CN109417059A - 半导体安装用散热底板及其制造方法 - Google Patents

半导体安装用散热底板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

现有技术的半导体安装用散热底板利用定向性凝固而经过铸造时的冷却工序，因此金属组织从冷却侧形成粗大的柱状晶，从而散热基体的紧固作用及散热特性和半导体芯片对金属电路层的接合状况会产生不良情况。半导体安装用散热底板具备：绝缘基板(12)，所述绝缘基板(12)固定有安装半导体芯片的金属电路层；以及强度构件(13)，所述强度构件(13)将隔着绝缘基板(12)而在金属电路层的相反侧由与所述金属电路层同样的金属材料形成的散热基体与金属电路层同样地固定于绝缘基板(12)，并在散热基体的内部与绝缘基板隔绝，通过附着于铸模的晶体细化材料(25)对散热基体或金属电路层的任一部分的金属组织的晶体粒进行细化，阻止由柱状晶组织产生的不良影响。

Description

半导体安装用散热底板及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体安装用散热底板，特别是涉及具备通过铸造技术制造的金属电路层及散热基体的半导体安装用散热底板。
背景技术
已知有在通过熔融金属接合来制造金属-陶瓷一体基板时以将设置在碳模具内的陶瓷的周围包围的方式铸造铝的技术。
作为现有技术，在功率模块用的陶瓷绝缘基板中，在陶瓷基板的一方形成金属电路，并且在另一方的面上形成作为散热面的底板，在金属电路上接合功率半导体芯片。这样的功率模块用基板在实际使用环境下通过粘接剂等而一体地固定于保持向功率半导体供给电力的端子等的框体部件，底板与框体部件一起通过螺栓或螺钉等进行紧固。
另外，为了在底板的功率半导体正下方提高散热性，将金属制的散热片经由钎焊或散热脂安装于底板。这样的结构的功率模块用金属-陶瓷接合基板有时通过专利文献1那样的熔融金属接合(日文：溶湯接合)来制造。在熔融金属接合中通过在铸模内配置陶瓷并使金属熔液向其周围流入来将陶瓷进行包心铸造，从而一体地成形电路图案和陶瓷及散热用的底板。
另外，已知有如专利文献2那样的技术：在绝缘基板的至少一方的面上接合铝-硅系的铝合金层，在控制了铝合金层内部的金属晶体粒径的电子元件搭载用基板中，对晶粒进行细化等来提高绝缘基板与铝合金层的接合界面的断裂强度。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5478178号公报
专利文献2：日本特开2013-243181号公报
发明内容
发明要解决的课题
如果构成金属电路层和散热基体的金属由纯度99～99.9％左右的所谓纯铝构成，则在应用了专利文献1的制法的情况下，在熔融金属接合之后，由于从四边中的一方、即熔融金属接合时的熔液流动的下游侧进行定向性凝固冷却，因此金属组织会从下游朝向上游在散热基体的表面部分形成超过2～3cm且比安装于金属电路层的半导体芯片大的粗大的柱状晶组织。
由于在散热基体的表面部分形成粗大的柱状晶组织，因此存在如下课题：在后续工序中形成用于将散热基体与其他的构件进行紧固的紧固孔时，如果跨越紧固孔地存在柱状晶组织的晶界，则由于在加工时对加工负荷的阻力按照柱状晶组织的各晶向而不同，因此孔形状会变形，在进行螺栓螺母紧固时等螺母的接触面积减少，当施加所需的紧固载荷时会因之后的实际使用时的温度循环而发生蠕变变形，并且由于接触面积减少而无法承受紧固载荷，螺栓螺母发生松动。
另外，如果柱状晶组织形成于金属电路层，则与半导体芯片的接合会产生不良情况，如果柱状晶组织形成于散热基体的散热面，则会给散热特性带来不良影响。
本发明想要限制由散热基体或金属电路层的表面处的铸造导致的晶体粒径来抑制散热基体或金属电路层中的柱状晶组织的生成，阻止由柱状晶组织产生的不良影响。
需要说明的是，专利文献2记载的发明是限制绝缘基板与铝层的接合界面处的晶体粒径，用于提高绝缘基板与金属电路层的接合强度，技术思想与本发明不同。
用于解决课题的方案
本发明的半导体安装用散热底板具备：由陶瓷构成的绝缘基板，该绝缘基板固定有安装导体部件的由铝构成的金属电路层；以及由铝构成的散热基体，该散热基体隔着上述绝缘基板而在上述金属电路层的相反侧固定于上述绝缘基板，在上述散热基体或上述金属电路层的表面的至少一部分设有对晶体粒径进行了限制的晶体粒径限制区域。
