CN111226315A - 接合体、自带散热器的绝缘电路基板及散热器 - Google Patents

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Abstract

铝合金部件(31)由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，铝合金部件(31)与铜部件(13B)被固相扩散接合，在铝合金部件(31)与铜部件(13B)的接合界面形成有化合物层(40)，所述化合物层(40)由配设于铝合金部件(31)侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层(41)、配设于铜部件(13B)侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层(42)及在第一金属间化合物层(41)与第二金属间化合物层(42)之间形成的Cu‑Al‑Mg层(43)构成。

Description

接合体、自带散热器的绝缘电路基板及散热器
技术领域
本发明涉及一种接合有由铝合金构成的铝合金部件和由铜或铜合金构成的铜部件的接合体、在绝缘层的一个表面上形成有电路层的绝缘电路基板上接合有散热器的自带散热器的绝缘电路基板、在散热器主体上形成有铜部件层的散热器。
本申请主张基于2017年10月27日于日本申请的专利申请2017-208318号及2018年10月22日于日本申请的专利申请2018-198468号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
在LED或功率模块等半导体装置中，被设为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功率半导体元件中，由于发热量较多，因此作为搭载该半导体元件的基板，自以往广泛使用具备例如由氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等构成的陶瓷基板及在该陶瓷基板的一个表面上接合导电性优异的金属板而形成的电路层的绝缘电路基板。另外，作为功率模块用基板，还提供一种在陶瓷基板的另一表面上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，被设为具备在陶瓷基板的一个表面上及另一表面上形成有由铝或铝合金构成的电路层及金属层的绝缘电路基板、经由焊料接合于该电路层上的半导体元件的结构。
并且，在绝缘电路基板的金属层侧接合有散热器，被设为经由散热器向外部发散从半导体元件传递至绝缘电路基板侧的热的结构。
但是，如专利文献1中所记载的功率模块，在由铝或铝合金构成电路层及金属层的情况下，在其表面上形成Al的氧化皮膜，因此存在通过焊料无法接合半导体元件或散热器等问题。
因此，在专利文献2中，提出有将电路层及金属层设为Al层与Cu层的层叠结构的绝缘电路基板。在该绝缘电路基板中，在电路层及金属层的表面上配置有Cu层，因此能够使用焊料良好地接合半导体元件与散热器。因此，层叠方向的热阻变小，能够将从半导体元件产生的热有效地传递至散热器侧。
另外，如该专利文献2所示，还提出有将散热器设为散热板且通过紧固螺钉将该散热板螺纹固定到冷却部的结构。
并且，在专利文献3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绝缘电路基板。在该自带散热器的绝缘电路基板中，金属层与散热器被固相扩散接合，因此热阻小且散热特性优异。
而且，在专利文献4中，提出有由Si浓度为1质量％以上且25质量％以下的铝合金构成的散热器与由铜构成的金属层被固相扩散接合而成的自带散热器的绝缘电路基板。并且，提出有由Si浓度为1质量％以上且25质量％以下的铝合金构成的散热器主体与由铜构成的金属部件层被固相扩散接合而成的散热器。
专利文献1：日本专利第3171234号公报
专利文献2：日本特开2014-160799号公报
专利文献3：日本特开2014-099596号公报
专利文献4：日本特开2016-208010号公报
但是，如专利文献2-4中所记载，在对由铝或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，在铝部件与铜部件的接合界面形成由铜和铝构成的金属间化合物层。在此，作为由铜和铝构成的金属间化合物，如图1所示，具有多个相。因此，在铝部件与铜部件的接合界面所形成的金属间化合物层被设为层叠有θ相、η2相、ζ2相、δ相及γ2相的各相的结构。
在此，η2相、ζ2相及δ相比较硬，因此在负载了冷热循环时，存在在金属化合物层产生裂纹且热阻变高，并且接合率降低的问题。
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接合体、具备该接合体的自带散热器的绝缘电路基板及散热器，所述接合体即使在对由铝或铝合金构成的铝部件与由铜或铜合金构成的铜部件进行了固相扩散接合的情况下，也能够抑制在接合界面形成比较硬的金属间化合物层，并能够抑制负载冷热循环时的热阻的上升和接合率的降低。
为了解决前述课题，本发明的接合体接合有由铝合金构成的铝合金部件和由铜或铜合金构成的铜部件，所述接合体的特征在于，所述铝合金部件由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，所述铝合金部件与所述铜部件被固相扩散接合，在所述铝合金部件与所述铜部件的接合界面具备所述铝合金部件的金属原子和所述铜部件的Cu原子扩散而形成的化合物层，该化合物层由配设于所述铝合金部件侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述铜部件侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成。
