、厚度0.635mm)及成为金属层的4N铝的轧制板(37mm×37mm、厚度0.6mm)，通过Al-7.5质量％Si钎料进行层叠，以在层叠方向以5kgf/cm2进行加压的状态，装入真空加热炉内，以650℃进行加热30分钟，由此进行接合，制作出功率模块用基板。
并且，在现有例1中，将功率模块用基板与施加镀Ni后的散热片(A6063的轧制板、50mm×50mm、厚度5mm)通过Sn-Ag-Cu焊锡进行了接合。
在现有例2中，将功率模块用基板与散热片(A6063的轧制板、50mm×50mm、厚度5mm)通过Al-10质量％Si钎料进行了接合。
在现有例3中，将功率模块用基板与散热片(A6063的轧制板、50mm×50mm、厚度5mm)通过Cu箔(厚度：200μm)进行了固相扩散接合。
(含有元素的扩散距离)
进行所得的本发明例的散热片与金属层的接合界面附近的剖面观察，测定了从低纯度铝材料侧朝高纯度铝材料侧的Al以外的含有元素的扩散距离。将评价结果示于表4。
关于含有元素的扩散距离，从低纯度铝材料与高纯度铝材料的接合界面朝向高纯度铝材料侧使用EPMA(Japan Electron Optics Laboratory制JXA-8530F)进行线分析，测定距离与含有元素浓度，将含有元素浓度成为低纯度铝材料中所包含的含有元素的浓度的一半的距离作为扩散距离。
(热循环试验)
热循环试验使用冷热冲击试验机ESPEC CORP.制TSB-51，对于试验片(带有散热片的功率模块)，在液相(FLUORINERT)状态下，实施了4000次在-40℃下5分钟与在150℃下5分钟的热循环。
接着，将热循环试验前后的接合率以下述方式进行了评价。并且，以肉眼观察评价了热循环试验后有无陶瓷破裂。将评价结果示于表4。
(接合率)
关于金属层与散热片的接合率，使用超声波探伤装置(Hitachi Power SolutionsCo.,Ltd.制FineSAT200)并利用以下式来求出。在此，初期接合面积设为接合前的应接合的面积(37mm见方)。在将超声波探伤图像经二值化处理后的图像中，剥离以接合部内的白色部分表示，因此，将该白色部分的面积设为剥离面积。
(接合率(％))＝{(初期接合面积)-(剥离面积)}/(初期接合面积)×100
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
在现有例1中，在热循环试验后接合率大幅降低。推测这是因为热循环导致在焊锡层产生了裂纹。
在现有例2中，在热循环试验后接合率大幅降低，在陶瓷基板确认到破裂。
并且，在将金属层与散热片以相同纯度的铝材料构成的比较例1-3中，在上述固相扩散条件下未能将金属层与散热片进行接合。
相对于此，在本发明例中，在热循环后接合率均无大幅上升，并且，也未确认到陶瓷破裂，而接合可靠性优异。
由以上内容确认到，根据本发明，可制造即使在负载热循环的情况下也能够抑制在接合界面处产生裂纹等的带有散热片的功率模块用基板。
产业上的可利用性
根据本发明的带有散热片的功率模块用基板的制造方法，能够在较短时间内将金属层与散热片可靠地进行固相扩散接合。并且，散热片与金属层被固相扩散接合，因此即使在负载热循环的情况下，也不会在接合界面处产生龟裂等，而能够得到对于热循环的接合可靠性优异的带有散热片的功率模块用基板。
符号说明
1、101、201-功率模块，10、110、210-功率模块用基板，11-陶瓷基板，12、112、212-电路层，13、113、213-金属层，30、130、230-带有散热片的功率模块用基板，31、131、231-散热片。

Claims (4)

1.一种带有散热片的功率模块用基板的制造方法，所述带有散热片的功率模块用基板具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个面的电路层、形成于所述绝缘层的另一个面的金属层及被配置于该金属层的与所述绝缘层相反侧的面的散热片，其中，
所述金属层中与所述散热片的接合面及所述散热片中与所述金属层的接合面由铝或铝合金所成的铝材料所构成，
构成所述金属层的接合面的铝材料及构成所述散热片的接合面的铝材料中的任一方为铝纯度高的高纯度铝材料，另一方为铝纯度低的低纯度铝材料，
将所述高纯度铝材料与所述低纯度铝材料的Al以外的含有元素的浓度差设为1原子％以上，
将所述金属层与所述散热片进行固相扩散接合。
2.根据权利要求1所述的带有散热片的功率模块用基板的制造方法，其中，
所述高纯度铝材料与所述低纯度铝材料含有选自Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中的1种或2种以上元素作为Al以外的含有元素，所述高纯度铝材料中的所述Al以外的含有元素的总量与所述低纯度铝材料中的所述Al以外的含有元素的总量的差为1原子％以上。
3.根据权利要求1或2所述的带有散热片的功率模块用基板的制造方法，其中，
所述低纯度铝材料含有总计1原子％以上的选自Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中的1种或2种以上元素，并且Si的含量为15原子％以下、Cu的含量为10原子％以下、Mn的含量为2原子％以下、Fe的含量为1原子％以下、Mg的含量为5原子％以下、Zn的含量为10原子％以下、Ti的含量为1原子％以下及Cr的含量为1原子％以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的带有散热片的功率模块用基板的制造方法，其中，
将所述金属层与所述散热片进行层叠，以在层叠方向负载0.3MPa以上且3.0MPa以下的荷载的状态，在所述低纯度铝材料的固相线温度的90％以上且低于所述低纯度铝材料的固相线温度的保持温度下保持1小时以上，由此将所述金属层与所述散热片进行固相扩散接合，所述固相线温度的单位为K。
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