另外，本发明的半导体安装用散热底板的制造方法的特征在于，半导体安装用散热底板具备：由陶瓷构成的绝缘基板，该绝缘基板将安装半导体部件的由铝构成的金属电路层通过铸造利用直接接合而固定；以及由铝构成的散热基体，该散热基体隔着上述绝缘基板而在上述金属电路层的相反侧通过铸造利用直接接合而固定于上述绝缘基板，在制造上述半导体安装用散热底板时，在上述散热基体及上述金属电路层的铸造时，使至少一种以上的晶粒细化材料附着于铸模的型腔侧表面的一部分，从而在上述散热基体或上述金属电路层的表面的至少一部分形成对晶体粒径进行了限制的晶体粒径限制区域。
发明效果
根据本发明，能够限制由铸造导致的晶体粒径来抑制散热基体或金属电路层的表面中的柱状晶组织的生成，阻止由柱状晶组织产生的不良影响。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的半导体安装用散热底板的结构的立体图。
图2是表示本发明的实施方式1的铸模的装配的侧剖视图。
图3是表示本发明的实施方式1的铸造时的冷却工序的侧剖视图。
图4是表示本发明的实施方式1的铸造后的半导体安装用散热底板的立体图及IVb-IVb线的剖视图。
图5是表示本发明的实施方式1的螺栓紧固孔开设和浇道的切断加工的立体图。
图6是表示本发明的实施方式2的柱状散热片成为一体的半导体安装用散热底板的结构的侧视图。
图7是表示本发明的实施方式3的半导体的安装状态的立体图及VIIb-VIIb线的剖视图。
图8是表示将本发明的实施方式3的金属电路层的组织进行了细化的半导体安装用散热底板的结构的侧视图。
图9是表示本发明的实施方式4的半导体安装用散热底板的安装状态的侧视图。
图10是表示将本发明的实施方式4的散热面的组织进行了细化的半导体安装用散热底板的结构的侧视图。
具体实施方式
实施方式1
参照图1至图5来说明本发明的实施方式1。图1是表示半导体安装用散热底板的结构的立体图。图2是表示铸模的装配的侧剖视图。图3是表示铸造时的冷却工序的侧剖视图。图4表示铸造后的半导体安装用散热底板，图4(a)是立体图，图4(b)是图4(a)所示的IVb-IVb线的剖视图。图5是表示螺栓紧固孔开设和浇道的切断加工的立体图。
在表示实施方式1的半导体安装用散热底板的结构的图1中，半导体安装用散热底板由绝缘基板12和散热基体14构成，该绝缘基板12固定有安装半导体芯片的金属电路层11，该散热基体14设有强度构件13且隔着绝缘基板12而在金属电路层11的相反侧固定于绝缘基板12。
在该实施方式1中，说明在将厚度0.3～1.5mm且纯度99～99.9％的铝作为金属电路层11、厚度0.3～2mm的氮化铝作为绝缘基板12、与绝缘基板同样的氮化铝作为强度构件13、厚度1～5mm的层作为散热基体14的层结构中，作为螺栓紧固孔15而在散热基体14的四角具备3～8mm的螺栓紧固孔的结构。通过螺栓紧固孔15及其周边部分来形成紧固部CP。
这些结构的半导体安装用散热底板通过使用了图2及图3所示的铸模CS的制造工序来制造。铝铸造用的铸模CS使用具有连续气孔的通气性优异的石墨碳，为了防止熔融的铝与石墨碳制的铸模表面发生反应的目的，在形成半导体安装用散热底板的型腔21部分和铸模CS的浇铸口22及浇道23，将氮化硼粉末用二甲醚或甲基乙基酮等溶剂进行稀释并喷涂成膜厚100μm以下来形成脱模膜。
并且，从脱模膜的上方在下模24的除了金属电路层11侧的形成金属电路层11的面之外的铸模的型腔21侧表面，使钛-铝合金、钛-铝-硼合金、二硼化钛、二硼化铝、碳化钨、碳化钽、碳化钛、碳化钛等公知的铝用的晶粒细化材料25附着至少1种以上。例如，晶粒细化材料25与脱模膜同样地用二甲醚或甲基乙基酮进行稀释及搅拌并向上述的对象面喷涂。晶粒细化材料25使用的粉末的粒径越小越好，在此，使用平均粒径为在分粒时通过200mesh的筛子的粉末。并不限定于此，也可以将晶粒细化材料混合多种并用二甲醚或甲基乙基酮等溶剂在2～10wt％左右的范围内稀释并向上述的对象面涂布。另外，作为其他的附着方法，也可以使用喷镀法或离子镀法等将晶粒细化材料涂敷于铸模表面。另外，如果为了提高上述晶粒细化材料向铸模表面的涂敷性而向溶剂中添加0.5～1wt％左右的纤维素等、且能够将晶粒细化材料厚涂为50～200μm左右，则即使省去对象面的脱模膜而直接向铸模涂布晶粒细化材料，也能够在防止铸模与铝的反应的同时得到铝的晶粒细化的效果。