根据该结构的接合体，所述接合体具备所述铝合金部件的金属原子和所述铜部件的Cu原子扩散而形成的化合物层，该化合物层由配设于所述铝合金部件侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述铜部件侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成，因此通过Cu-Al-Mg层而Cu和Al的金属间化合物层的生长得到抑制，由此不会形成比较硬的η2相、ζ2相及δ相，能够抑制负载了冷热循环时的化合物层的裂纹的产生。
在此，在本发明的接合体中，可以在所述铝合金部件的接合面形成有镁氧化物膜。
在此情况下，能够通过镁氧化物膜来抑制Al原子的扩散，并能够抑制金属间化合物过度生长。由此，能够进一步抑制负载了冷热循环时的化合物层的裂纹的产生。
并且，在本发明的接合体中，所述镁氧化物膜优选具有结晶性粒状体。
在此情况下，镁氧化物膜的强度得到提高，且能够进一步提高接合强度。
本发明的自带散热器的绝缘电路基板具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个表面上的电路层、形成于所述绝缘层的另一表面上的金属层及配置于该金属层的与所述绝缘层相反的一侧的表面上的散热器，所述自带散热器的绝缘电路基板的特征在于，所述金属层中与所述散热器的接合面由铜或铜合金构成，所述散热器中与所述金属层的接合面由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，所述散热器与所述金属层被固相扩散接合，在所述散热器与所述金属层的接合界面具备所述铝合金的金属原子和所述铜部件的Cu原子扩散而形成的化合物层，该化合物层由配设于所述散热器侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述金属层侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成。
根据该结构的自带散热器的绝缘电路基板，在所述散热器与所述金属层的接合界面具备所述铝合金的金属原子和所述铜部件的Cu原子扩散而形成的化合物层，该化合物层由配设于所述散热器侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述金属层侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成，因此通过Cu-Al-Mg层而Cu和Al的金属间化合物层的生长得到抑制，由此不会形成比较硬的η2相、ζ2相及δ相，能够抑制负载了冷热循环时的化合物层的裂纹的产生。
在此，在本发明的自带散热器的绝缘电路基板中，可以在所述散热器的接合面形成有镁氧化物膜。
在此情况下，能够通过镁氧化物膜来抑制Al原子的扩散，并能够抑制金属间化合物过度生长。由此，能够进一步抑制负载了冷热循环时的化合物层的裂纹的产生。
并且，在本发明的自带散热器的绝缘电路基板中，所述镁氧化物膜优选具有结晶性粒状体。
在此情况下，镁氧化物膜的强度得到提高，且能够进一步提高接合强度。
本发明的散热器具备散热器主体及接合于所述散热器主体上且由铜或铜合金构成的铜部件层，所述散热器的特征在于，所述散热器主体由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，所述散热器主体与所述铜部件层被固相扩散接合，在所述散热器主体与所述铜部件层的接合界面具备所述散热器主体的金属原子和所述铜部件层的Cu原子扩散而形成的化合物层，该化合物层由配设于所述散热器主体侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述铜部件层侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成。
根据该结构的散热器，在所述散热器主体与所述铜部件层的接合界面具备所述散热器主体的金属原子和所述铜部件层的Cu原子扩散而形成的化合物层，该化合物层被设为由配设于所述散热器主体侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述铜部件层侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成的结构，因此通过Cu-Al-Mg层而Cu和Al的金属间化合物层的生长得到抑制，从而不会形成比较硬的η2相、ζ2相及δ相，能够抑制负载了冷热循环时的金属化合物层的裂纹的产生。
在此，在本发明的散热器中，可以在所述散热器主体的接合面形成有镁氧化物膜。
在此情况下，能够通过镁氧化物膜来抑制Al原子的扩散，并能够抑制金属间化合物过度生长。由此，能够进一步抑制负载了冷热循环时的化合物层的裂纹的产生。
并且，在本发明的散热器中，所述镁氧化物膜优选具有结晶性粒状体。
在此情况下，镁氧化物膜的强度得到提高，且能够进一步提高接合强度。
根据本发明，能够提供一种接合体、具备该接合体的自带散热器的绝缘电路基板及散热器，所述接合体即使在对由铝或铝合金构成的铝部件与由铜或铜合金构成的铜部件进行了固相扩散接合的情况下，也能够抑制在接合界面形成比较硬的金属间化合物层，并能够抑制负载冷热循环时的热阻的上升和接合率的降低。
附图说明
图1是Cu和Al的2元状态图。
图2是具备本发明的第一实施方式所涉及的自带散热器的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图3是图2所示的自带散热器的绝缘电路基板的散热器与金属层(Cu层)的接合界面的截面放大说明图。
图4是对第一实施方式所涉及的自带散热器的绝缘电路基板的制造方法进行说明的流程图。
图5是第一实施方式所涉及的自带散热器的绝缘电路基板的制造方法的概略说明图。
图6是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是图6所示的散热器的散热器主体与铜部件层的接合界面的截面放大说明图。
图8是对第二实施方式所涉及的散热器的制造方法进行说明的流程图。
