CN111602238A - 带散热片的功率模块用基板及功率模块 - Google Patents

带散热片的功率模块用基板及功率模块 Download PDF

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Abstract

当将构成电路层的第2层与第1层的接合面积设为A1(mm2)，将第2层的等效板厚设为t1(mm)，将第2层的屈服强度设为σ1(N/mm2)，将第2层的线膨胀系数设为α1(/K)，将散热侧接合材料与金属层的接合面积设为A2(mm2)，将散热侧接合材料的等效板厚设为t2(mm)，将散热侧接合材料的屈服强度设为σ2(N/mm2)，将散热侧接合材料的线膨胀系数设为α2(/K)，将散热片与散热侧接合材料的接合面积设为A3(mm2)，将散热片的等效板厚设为t3(mm)，将散热片的屈服强度设为σ3(N/mm2)，将散热片的线膨胀系数设为α3(/K)时，在25℃的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}为0.70以上且1.30以下。

Description

带散热片的功率模块用基板及功率模块
技术领域
本发明涉及一种控制强电流、高电压的半导体装置中所使用的带散热片的功率模块用基板及功率模块。本申请根据2018年1月24日在日本申请的专利申请2018-009313号而主张优先权，将其内容援用于此。
背景技术
作为用于功率模块的功率模块用基板，已知有具备例如AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝)、Si3N4(氮化硅)等的陶瓷基板及接合于该陶瓷基板的一个面的由铝(Al)或铜(Cu)等导电性优异的金属形成的电路层的结构。
在这种功率模块用基板中，还会在陶瓷基板的另一个面形成由导热性优异的金属形成的金属层或通过金属层接合散热片(散热层)。接合有散热片的带散热片的功率模块用基板是在将散热片安装于冷却器的状态下使用。
功率模块是通过在如此构成的带散热片的功率模块用基板的电路层的表面(上表面)搭载(组装)功率元件等半导体元件而制造的。组装有半导体元件的功率模块，为了绝缘性确保或配线保护等，还会用树脂通过灌封或模注进行密封。
一般的带散热片的功率模块用基板是通过接合于陶瓷基板的一个面的电路层和接合于另一个面的金属层的厚度形成为相同程度，并且在金属层接合高刚性的散热片而制造。因此，带散热片的功率模块用基板具有经由陶瓷基板的上下的刚性差距，在半导体元件的组装工序中被加热时或使用环境中的温度变化等中可能会发生翘曲。
在组装工序中发生了翘曲的情况下，会发生半导体元件的错位、在半导体元件的接合部发生变形或裂纹等，由此减损接合可靠性。在使用环境中发生了翘曲的情况下，介于散热片与冷却器之间的导热性润滑脂会因泵出(pump-out)现象而从散热片与冷却器之间流出，由此散热片与冷却器的密合性减损，导致热阻的增加，因此妨碍散热性。
因此，需要翘曲少的带散热片的功率模块用基板，从以往提出了减小带散热片的功率模块的翘曲的技术。
例如，专利文献1中记载了一种对于由刚性高的铝形成的散热片，将电路层设成第1层与第2层的层叠结构而在与陶瓷基板相反的一侧配置由刚性高的铝形成的第2层，由此构成以陶瓷基板为中心的对称结构。
并且，专利文献1中记载了如下内容：针对电路层的第2层及散热片，将这些的厚度t1、t2(mm)、接合面积A1、A2(mm2)及屈服强度σ1、σ2(N/mm2)的关系设定在比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.85以上且1.40以下的范围，由此提高以陶瓷基板为中心的对称性，能够防止翘曲的发生。
专利文献2中记载了如下内容：一种将由多个小电路层构成的电路层的各小电路层设成第1层与第2层的层叠结构，由主成分和第2层相同的材料(铜或铝)来形成散热片(散热板)，由此构成以陶瓷基板为中心的对称结构。
并且，专利文献2中记载了如下内容：在小电路层彼此之间的非接合区域，在金属层也设置与陶瓷基板的非接合部，由此进一步提高电路层与金属层的对称性。
专利文献1：日本特开2015-216370号公报
专利文献2：日本特开2017-73483号公报