铸模CS被分割成下模24和上模26，以在设置于下模24的底面的凹部24a形成金属电路层11的方向形成有型腔21。在下模24的金属电路层11的上侧配置有绝缘基板12保持用的突起24b，并沿着其更上侧的下模24与上模26的分型面27配置有强度构件13保持用的突起24c。
相对于这些各个突起24b、24c，配置绝缘基板12和强度构件13，之后盖上上模26并利用防止开模用的螺栓28将上模26与下模24进行紧固固定。将脱模膜的涂装、晶粒细化材料25的涂装、绝缘基板12和强度构件13的配置、上模26与下模24的紧固固定完成的铸模投入铸造工序。在铸造工序中，为了确保铸模CS内的熔融铝的流动性，预先将铸模CS以铝的熔点以上的温度进行预热。
为了防止铸模主体或熔融铝随着铸模CS的预热而发生氧化，在铸造工序的从预热工序经过浇铸工序直至冷却工序的全部工序中在炉内进行了抽真空后用氮或氩等惰性气体进行置换。在预热到熔点以上的温度的铸模CS中，在浇铸工序中熔融铝从浇铸口22经由浇道23流入型腔21内。从铝出来的微少的水蒸气、在型腔21内流动时产生的卷入空隙等一边被供给熔液压力冲走，一边通过上述的石墨碳的连续气孔或上模26与下模24的分型面27而向模外排气。在熔融铝填充到铸模CS的型腔21内之后，使冷铁31与铸模CS的接近浇铸口22的面的相向面接触，从而利用从型腔21的最后填充位置朝向浇铸口22进行冷却的所谓定向性凝固进行冷却。经过冷却凝固工序的半导体安装用散热底板如图4(a)(b)所示。
在该凝固过程中，在专利文献1那样的结构中，在冷铁31侧析出的初晶直接结晶生长，形成遍及半导体安装用散热底板的全长那样的粗大的柱状晶。相对于此，在本实施方式中，由于使上述晶粒细化材料25附着于铸模CS的型腔21侧表面的与散热基体14的金属电路层11侧的除了金属电路层11之外的区域对应的部分，因此晶粒细化材料25在熔融的铝之中形成初晶之前先作为凝固核分散，另外，在由于定向性凝固形成粗大的柱状晶之前先形成大量0.5～3mm左右的等轴晶41，因此能够将晶粒细化材料25附着的面的晶体粒径控制成比没有附着的面小。在凝固完成之后将整个铸模CS冷却至室温附近，将防止开模用的螺栓28拆下，解开上模26与下模24的紧固固定，将上模26与下模24分开而打开模具，将半导体安装用散热底板取出。
如图4(b)所示，在与包含散热基体14的四角的紧固孔15的紧固部CP相当的部分的散热基体14的表面部分，形成有对铸造产生的晶体粒径进行了限制的晶体粒径限制区域CR。在散热基体14的形成有晶体粒径限制区域CR的表面的相反侧的表面形成散热面HR。
如图4所示，从铸模CS取出的半导体安装用散热底板处于浇道23部分的凝固的铝SA与散热基体14的端面连接的状态，因此如图5所示，将浇道23部分的铝SA去除并且在设置于散热基体14的四角的晶体粒径限制区域CR形成螺栓紧固孔15。
螺栓紧固孔15和浇道23部分的铝SA的切断有两种加工方法，第一种是使用加工中心或数控铣床，利用台虎钳或老虎钳等将强度构件13露出的面彼此固定，利用钻头或立铣刀等切削工具对散热底板的晶粒细化的部分进行开孔。另外，在本实施方式的结构中，虽说使用晶粒细化材料25，但由于形成散热基体14的金属为99～99.9％的纯度的纯铝，因此切削屑会熔敷于切削工具的刀尖而容易形成积屑瘤，以润滑、冷却为目的而需要使用切削油。另外，浇道23部分也通过立铣刀或铣刀那样的切削工具进行切断加工。
第二种的螺栓紧固孔15的形成和浇道23部分的切断方法可列举使用冲压模具的塑性加工。经过铸造工序在强度构件13露出的面和散热基体14的冷铁31侧的侧面进行了定位之后，在通过上述的晶粒细化材料25将平均晶体粒径控制为12mm以下的散热基体14的金属电路层11侧的除了金属电路层11之外的面上，利用冲压模具的冲头和冲模来形成螺栓紧固孔15，并且将浇道23部分和散热基体14切断。在使用了冲压模具的螺栓紧固孔15的加工中，也存在与上述的切削加工同样的积屑瘤的形成的问题，因此在冲压加工时以冲头和冲模的润滑及冷却为目的的冲压油是必需的。这两种螺栓紧固孔15的形成手段分别需要使用切削油和冲压油，但考虑到之后的半导体芯片安装时的镀镍面的焊料浸润性，各自的切削油和冲压油优选使用挥发性高的油。上述的平均晶体粒径是通过蚀刻等方法使散热基体表面的晶界显露之后，对散热基体的任意的面进行拍摄，在拍摄区域中画出任意的长度的线段，通过除以在该线段上通过的晶粒的个数而算出的值。