图9是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10是具备本发明的另一实施方式的自带散热器的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图11是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12是表示在实施例2中的本发明例16的镁氧化物膜的观察结果的照片。
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2中示出使用了本发明的第一实施方式的自带散热器的绝缘电路基板30的功率模块1。
该功率模块1具备自带散热器的绝缘电路基板30及经由焊锡层2接合于该自带散热器的绝缘电路基板30的一个表面上(在图2中为上表面)的半导体元件3。
自带散热器的绝缘电路基板30具备绝缘电路基板10及接合于绝缘电路基板10上的散热器31。
绝缘电路基板10具备构成绝缘层的陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一个表面(在图2中为上表面)上的电路层12及配设于陶瓷基板11的另一表面上的金属层13。
陶瓷基板11由绝缘性及散热性优异的氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)及氧化铝(Al2O3)等陶瓷构成。本实施方式中，陶瓷基板11尤其由散热性优异的氮化铝(AlN)构成。并且，将陶瓷基板11的厚度例如设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中，设定为0.635mm。
如图5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的一个表面上而形成。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)或纯度为99.99质量％以上的铝(4N铝)的轧制板(铝板22)接合于陶瓷基板11上而形成。另外，将成为电路层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2所示，金属层13具有配设于陶瓷基板11的另一表面上的Al层13A及层叠于该Al层13A中与接合有陶瓷基板11的一面相反的一侧的表面上的Cu层13B。
如图5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的另一表面上而形成。在本实施方式中，Al层13A通过纯度为99质量％以上的铝(2N铝)或纯度为99.99质量％以上的铝(4N铝)的轧制板(铝板23A)接合于陶瓷基板11上而形成。将所接合的铝板23A的厚度设定在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内，本实施方式中，设定为0.6mm。如图5所示，Cu层13B通过由铜或铜合金构成的铜板23B接合于Al层13A的另一表面上而形成。在本实施方式中，Cu层13B通过接合无氧铜的轧制板(铜板23B)而形成。将Cu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用于发散绝缘电路基板10侧的热，本实施方式中，如图2所示，设置有冷却介质流通的流路32。该散热器31由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，另外，在该铝合金中，Si浓度小于1质量％，优选不析出Si。另外，含有Si的金属间化合物可以析出。
在此，散热器31与金属层13(Cu层13B)被固相扩散接合。
如图3所示，在金属层13(Cu层13B)与散热器31的接合界面形成有化合物层40。该化合物层40通过散热器31的金属原子和金属层13(Cu层13B)的Cu原子相互扩散而形成。
并且，如图3所示，该化合物层40由配设于散热器31侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层41、配设于金属层13(Cu层13B)侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层42及在这些第一金属间化合物层41与第二金属间化合物层42之间形成的Cu-Al-Mg层43构成。
在本实施方式中，Cu-Al-Mg层43由作为Cu、Al及Mg的金属间化合物的Cu6Al5Mg2或者CuAl2Mg、Cu3Al7Mg6、CuAlMg等构成。
并且，该Cu-Al-Mg层43的Mg是构成散热器31的铝合金中所包含的Mg扩散而获得的Mg。因此，在散热器31的接合界面附近形成缺乏Mg的Mg缺乏层。
在此，将化合物层40的厚度设定在10μm以上且70μm以下的范围内，优选设定在15μm以上且40μm以下的范围内。
并且，将Cu-Al-Mg层43的厚度设定在1μm以上且45μm以下的范围内，优选设定在2.5μm以上且30μm以下的范围内。
另外，可以在散热器31与金属层13(Cu层13B)的接合界面中的散热器31的接合面形成有镁氧化物膜。该镁氧化物膜通过使在散热器31的表面所形成的氧化铝皮膜与散热器31(铝合金)的Mg进行反应而形成。
该镁氧化物膜由MgO或MgAl2O4构成。并且，在镁氧化物膜中，优选具有结晶性粒状体。通过使非晶质的氧化铝皮膜与Mg进行反应而生成结晶性粒状体，因此通过结晶性粒状体的存在而充分地进行氧化铝皮膜与Mg的反应。
接着，参考图4及图5，对本实施方式的自带散热器的绝缘电路基板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的一个表面上经由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的另一表面上经由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，使用厚度为10μm的Al-8质量％Si合金箔来作为Al-Si系钎料箔26。