如此，为了减小带散热片的功率模块用基板的加热时发生的翘曲，进行构成以陶瓷基板为中心的对称结构。但是，专利文献1或专利文献2中，由主成分相同材料(铜或铝)形成散热片(散热板)和电路层的第2层，由此构成以陶瓷基板为中心的对称结构，在由不同材料形成电路层(第2层)和散热片的情况下便无法适用。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，目的在于提供一种能够由不同材料形成电路层和散热片，而能够减小加热时的翘曲的带散热片功率模块用基板及功率模块。
本发明的带散热片的功率模块用基板是具备陶瓷基板、接合于所述陶瓷基板的第1面的电路层、接合于所述陶瓷基板的第2面的金属层及通过散热侧接合材料而接合于所述金属层的散热片的带散热片功率模块用基板，在该带散热片的功率模块用基板中，所述电路层被设成具有接合于所述陶瓷基板的所述第1面的第1层及接合于所述第1层的表面的第2层的层叠结构，所述第1层及所述金属层由纯度99.99质量％以上的铝形成，所述第2层及所述散热侧接合材料由纯铜或铜合金形成，所述散热片由纯度比所述第1层及所述金属层更低的铝形成，当将所述第2层与所述第1层的接合面积设为A1(mm2)，将所述第2层的体积除以所述接合面积A1而得的等效板厚设为t1(mm)，所述第2层的屈服强度设为σ1(N/mm2)，所述第2层的线膨胀系数设为α1(/K)，所述散热侧接合材料与所述金属层的接合面积设为A2(mm2)，将所述散热侧接合材料的体积除以所述接合面积A2而得的等效板厚设为t2(mm)，所述散热侧接合材料的屈服强度设为σ2(N/mm2)，所述散热侧接合材料的线膨胀系数设为α2(/K)，所述散热片与所述散热侧接合材料的接合面积设为A3(mm2)，将所述散热片的体积除以所述接合面积A3而得的等效板厚设为t3(mm)，所述散热片的屈服强度设为σ3(N/mm2)，所述散热片的线膨胀系数设为α3(/K)时，在25℃的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+A3×t3×σ3×α3)}为0.70以上且1.30以下。
该带散热片的功率模块用基板是将电路层设成第1层与第2层的层叠结构，在电路层的第2层使用铜材料，散热片使用铝材料，由导电性比铝还优异的铜形成第2层。散热片使用铝纯度低、刚性高的即屈服强度高的铝材料，并且金属层与散热片之间的散热侧接合材料使用铜材料，在这些的组合中，将在25℃的上述比率调整为上述范围，由此构成以陶瓷基板为中心的对称结构。
上述接合面积A1、A2、A3、等效板厚t1、t2、t3、屈服强度σ1、σ2、σ3及线膨胀系数α1、α2、α3均为25℃(常温)的值。
关于带散热片的功率模块用基板，在将多个小电路层并列配设来将电路层图案化的情况下、或在散热片配设了鳍片的情况下等，电路层或散热片的形状是以种种的变形来构成。在这种情况下也同样地，对于各部件的刚性不仅通过屈服强度进行评价，而是通过追加将各部件的体积除以接合面积而得的等效板厚以及各部件的线膨胀系数而成的关系式进行评价，由此，在具有各种形态的第2层与散热片及散热侧接合材料的刚性或热应力的对称性的带散热片的功率模块用基板中，能够稳定地构成对称结构，能够可靠地防止翘曲的发生。
并且，在与陶瓷基板接合的第1层及金属层配置纯度99.99质量％以上的比较软的即屈服强度低的铝板，因此在带散热片的功率模块用基板的加热时等情况下，能够减小施加于陶瓷基板的热应力而防止发生破裂。
因此，在带散热片的功率模块用基板的加热时等情况下，作用于陶瓷基板的两面的应力不易发生偏离，在半导体元件的组装工序时或使用环境中能够抑制翘曲的发生。因此，能够提高功率模块的接合可靠性，能够发挥良好的散热性。
作为本发明的带散热片的功率模块用基板的优选的实施方式，所述散热侧接合材料所接合的所述散热片的顶面部的面积优选为比与所述散热侧接合材料的接合面的面积更大。
通过预先形成面积比与散热侧接合材料的接合面还大的顶面部，将组装有半导体元件的功率模块通过模注树脂等进行密封时，能够将与模注树脂的接合面积设置得较宽。因此，能够提高半导体元件与带散热片的功率模块用基板的接合可靠性。
作为本发明的带散热片的功率模块用基板的优选的实施方式，优选所述散热片具有从所述顶面部的周缘朝向所述电路层侧竖立设置的周壁部，在被所述顶面部与所述周壁部包围的容纳凹部容纳有所述散热侧接合材料的至少一部分。
通过在散热片预先形成被周壁部包围的容纳凹部，在将组装有半导体元件的功率模块通过模注树脂等进行密封时，能够将与模注树脂的接合面积设置得更宽广，能够提高半导体元件与带散热片的功率模块用基板的接合可靠性。
本发明的功率模块具备所述带散热片的功率模块用基板及搭载于所述电路层的表面上的半导体元件。