如上所述，本发明的结构是一种半导体安装用散热底板，该半导体安装用散热底板具备：绝缘基板12，该绝缘基板12利用直接接合而固定有安装半导体芯片的金属电路层11；以及强度构件13，该强度构件13将隔着绝缘基板12而在金属电路层11的相反侧由与上述金属电路层11同样的金属材料形成的散热基体14与金属电路层11同样地利用直接接合而固定于绝缘基板12，并在散热基体14的内部与绝缘基板12隔绝。构成上述金属电路层11和散热基体14的金属是纯度99～99.9％左右的所谓纯铝，在专利文献1的制法中，在熔融金属接合之后，从四边中的一方、即熔融金属接合时的熔液流动的下游侧进行定向性凝固冷却，因此金属组织会从下游朝向上游形成超过2～3cm且比安装于金属电路层的半导体芯片大的粗大的柱状晶组织。
由于形成粗大的柱状晶组织，因此存在如下课题：当在后续工序中形成用于将散热基体14与其他的构件紧固的紧固孔15时，如果跨越紧固孔15地存在柱状晶组织的晶界，则由于在加工时对加工负荷的阻力按照柱状晶组织的各晶向而不同，因此孔形状会变形，在进行螺栓螺母紧固时等螺母的接触面积减少，当施加所需的紧固载荷时会因之后的实际使用时的温度循环而发生蠕变变形，并且由于接触面积减少而无法承受紧固载荷，螺栓螺母发生松动。
针对上述的课题，在本发明中，将包含螺栓紧固孔15的面的金属组织的粗大的柱状晶组织改性为微细的晶体粒径的金属组织，去除紧固孔加工时的应变。
本发明的结构要素是一种半导体安装用散热底板，该半导体安装用散热底板具备：绝缘基板12，该绝缘基板12利用直接接合而固定有安装半导体芯片的金属电路层；以及强度构件13，该强度构件13将隔着绝缘基板12而在金属电路层11的相反侧由与上述金属电路层11同样的金属材料形成的散热基体14与金属电路层11同样地利用直接接合而固定于绝缘基板12，并在散热基体14的内部与绝缘基板12隔绝，形成上述金属电路层11和散热基体14的金属是纯度99～99.9％左右的铝。
本发明的上述课题的解决方案是在相对于包含紧固孔15的散热基面的一部分的金属组织的粗大的柱状晶组织而在形成散热基体14的工序中的铸模表面，使例如钛-铝合金、钛-铝-硼合金、二硼化钛、二硼化铝、碳化钨、碳化钽、碳化钛等铝用的晶粒细化材料25涂布附着至少1种，从而比散热基体14的形成时、即铸造凝固时的定向性凝固更早地成为凝固核而析出，在金属组织内形成微细的晶粒和晶界。
特别是，在发明者等尝试的范围内，在每单位面积涂布了同量的晶粒细化材料时，与二硼化钛或二硼化铝相比，钛-铝合金的情况下铝的晶粒更细地细化。即，在以规定的平均粒径为目标的情况下，钛-铝合金的情况下细化晶粒的效果优异，能够用少量的晶粒细化材料得到同样的效果。
通过上述课题的解决方案将包含紧固孔15的散热基体14的一部分的金属组织的超过2～3cm的粗大的柱状晶组织细化，从而紧固孔15周边的金属组织成为晶向随机的等轴晶，能够在紧固孔15的加工时抑制孔的形状变形，能够实现不取决于凝固工序的偏差的紧固孔形成。由此，紧固孔15周围的螺栓螺母接触面的面积不再有偏差，即使施加恒定的紧固力，也能够解决散热基体蠕变而使螺栓螺母松动的课题。另外，与伴随有加工导致的变形的晶粒的细化不同，未被用作凝固核的晶粒细化材料25在金属组织的晶界偏析，因此在施加实际使用时的温度循环时加热到再结晶温度以上的情况下，不会出现初始的晶粒生长而使晶体粒径增大的情况。因此，能够长期确保稳定的螺栓螺母的紧固力。
该实施方式1的半导体安装用散热底板具备：由陶瓷构成的绝缘基板12，该绝缘基板12将安装由半导体芯片构成的半导体部件的由纯度99～99.9％的铝构成的金属电路层11通过铸造利用直接接合而固定；由纯度99～99.9％的铝构成的散热基体14，该散热基体14隔着上述绝缘基板12而在上述金属电路层11的相反侧由与上述金属电路层11同样的金属材料形成并与上述金属电路层11同样地通过铸造利用直接接合而固定于上述绝缘基板12；以及紧固部CP，该紧固部CP由设置于上述散热基体14的紧固孔15及其周边部分构成，在至少包含上述紧固部CP的表面的上述散热基体14的表面设有平均晶体粒径达到12mm以下的晶体粒径限制区域CR。在此，晶体粒径限制区域的平均晶体粒径比金属电路层11及散热基体14的其他区域的平均晶体粒径小。
由此，能够限制由铸造导致的晶体粒径来抑制设置于散热基体的紧固部的表面的柱状晶组织的生成，阻止柱状晶组织对紧固作用的不良影响。