(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(0.1～3.5MPa))的状态下将其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，将加热温度设定在600℃以上且650℃以下的范围内，将在加热温度下的保持时间设定在15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的另一表面侧层叠成为Cu层13B的铜板23B。
并且，在沿层叠方向进行加压(压力3～35kgf/cm2(0.3～3.5MPa))的状态下将其配置于真空加热炉内并进行加热，从而对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，将加热温度设定在400℃以上且548℃以下的范围内，将在加热温度下的保持时间设定在5分钟以上且240分钟以下的范围内。
另外，关于在Al层13A及铜板23B中被固相扩散接合的各自的接合面，预先去除该面的瑕疵而变得平滑。
(金属层/散热器接合工序S04)
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(0.5～3.5MPa))的状态下配置于真空加热炉内并进行加热，从而对金属层13(Cu层13B)与散热器31进行固相扩散接合。另外，关于在金属层13(Cu层13B)及散热器31中被固相扩散接合的各自的接合面，预先去除该面的瑕疵而变得平滑。
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，将加热温度设定在400℃以上且520℃以下的范围内，将在加热温度下的保持时间设定在30分钟以上且240分钟以下的范围内。
在该金属层/散热器接合工序S04中，如图3所示，Cu层13B中的Cu原子和散热器31中的Al原子及Mg原子相互扩散而形成由第一金属间化合物层41、Cu-Al-Mg层43及第二金属间化合物层42构成的化合物层40。
另外，有时还在散热器31与金属层13(Cu层13B)的接合界面中的散热器31的表面部分形成镁氧化物膜。并且，在镁氧化物膜中，金属层/散热器接合工序S04的加热温度高且保持时间变长，由此促进氧化铝皮膜与Mg的反应，并从非晶质转变成晶质。
通过这种方式，制造本实施方式的自带散热器的绝缘电路基板30。
(半导体元件接合工序S05)
接着，在电路层12的一个面(表面)上经由焊料层叠半导体元件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。
根据被设为如上结构的本实施方式所涉及的自带散热器的绝缘电路基板30，在散热器31与金属层13(Cu层13B)的接合界面具备构成散热器31的铝合金的Al原子及Mg原子和金属层13(Cu层13B)的Cu原子相互扩散而形成的化合物层40，该化合物层40由配设于散热器31侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层41、配设于金属层13(Cu层13B)侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层42及在这些第一金属间化合物层41与第二金属间化合物层42之间形成的Cu-Al-Mg层43构成，因此通过Cu-Al-Mg层43而金属间化合物的生长得到抑制，从而不会形成比较硬的η2相、ζ2相及δ相，能够抑制负载了冷热循环时的化合物层40的裂纹的产生。
并且，在本实施方式中，化合物层40的厚度被设为10μm以上，因此Cu原子和Al原子充分地相互扩散，从而能够可靠地对散热器31与金属层13(Cu层13B)进行固相扩散接合。
而且，在本实施方式中，化合物层40的厚度被设为70μm以下，因此金属间化合物不会过度生长，能够抑制化合物层40中的裂纹的产生等。
并且，在本实施方式中，Cu-Al-Mg层43的厚度被设为1μm以上，因此能够可靠地抑制金属间化合物的生长。
而且，在本实施方式中，Cu-Al-Mg层43的厚度被设为45μm以下，因此金属间化合物的生长未被过度抑制，能够可靠地对散热器31与金属层13(Cu层13B)进行固相扩散接合。
并且，在本实施方式中，在散热器31的接合面形成有镁氧化物膜的情况下，能够通过镁氧化物膜来抑制Al原子的扩散，并能够抑制金属间化合物过度生长。由此，能够进一步抑制负载了冷热循环时的化合物层40的裂纹的产生。
而且，在镁氧化物膜具有结晶性粒状体的情况下，镁氧化物膜的强度得到提高，且能够进一步提高散热器31与金属层13(Cu层13B)的接合强度。
(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的一个表面上(在图6中为上侧)且由铜或铜合金构成的铜部件层117。本实施方式中，如图9所示，铜部件层117通过接合由无氧铜的轧制板构成的铜板127而构成。
在散热器主体110中设置有冷却介质流通的流路111。该散热器主体110由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，另外，在该铝合金中，Si浓度小于1质量％，且被设为Si固溶于母相中。
在此，散热器主体110与铜部件层117被固相扩散接合。
如图7所示，在散热器主体110与铜部件层117的接合界面形成有含有Al和Cu的化合物层140。该化合物层140通过散热器主体110的金属原子和铜部件层117的Cu原子相互扩散而形成。
并且，如图7所示，该化合物层140由配设于散热器主体110侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层141、配设于铜部件层117侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层142及在这些第一金属间化合物层141与第二金属间化合物层142之间形成的Cu-Al-Mg层143构成。