另外，该实施方式1的半导体安装用散热底板具备：绝缘基板12，该绝缘基板12利用直接接合而固定有安装由半导体芯片构成的半导体部件的金属电路层11；以及强度构件13，该强度构件13将隔着上述绝缘基板12而在金属电路层的相反侧由与上述金属电路层11同样的金属材料形成的散热基体14与上述金属电路层11同样地利用直接接合而固定于上述绝缘基板12，并在散热基体14的内部与绝缘基板12隔绝，构成上述金属电路层11和上述散热基体14的金属是纯度99～99.9％左右的所谓纯铝，上述绝缘基板12和上述强度构件13分别使用氮化铝、氧化铝、碳化硅等的陶瓷板，上述散热基体14的安装半导体部件的金属电路层11侧的除了金属电路层11以外的最表面的平均晶体粒径达到12mm以下。
通过该结构，使散热基体的金属电路层侧的除了金属电路层以外的最表面的平均晶体粒径为12mm以下，从而能够提供一种在紧固孔形成时抑制了取决于晶体粒径的孔形状的变形偏差的高品质的紧固孔。
该实施方式1的半导体安装用散热底板的制造方法是前项的半导体安装用散热底板的制造方法，在铸模的型腔21侧表面的与上述散热基体14的金属电路层11侧的除了金属电路层11之外的区域相向的部位，使钛-铝合金、钛-铝-硼合金、二硼化钛、二硼化铝、碳化钨、碳化钽、碳化钛等铝用的晶粒细化材料25附着至少1种，从而在形成散热基体14的金属部分的铸造时的冷却工序中，抑制散热基体14的金属电路层11侧的金属电路层11以外的最表面的金属组织的铝晶粒成为粗大的柱状晶。
由此，抑制取决于铸造时的冷却工序的定向性凝固的冷却速度偏差而难以控制的铝晶粒成为粗大的柱状晶，从而将上述散热基体的安装半导体部件的金属电路层侧的金属电路层以外的最表面的平均晶体粒径控制成12mm以下，得到与前项的效果同样的效果。
该实施方式1的半导体安装用散热底板的制造装置是前项的半导体安装用散热底板的制造装置，该制造装置是如下的铸模装置：在靠近矩形的石墨的一方的面的一侧具备用于浇铸熔融金属的浇铸口22，在铸模CS的浇铸口22侧的相反侧具备冷铁31的接触面，在铸模CS的浇铸口22与冷铁31之间具备雕刻散热基体14的形状的多个型腔21，型腔21具备分别配置绝缘基板12和强度构件13的定位部，具备拥有定位部的下模24和不具有定位部的上模26，该铸模装置在如下形成半导体安装用散热底板的金属部分的铸造工序中使用：绝缘基板12和强度构件13相对于下模24而将绝缘基板12配置在靠近下模24的底面的一侧，将强度构件13从绝缘基板12隔绝地配设，在铸造时熔融金属流入而在绝缘基板12与强度构件13之间形成散热基体14，在晶粒细化材料25附着之前涂布氮化硼或氧化锆等脱模材料，之后，在想要将平均晶体粒径控制成12mm以下的面上附着上述晶粒细化材料25。
由此，使晶粒细化材料附着于铸模CS的一部分的选择区域，从而将半导体安装用散热底板的金属部分的晶粒尺寸选择性地控制为12mm以下，能够抑制晶粒的粗大的柱状晶化。
实施方式2
参照图6来说明本发明的实施方式2。图6是表示柱状散热片成为一体的半导体安装用散热底板的结构的侧视图。
关于散热基体14的散热面HR，在实施方式1中例示了平面的结构，但如该实施方式2所示，也存在根部直径1～5mm、前端直径0.8～4mm左右的柱状的散热片61呈锯齿状地配置多个的结构。
在表示实施方式2的半导体安装用散热底板的结构的图6中，安装半导体芯片74的金属电路层11经由绝缘基板12而固定于设有强度构件13的散热基体14，多个柱状的散热片61呈锯齿状地配置在构成散热基体14的散热面HR的散热基体14的下表面。
在散热基体14的上表面经由绝缘基板12固定的金属电路层11上形成有电路图案槽72，并经由镀镍71及焊料73而安装有由半导体芯片74构成的半导体部件。
该实施方式2的半导体安装用散热底板具备：由陶瓷构成的绝缘基板12，该绝缘基板12将安装由半导体芯片74构成的半导体部件的由纯度99～99.9％的铝构成的金属电路层11通过铸造利用直接接合而固定；散热基体14，该散热基体14将隔着上述绝缘基板12而在上述金属电路层11的相反侧由与上述金属电路层11同样的金属材料形成并与金属电路层11同样地通过铸造利用直接接合而固定于绝缘基板12，由纯度99～99.9％的铝构成，在散热面HR上呈锯齿状地配置有多个柱状的散热片61；以及紧固部CP，该紧固部CP由设置于上述散热基体14的紧固孔15及其周边部分构成，在至少包含上述紧固部CP的表面的上述散热基体14的表面设有平均晶体粒径达到12mm以下的晶体粒径限制区域CR。