在本实施方式中，Cu-Al-Mg层143由作为Cu、Al及Mg的金属间化合物的Cu6Al5Mg2或者CuAl2Mg、Cu3Al7Mg6、CuAlMg等构成。
并且，该Cu-Al-Mg层143的Mg是构成散热器主体110的铝合金中所包含的Mg扩散而获得的Mg。因此，在散热器主体110的接合界面附近形成缺乏Mg的Mg缺乏层。
另外，在本实施方式中，在散热器主体110与铜部件层117的接合界面中的散热器主体110的表面部分形成有镁氧化物膜112。
该镁氧化物膜112通过使在散热器主体110的表面上所形成的氧化铝皮膜与散热器主体110(铝合金)的Mg进行反应而形成。
在此，镁氧化物膜112由MgO或MgAl2O4构成。
并且，在镁氧化物膜中，优选具有结晶性粒状体。通过使非晶质的氧化铝皮膜与Mg进行反应而生成结晶性粒状体，因此通过结晶性粒状体的存在而充分地进行氧化铝皮膜与Mg的反应。
接着，参考图8及图9，对本实施方式的散热器101的制造方法进行说明。
(散热器主体热处理工序S101)
首先，对要接合的散热器主体110进行热处理，并在散热器主体110的表面上形成镁氧化物膜112。将此时的热处理条件设为如下，即，气氛：在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内的真空或氮气气氛，热处理温度：250℃以上且400℃以下，在热处理温度下的保持时间：10分钟以上且30分钟以下。
(散热器主体/铜部件层接合工序S102)
接着，如图9所示，层叠散热器主体110与成为铜部件层117的铜板127，并在沿层叠方向进行加压(压力5～35kgf/cm2(0.5～3.5MPa))的状态下配置于真空加热炉内并进行加热，从而对铜板127与散热器主体110进行固相扩散接合。另外，关于在铜板127、散热器主体110中被固相扩散接合的各自的接合面，预先去除该面的瑕疵而变得平滑。
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，将加热温度设定在450℃以上且520℃以下的范围内，将在加热温度下的保持时间设定在30分钟以上且240分钟以下的范围内。
在该散热器主体/铜部件层接合工序S102中，如图7所示，铜板127中的Cu原子和散热器主体110中的Al原子及Mg原子相互扩散而形成由第一金属间化合物层141、Cu-Al-Mg层143及第二金属间化合物层142构成的化合物层140。
通过这种方式，制造本实施方式的散热器101。
根据被设为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的一个表面侧接合由无氧铜的轧制板构成的铜板127而形成铜部件层117，因此能够通过铜部件层117使热向面方向扩散，并能够大幅度提高散热特性。并且，能够使用焊接等良好地接合其他部件与散热器101。
并且，本实施方式中，在散热器主体110与铜部件层117的接合界面中，如图7所示，在散热器主体110与铜部件层117的接合界面具备散热器主体110的Al原子及Mg原子和构成铜部件层117的Cu原子扩散而形成的化合物层140，该化合物层140由配设于散热器主体110侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层141、配设于铜部件层117侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层142及在这些第一金属间化合物层141与第二金属间化合物层142之间形成的Cu-Al-Mg层143构成，因此通过Cu-Al-Mg层143而金属间化合物的生长得到抑制，从而不会形成比较硬的η2相、ζ2相及δ相，能够抑制负载了冷热循环时的化合物层140的裂纹的产生。
而且，在本实施方式中，在散热器主体110的表面上形成有镁氧化物膜112，因此能够通过该镁氧化物膜112来抑制Al原子扩散，并能够进一步抑制金属间化合物过度生长。
并且，在镁氧化物膜112具有结晶性粒状体的情况下，镁氧化物膜112的强度得到提高，且散热器主体110与铜部件层117的接合强度得到提高。
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，在不脱离本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，对将金属层13作为具有Al层13A及Cu层13B的层进行了说明，但并不限定于此，如图10所示，也可以由铜或铜合金构成金属层整体。在该图10所示的自带散热器的绝缘电路基板230中，在陶瓷基板11的另一表面上(图10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10所示的绝缘电路基板210中，电路层212也被设为通过铜或铜合金而构成。
并且，在第一实施方式中，对将电路层作为通过接合纯度为99质量％的铝板而形成的电路层进行了说明，但并不限定于此，也可以为由纯度为99.99质量％以上的纯铝或者由其他铝或铝合金、铜或铜合金等其他金属构成的电路层。并且，也可以将电路层设为Al层与Cu层的两层结构的电路层。这在图10所示的绝缘电路基板210中也相同。
并且，在第一实施方式的金属层/散热器接合工序S04中，对作为层叠金属层13(Cu层13B)与散热器31且在沿层叠方向进行加压的状态下配置于真空加热炉内并进行加热的结构进行了说明，在第二实施方式的散热器主体/铜部件层接合工序S102中，对层叠散热器主体110与成为铜部件层117的铜板127且在沿层叠方向进行加压(压力5～35kgf/cm2(0.5～3.5MPa))的状态下配置于真空加热炉内并进行加热的结构进行了说明，但并不限定于此，如图11所示，也可以在对铝合金部件301(散热器31、散热器主体110)与铜部件302(金属层13、铜部件层117)进行固相扩散接合时适用通电加热法。
如图11所示，在进行通电加热时，层叠铝合金部件301与铜部件302，并将这些层叠体经由碳板311、311通过一对电极312、312沿层叠方向进行加压，并且对铝合金部件301及铜部件302进行通电。于是，通过焦耳热而碳板311、311及铝合金部件301和铜部件302被加热，且铝合金部件301与铜部件302被固相扩散接合。
在上述通电加热法中，铝合金部件301及铜部件302直接被通电加热，因此能够将升温速度设为较快，例如30～100℃/分钟，并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，根据铝合金部件301及铜部件302的电阻值和比热，还能够在这些铝合金部件301及铜部件302中产生温度差的状态下进行接合，从而减小热膨胀差，且还能够实现热应力的降低。
在此，在上述通电加热法中，优选将基于一对电极312、312的加压载荷设在30kgf/cm2以上且100kgf/cm2以下(3MPa以上且10MPa以下)的范围内。
并且，在适用通电加热法的情况下，优选将铝合金部件301及铜部件302的表面粗糙度以算数平均粗糙度Ra计为0.3μm以上且0.6μm以下或以最大高度Rz计为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而难以局部加热接合界面，因此优选设在上述范围内。
另外，在第一实施方式的金属层/散热器接合工序S04中能够利用上述通电加热法，但在此情况下，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。关于接合条件，与上述铝合金部件301和铜部件302的接合相同。
并且，关于金属层13(Cu层13B)与散热器31的表面粗糙度，也与上述铝合金部件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。
＜实施例1＞
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(40mm×40mm，厚度5mm)固相扩散接合于表1所示的铝合金板(50mm×50mm，厚度5mm)的一个表面上。在本发明例6及本发明例7中，对铝合金板进行热处理之后，使其与铜板进行了固相扩散接合。
在本发明例1-7及比较例1-3中，将铝板与金属板以15kgf/cm2(1.5MPa)的载荷沿层叠方向进行按压，并利用真空加热炉在500℃×180分钟的条件下实施了固相扩散接合。
(化合物层的结构)
对被固相扩散接合的铝合金板与金属板的接合体的截面进行观察，并如下评价了在接合界面所形成的化合物层的结构。将评价结果示于表1中。
(层结构)
使用透射电子显微镜(FEI公司制造Titan ChemiSTEM，加速电压200kV)分析电子衍射图形，并使用能量色散X射线分析法(Thermo Fisher Scientific制造NSS7)分析组成来确定形成层。另外，关于电子衍射图形，通过照射聚焦到1nm左右的电子束而获得(NBD法)。
(冷热循环试验)
接着，在通过这种方式制造的接合体中，实施了冷热循环试验。使用冷热冲击试验机ESPEC CORP.制造TSA-72ES，在气槽中，对试验片(自带散热器的功率模块)实施了2500次在-50℃下45分钟且在175℃下45分钟的热循环。
并且，通过以下方式评价了冷热循环试验前的接合体的层叠方向的热阻和接合率及冷热循环试验后的接合体的层叠方向的热阻和接合率。
(接合率评价)
利用超声波探伤装置对接合体的铝板与金属板的接合部的接合率进行评价，并由以下式进行了计算。在此，初始接合面积设为接合前要接合的面积，即铝板的面积。在超声波探伤图像中，由白色部分表示剥离，因此将该白色部分的面积作为剥离面积。将评价结果示于表1中。
接合率(％)＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)×100
(热阻的测定)
将加热片(13mm×10mm×0.25mm)焊接在金属板的表面上，并将铝合金板钎焊接合在冷却器。接着，用100W的功率对加热片进行加热，并利用热电偶对加热片的温度进行了实测。并且，对冷却器中流通的冷却介质(二乙醇:水＝9:1)的温度进行了实测。并且，将加热片的温度与冷却介质的温度差除以功率的值作为热阻。
另外，将比较例1的热循环试验前的热阻设为1来作为基准，并通过与该比较例1的比率评价了热阻。将评价结果示于表1中。
[表1]
Figure BDA0002449985550000151
在铝合金板的Si浓度被设为6.0质量％且Mg浓度被设为12.7质量％的比较例1中，在化合物层中存在θ相和Mg-Si相，从而冷热循环后的接合率低且热阻变大。
在铝合金板的Mg浓度被设为0.1质量％的比较例2中，在化合物层中形成有作为Cu和Al的金属间化合物的η2相、ζ2相及δ相，从而冷热循环后的接合率低且热阻变大。
在铝合金板的Mg浓度被设为10.3质量％的比较例3中，冷热循环后的接合率低且热阻变大。推测其原因在于，在化合物层中较厚地形成Cu-Al-Mg相，因此金属间化合物的生长被过度抑制，金属间化合物层的厚度变得不均匀，铝合金板的硬度进一步增加，且对界面的应力负载增加，由此产生了裂纹。
相对于此，根据本发明例，在化合物层中适当地形成有Cu-Al-Mg相，在冷热循环前后，接合率高且能够将热阻抑制为较小。
综上所述，确认到根据本发明例1-7，能够提供由铝合金构成的铝部件与由铜或铜合金构成的铜部件被固相扩散接合，且能够抑制在接合界面形成比较硬的金属间化合物层的接合体。
＜实施例2＞
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1mm)固相扩散接合于表2所示的铝合金板(10mm×10mm，厚度3mm)的一个表面上。将铝板与金属板以15kgf/cm2(1.5MPa)的载荷沿层叠方向进行按压，并以表2所示的温度及保持时间实施了固相扩散接合。
关于所获得的接合体，通过与实施例1相同的方法，确认了在接合界面所形成的化合物层的层结构。其结果，本发明例11-22均为“θ/Cu-Al-Mg/γ2”的层结构。