通过该结构，对于呈锯齿状地配置有多个柱状的散热片的散热基体，能够限制由铸造导致的晶体粒径来抑制设置于散热基体的紧固部的表面的柱状晶组织的生成，阻止柱状晶组织对紧固作用的不良影响。
实施方式3
参照图7及图8来说明本发明的实施方式3。图7表示半导体的安装状态，图7(a)是立体图，图7(b)是侧视图。图8是表示将金属电路层的组织进行了细化的半导体安装用散热底板的侧视图。
在专利文献1的结构中，粗大的柱状晶的晶界遍及散热基体或金属电路层的全长地析出。在金属电路层中，在该粗大的柱状晶的铝上以4～30μm的膜厚形成利用锌置换的电解或无电解的镀镍71，然后在金属电路层上通过蚀刻形成规定的电路图案槽72。然后在镀镍上通过焊料73钎焊来安装厚度60～1000μm的半导体芯片。
另外，在之后的装配工序中，有在半导体芯片的上表面接合铝丝的情况和钎焊厚度0.5～2mm的铜端子的情况。在这之中半导体芯片厚度比较薄且在半导体芯片上表面钎焊铜端子的结构中，在粗大的柱状晶的晶界来到安装有半导体芯片的正下方时，由于每个晶粒的晶向不同，因此，因实际使用环境下的温度循环等而使各晶粒以晶界为起点较大地反复扩张、收缩，向安装的半导体芯片施加大的弯曲应力，从而半导体芯片可能会破坏，或者在半导体芯片和金属电路层的界面处可能会发生剥离。为了避免这样的质量问题，需要在半导体芯片安装面的镀镍下方对粗大的柱状晶的晶界的有无进行检查并去除的工序。
另外，即使在半导体芯片比较厚而具有抵抗以温度循环导致的铝的变形为起因的弯曲应力的刚性的结构中，也会由于镀镍与半导体芯片间的焊料层反复变形而产生剥离或微小的空隙，从而从半导体芯片向散热基体的散热路径中的热阻可能会增加。对于这些与半导体安装用散热底板的长期可靠性相关的课题，能够通过本实施方式的结构来解决。
实施方式1的晶粒细化材料的附着部位是散热基体的金属电路层侧的除了金属电路层之外的部分，相对于此，作为本实施方式的实施例，在铸模CS的与金属电路层11对应的面上均匀地附着涂布上述晶粒细化材料12，从而比在铸造工序的冷却工序内从铸模CS的冷铁31侧析出初晶并由于定向性凝固而形成粗大的柱状晶更早地，附着于金属电路层11的晶粒细化材料25成为凝固核而从金属电路层的最表面析出平均晶体粒径为12mm以下的等轴晶81。构成金属电路层11的铝的晶体粒径减小，且每个晶粒具有随机的晶向，从而实际使用时的温度循环导致的每1个晶粒的扩张、收缩量减小，能够降低半导体芯片产生的弯曲应力而防止半导体芯片的破裂。另外，同样地半导体芯片与镀镍间的焊料层的变形量减小，因此焊料的剥离或空隙的产生导致的热阻的增加被抑制，能够提供一种可靠性高且长寿命的半导体安装用散热底板。
该实施方式3的半导体安装用散热底板具备：绝缘基板12，该绝缘基板12利用直接接合而固定有安装由半导体芯片74构成的半导体部件的金属电路层11；以及强度构件13，该强度构件13将隔着绝缘基板12而在金属电路层11的相反侧由与上述金属电路层11同样的金属材料形成的散热基体14与金属电路层11同样地利用直接接合而固定于绝缘基板12，并在散热基体14的内部与绝缘基板12隔绝，构成上述金属电路层11和散热基体14的金属是纯度99～99.9％左右的所谓纯铝，上述绝缘基板12和强度构件13分别使用氮化铝、氧化铝、碳化硅等的陶瓷板，金属电路层11的最表面的平均晶体粒径达到12mm以下。
通过该结构，使金属电路层11的最表面的平均晶体粒径为12mm以下，从而每个晶粒因实际使用时的温度循环而以晶界为起点产生的热膨胀量不同，具有抑制接合在金属电路层11上的半导体芯片74产生弯曲应力而使其破损的情况、半导体芯片74与金属电路层11的界面剥离的不良的发生。
该实施方式3的半导体安装用散热底板的制造方法是前项的半导体安装用散热底板的制造方法，在铸模的与上述金属电路层11相向的面，在与金属电路层11的最表面的想要使平均晶体粒径为12mm以下的部位对应的部位，预先使钛-铝合金、钛-铝-硼合金、二硼化钛、二硼化铝、碳化钨、碳化钽、碳化钛等铝用的晶粒细化材料附着至少1种。通过预先使晶粒细化材料附着于铸模的与金属电路层11对应的面，在形成金属电路层11的金属部分的铸造时的冷却工序中，抑制金属电路层11的铝晶粒成为粗大的柱状晶。
由此，抑制取决于铸造时的冷却工序的定向性凝固的冷却速度偏差而难以控制的铝晶粒成为粗大的柱状晶，从而将上述散热基体的安装半导体部件的金属电路层侧的最表面的平均晶体粒径控制为12mm以下，得到前项的效果。