并且，通过以下方式对镁氧化物膜的有无、镁氧化物膜中的粒状体的有无及接合强度(抗剪强度)进行了评价。
(镁氧化物膜的有无/非晶质氧化物膜的有无/粒状体的有无)
使用透射电子显微镜(FEI公司制造Titan ChemiSTEM，加速电压200kV)以倍率60000倍进行测定，并通过能量色散X射线分析法(Thermo Fisher Scientific制造NSS7)而获得了Cu、Al、Mg及O的元素映射图像。在Cu和Al相同地存在的区域内，将Mg和O存在于相同区域的区域设为镁氧化物层。并且，确认了镁氧化物膜中的粒状体的有无。将本发明例16的镁氧化物膜的观察结果示于图12中。
并且，通过使用了聚焦到1nm的电子束的纳米束衍射法(NBD法)而获得电子衍射图形。并且，在电子衍射图形具有晕轮图案时，非晶质氧化物膜被判断为“有”。
(接合强度)
通过剪切测试，进行了抗剪强度(剪切强度)的测定。以使铜板朝上的方式水平固定铝合金板，并利用剪切工具从侧面水平按压(剪切速度0.1mm/秒)铜板，确认了铜板与铝合金板的接合被破坏时的强度及破坏的位置(破坏模式)。另外，将强度设为实施20次的抗剪强度试验后的其平均值。将评价结果示于表2中。
[表2]
Figure BDA0002449985550000161
确认到通过接合温度高且保持时间变长，接合强度进一步得到提高。推测其原因在于，使在铝合金板的表面上所形成的氧化铝皮膜与铝合金板的Mg进行反应而形成镁氧化物膜，且在该镁氧化物膜中，结晶性粒状体的比例变多。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种接合体、具备该接合体的自带散热器的绝缘电路基板及散热器，所述接合体即使在对由铝或铝合金构成的铝部件与由铜或铜合金构成的铜部件进行了固相扩散接合的情况下，也能够抑制在接合界面形成比较硬的金属间化合物层，并能够抑制负载冷热循环时的热阻的上升和接合率的降低。
符号说明
10、210-绝缘电路基板，11-陶瓷基板，13、213-金属层，13B-Cu层(铜部件)，31-散热器(铝合金部件)，40-化合物层，41-第一金属间化合物层，42-第二金属间化合物层，43-Cu-Al-Mg层，101-散热器，110-散热器主体(铝合金部件)，117-铜部件层，140-化合物层，141-第一金属间化合物层，142-第二金属间化合物层，143-Cu-Al-Mg层。

Claims (9)

1.一种接合体，其接合有由铝合金构成的铝合金部件和由铜或铜合金构成的铜部件，所述接合体的特征在于，
所述铝合金部件由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，所述铝合金部件与所述铜部件被固相扩散接合，
在所述铝合金部件与所述铜部件的接合界面具备所述铝合金部件的金属原子和所述铜部件的Cu原子扩散而形成的化合物层，
该化合物层由配设于所述铝合金部件侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述铜部件侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成。
2.根据权利要求1所述的接合体，其特征在于，在所述铝合金部件的接合面形成有镁氧化物膜。
3.根据权利要求2所述的接合体，其特征在于，所述镁氧化物膜具有结晶性粒状体。
4.一种自带散热器的绝缘电路基板，其具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个表面上的电路层、形成于所述绝缘层的另一表面上的金属层及配置于该金属层的与所述绝缘层相反的一侧的表面上的散热器，所述自带散热器的绝缘电路基板的特征在于，
所述金属层中与所述散热器的接合面由铜或铜合金构成，
所述散热器中与所述金属层的接合面由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，
所述散热器与所述金属层被固相扩散接合，
在所述散热器与所述金属层的接合界面具备所述铝合金的金属原子和所述铜部件的Cu原子扩散而形成的化合物层，
该化合物层由配设于所述散热器侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述金属层侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成。
5.根据权利要求4所述的自带散热器的绝缘电路基板，其特征在于，在所述散热器的接合面形成有镁氧化物膜。
6.根据权利要求5所述的自带散热器的绝缘电路基板，其特征在于，所述镁氧化物膜具有结晶性粒状体。
7.一种散热器，其具备散热器主体及接合于所述散热器主体上且由铜或铜合金构成的铜部件层，所述散热器的特征在于，
所述散热器主体由Mg浓度被设在0.4质量％以上且7.0质量％以下的范围内而Si浓度被设为小于1质量％的铝合金构成，
所述散热器主体与所述铜部件层被固相扩散接合，
在所述散热器主体与所述铜部件层的接合界面具备所述散热器主体的金属原子和所述铜部件层的Cu原子扩散而形成的化合物层，
该化合物层由配设于所述散热器主体侧且由Cu和Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层、配设于所述铜部件层侧且由Cu和Al的金属间化合物的γ2相构成的第二金属间化合物层及在这些第一金属间化合物层与第二金属间化合物层之间形成的Cu-Al-Mg层构成。
8.根据权利要求7所述的散热器，其特征在于，在所述散热器主体的接合面形成有镁氧化物膜。
9.根据权利要求8所述的散热器，其特征在于，所述镁氧化物膜具有结晶性粒状体。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003115655A (ja) * 2001-10-05 2003-04-18 Kyocera Corp 配線基板
WO2011155214A1 (ja) * 2010-06-10 2011-12-15 ワシマイヤー株式会社 結合部材及びその製造方法
JP2015070061A (ja) * 2013-09-27 2015-04-13 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
CN104718616A (zh) * 2012-10-16 2015-06-17 三菱综合材料株式会社 自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块及自带散热器的功率模块用基板的制造方法
WO2016167217A1 (ja) * 2015-04-16 2016-10-20 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法
JP2017120828A (ja) * 2015-12-28 2017-07-06 三菱マテリアル株式会社 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
CN107112298A (zh) * 2014-10-16 2017-08-29 三菱综合材料株式会社 附带冷却器的功率模块用基板及其制造方法
JP2017157600A (ja) * 2016-02-29 2017-09-07 三菱マテリアル株式会社 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3171234B2 (ja) 1997-03-26 2001-05-28 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付セラミック回路基板
AU2003257838A1 (en) * 2003-08-07 2005-02-25 Sumitomo Precision Products Co., Ltd. Al-Cu JUNCTION STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME
WO2011152556A1 (ja) * 2010-06-04 2011-12-08 古河スカイ株式会社 アルミニウム合金材の接合方法
JP5577980B2 (ja) 2010-09-16 2014-08-27 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、パワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
JP6307832B2 (ja) 2013-01-22 2018-04-11 三菱マテリアル株式会社 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、ヒートシンク付パワーモジュール
JP6575386B2 (ja) * 2015-03-11 2019-09-18 三菱マテリアル株式会社 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンクの製造方法
JP6696214B2 (ja) 2015-04-16 2020-05-20 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法
JP6696215B2 (ja) * 2015-04-16 2020-05-20 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法
JP6330951B2 (ja) * 2017-05-23 2018-05-30 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板製造のための接合体
JP7031172B2 (ja) * 2017-08-24 2022-03-08 富士電機株式会社 半導体装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003115655A (ja) * 2001-10-05 2003-04-18 Kyocera Corp 配線基板
WO2011155214A1 (ja) * 2010-06-10 2011-12-15 ワシマイヤー株式会社 結合部材及びその製造方法
CN104718616A (zh) * 2012-10-16 2015-06-17 三菱综合材料株式会社 自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块及自带散热器的功率模块用基板的制造方法
JP2015070061A (ja) * 2013-09-27 2015-04-13 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
CN107112298A (zh) * 2014-10-16 2017-08-29 三菱综合材料株式会社 附带冷却器的功率模块用基板及其制造方法
WO2016167217A1 (ja) * 2015-04-16 2016-10-20 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法
JP2017120828A (ja) * 2015-12-28 2017-07-06 三菱マテリアル株式会社 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
JP2017157600A (ja) * 2016-02-29 2017-09-07 三菱マテリアル株式会社 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、接合体及びヒートシンク付パワーモジュール用基板

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