实施方式4
参照图9及图10来说明本发明的实施方式4。图9是表示半导体安装用散热底板的安装状态的侧视图。图10是表示将散热面的组织进行了细化的半导体安装用散热底板的侧视图。
作为半导体安装用散热底板的一般课题，可列举在将半导体芯片与导电性、导热性优异的金属电路层、由电绝缘性优异的陶瓷构成的绝缘基板、导热性优异的散热底板这样的各构件进行钎焊或本实施方式那样的直接接合的情况下，由于各构件的线膨胀系数的差异而产生的半导体安装用散热底板的翘曲变形。这取决于各构件的层厚的平衡和各构件的线膨胀系数及各构件间的接合强度，从而翘曲方向、翘曲量都存在偏差，而且翘曲量根据实际使用时的温度循环而变化。
在散热面HR为平面的结构中，在散热基体14的散热面HR涂布导热性高的散热脂92而与散热片或热管等冷却装置93接触来使用，因此如果初始的散热面HR的平面度低，则接触热阻高，散热性恶化。
同样，如果翘曲量因实际使用时的温度循环而随时间变化，则在散热基体14的散热面HR与冷却装置侧的接触面之间散热脂按照散热基体的翘曲变形而流动，发生在散热脂内部产生空隙的泵出现象(日文：ポンプアウト現象)，与初始相比接触热阻升高，散热性恶化。最终作为散热性恶化的结果，不再能将半导体芯片的驱动时的发热完全冷却而导致芯片破损的可能性升高。
在本实施方式的结构中，半导体安装用散热底板具备：绝缘基板12，该绝缘基板12利用直接接合而固定有安装半导体芯片74的金属电路层11；以及强度构件13，该强度构件13将隔着绝缘基板12而在金属电路层11的相反侧由与上述金属电路层11同样的金属材料形成的散热基体14与金属电路层11同样地利用直接接合而固定于绝缘基板12，并在散热基体14的内部与绝缘基板12隔绝，至少构成上述金属电路层11和散热基体14的金属是纯度99～99.9％左右的所谓纯铝，上述绝缘基板12和强度构件13分别使用氮化铝、氧化铝、碳化硅等的陶瓷板，隔着嵌设于上述散热基体14的强度构件13的金属电路层11的相反侧即散热面HR的平均晶体粒径达到12mm以下，使上述晶粒细化材料25附着于铸模CS(参照图2、图3)的对象面而使散热面的晶粒细化。
特别是在实施方式1的将厚度0.3～1.5mm的纯度99～99.9％的铝作为金属电路层11、厚度0.4～1.5mm的氮化铝作为绝缘基板12、与绝缘基板12同样的氮化铝作为强度构件13、厚度1～5mm的层作为散热基体14的层结构中，作为铸造后的初始翘曲量而大致为120μm以下，但在本实施方式的结构中，使用晶粒细化材料25对散热面HR的晶体粒径进行控制，从而遍及散热面HR的全长地形成的粗大的柱状晶细化成平均晶体粒径12mm以下的等轴晶101，每个晶粒的晶向随机地取向。因此，因实际使用时的温度循环而使散热面HR扩张、收缩时的变形量减小，结果，散热面HR的铸造后的初始翘曲量大致成为80μm以下。
另外，作为专利文献1或实施方式1、2中的金属电路层与绝缘基板、绝缘基板与散热基体、与绝缘基板隔绝地嵌设于散热基体的强度构件通过铸造进行直接接合的结构的特有的课题，因实际使用时的温度循环导致的温度上升时的翘曲变形作为永久应变而残留一部分，从而每次反复温度上升和温度下降时，变形量累积。通过对本实施方式的散热面的粗大的柱状晶进行细化而使其成为等轴晶，能够减少以该温度循环为起因的变形量的累积。
该实施方式4的半导体安装用散热底板具备：绝缘基板12，该绝缘基板12利用直接接合而固定有安装由半导体芯片74构成的半导体部件的金属电路层11；以及强度构件13，该强度构件13将隔着绝缘基板12而在金属电路层11的相反侧由与上述金属电路层11同样的金属材料形成的散热基体14与金属电路层同样地利用直接接合而固定于绝缘基板，并在散热基体14的内部与绝缘基板12隔绝，构成上述金属电路层11和散热基体14的金属是纯度99～99.9％左右的所谓纯铝，上述绝缘基板12和强度构件13分别使用氮化铝、氧化铝、碳化硅等的陶瓷板，隔着嵌设于上述散热基体14的强度构件13的金属电路层11的相反侧即散热面的平均晶体粒径达到12mm以下。
通过该结构，抑制取决于铸造时的冷却工序的定向性凝固的冷却速度偏差而难以控制的铝晶体粒成为粗大的柱状晶，从而将上述散热基体的散热面的最表面的平均晶体粒径控制为12mm以下，具有防止随着实际使用时的温度循环施加而半导体安装用散热底板的散热面的平面度恶化的效果。
该实施方式4的半导体安装用散热底板的制造方法是前项的半导体安装用散热底板的制造方法，在分别配置有上述绝缘基板12和上述强度构件13的铸模的与散热基体14相向的面且与绝缘基板12相反的一侧的面，在与散热基体14的最表面的想要使平均晶体粒径为12mm以下的部位相向的部位，预先使钛-铝合金、钛-铝-硼合金、二硼化钛、二硼化铝、碳化钨、碳化钽、碳化钛等铝用的晶粒细化材料附着至少1种。通过预先使晶粒细化材料附着于铸模的与上述散热面对应的面，在形成散热基体14的金属部分的铸造时的冷却工序中，抑制散热面的金属组织的铝晶体粒成为粗大的柱状晶。
由此，抑制取决于铸造时的冷却工序的定向性凝固的冷却速度偏差而难以控制的铝晶体粒成为粗大的柱状晶，从而将前项的上述散热基体的安装半导体部件的散热面的平均晶体粒径控制成12mm以下，得到前项的效果。
需要说明的是，本发明在本发明的范围内，能够将各实施方式的一部分或全部自由地组合，或者对各实施方式适当进行变形、省略。
附图标记说明
11金属电路层，12绝缘基板，13强度构件，14散热基体，15螺栓紧固孔，21型腔，22浇铸口，23浇道，25晶粒细化材料，26上模，27分型面，28螺栓，31冷铁，41等轴晶，61散热片，71镀镍，72电路图案槽，73焊料，81等轴晶，HR散热面，92散热脂，93冷却装置，101等轴晶。

Claims (11)

1.一种半导体安装用散热底板，其特征在于，
所述半导体安装用散热底板具备：由陶瓷构成的绝缘基板，所述绝缘基板固定有安装导体部件的由铝构成的金属电路层；以及由铝构成的散热基体，所述散热基体隔着所述绝缘基板而在所述金属电路层的相反侧固定于所述绝缘基板，在所述散热基体或所述金属电路层的表面的至少一部分设有对晶体粒径进行了限制的晶体粒径限制区域。
2.根据权利要求1所述的半导体安装用散热底板，其特征在于，
所述半导体安装用散热底板具备设置于所述散热基体的紧固部，在至少包含所述紧固部的表面的所述散热基体的表面设有所述晶体粒径限制区域。
3.根据权利要求1或2所述的半导体安装用散热底板，其特征在于，
在所述金属电路层的表面设有所述晶体粒径限制区域。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体安装用散热底板，其特征在于，
在所述散热基体的散热面设有所述晶体粒径限制区域。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体安装用散热底板，其特征在于，
所述晶体粒径限制区域中的平均晶体粒径比所述金属电路层及所述散热基体的其他区域中的平均晶体粒径小。
6.根据权利要求5所述的半导体安装用散热底板，其特征在于，
由纯度99～99.9％的铝构成所述金属电路层和所述散热基体，并且使所述晶体粒径限制区域中的平均晶体粒径为12mm以下。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的半导体安装用散热底板，其特征在于，
使所述散热基体与所述金属电路层的表面高度一致。
8.一种半导体安装用散热底板的制造方法，其特征在于，
所述半导体安装用散热底板具备：由陶瓷构成的绝缘基板，所述绝缘基板将安装半导体部件的由铝构成的金属电路层通过铸造利用直接接合而固定；以及由铝构成的散热基体，所述散热基体隔着所述绝缘基板而在所述金属电路层的相反侧通过铸造利用直接接合而固定于所述绝缘基板，在制造所述半导体安装用散热底板时，在所述散热基体及所述金属电路层的铸造时，使至少一种以上的晶粒细化材料附着于铸模的型腔侧表面的一部分，从而在所述散热基体或所述金属电路层的表面的至少一部分形成对晶体粒径进行了限制的晶体粒径限制区域。
9.根据权利要求8所述的半导体安装用散热底板的制造方法，其特征在于，
在铸造时，使至少一种以上的晶粒细化材料附着于所述铸模的型腔侧表面的与至少包含设置于所述散热基体的紧固部的表面在内的所述散热基体的一部分相向的部分。
10.根据权利要求8或9所述的半导体安装用散热底板的制造方法，其特征在于，
在铸造时，使至少一种以上的晶粒细化材料附着于所述铸模的型腔侧表面的与所述金属电路层相向的部分。
11.根据权利要求8～10中任一项所述的半导体安装用散热底板的制造方法，其特征在于，
在铸造时，使至少一种以上的晶粒细化材料附着于所述铸模的型腔侧表面的与所述散热基体的散热面相向的部分。
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