根据本发明，在由不同材料形成电路层和散热片的带散热片的功率模块用基板中能够减小加热时的翘曲，因此能够解除半导体元件的组装工序中的不良情况，并且能够抑制温度循环(冷热循环)时的翘曲，能够提高接合可靠性。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的带散热片的功率模块用基板的立体图。
图2是图1所示的带散热片的功率模块用基板的主视图。
图3为表示图1所示的第1实施方式的带散热片的功率模块用基板的制造工序中的第1接合工序(图3A)及第2接合工序的立体图(图3B)。
图4是说明各部件的接合面积的示意图。
图5是本发明的第2实施方式的带散热片的功率模块用基板的立体图。
图6是图5所示的带散热片的功率模块用基板的主视图。
图7是本发明的第3实施方式的带散热片的功率模块用基板的立体图。
图8是图7所示的带散热片的功率模块用基板的主视图。
图9是本发明的第4实施方式的带散热片的功率模块用基板的立体图。
图10是图9所示的带散热片的功率模块用基板的主视图。
具体实施方式
以下参考附图说明本发明的各实施方式。
(第1实施方式)
图1及图2表示第1实施方式的带散热片的功率模块用基板101。带散热片的功率模块用基板101具备功率模块用基板10A及通过散热侧接合材料14接合于该功率模块用基板10A的散热片15A。
如图2所示，功率模块201通过在带散热片的功率模块用基板101的表面搭载半导体元件等元件91而制造。关于功率模块201，元件91及带散热片的功率模块用基板101通过由环氧树脂等形成的模注树脂93而被树脂密封，在将功率模块201的露出面(散热片15A的露出面)按压固定于冷却器等的其他部件的表面的状态下使用。
如图1及图2所示，功率模块用基板10A具备一片陶瓷基板11、接合于该陶瓷基板11的第1面的电路层12及接合于陶瓷基板11的第2面的一片金属层13。
陶瓷基板11例如由AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)等陶瓷材料形成。
如图1及图2所示，电路层12由多个小电路层21～23构成。各小电路层21～23在陶瓷基板11的第1面相互隔开间隔而被接合。构成电路层12的各小电路层21～23被设成具有接合于陶瓷基板11的表面(第1面)的第1层121及接合于第1层121的表面(与陶瓷基板11相反的一侧的表面)的第2层122的层叠结构。
第1层121由纯度99.99质量％以上的铝(所谓4N铝)形成，在陶瓷基板11的第1面使用钎料而被接合。第2层122由纯铜或铜合金形成，通过固相扩散接合而接合于由铝形成的第1层121。
与电路层12的第1层121同样地，金属层13由纯度99.99质量％以上的铝形成，在陶瓷基板11的第2面(与电路层12相反的一侧)使用钎料而被接合。
在金属层13的表面(与陶瓷基板11相反的一侧的表面)通过散热侧接合材料14接合有散热片15A。与电路层12的第2层122同样地，散热侧接合材料14由铜或铜合金形成，通过固相扩散接合而接合于金属层13及散热片15A。
散热片15A由纯度比电路层12的第1层121及金属层13还低的铝形成，例如由JIS规格中的纯度99.90质量％以上的所谓3N铝、纯度99.0质量％以上的所谓2N铝(例如A1050等)的铝及A3003、A6063、A5052等铝合金形成。
图1及图2中，散热片15A具有长方形平板状的顶面部51。在该顶面部51上接合散热侧接合材料14。功率模块用基板10A的金属层13通过散热侧接合材料14接合于顶面部51。顶面部51的上表面形成为比与散热侧接合材料14的接合面更大。在顶面部51的面方向的四角设有在厚度方向贯穿的安装孔52。带散热片的功率模块用基板101能够使用散热片15A的安装孔52并通过螺旋夹具等来安装于其他部件。
作为散热片15A的形状并无特别限定，除了如图1及图2所示那样的平板形状以外，能够采用适当的形状，比如将多个针状鳍片形成为一体的形状、将相互平行的带状鳍片形成为一体的形状等。
若对如此构成的带散热片的功率模块用基板101的诸尺寸举出一例，则由Si3N4(氮化硅)形成的陶瓷基板11的板厚被设成0.2mm～1.5mm，由纯度99.99质量％以上的铝(所谓4N铝)形成的第1层121的板厚被设成0.1mm～2.5mm，金属层13的板厚被设成0.1mm～2.5mm。由无氧铜(C1020)形成的第2层122的板厚被设成0.1mm～4.0mm，散热侧接合材料14的板厚被设成0.05mm～2.0mm。由A6063铝合金形成的散热片15A的顶面部51的板厚被设成0.5mm～3.0mm。但是这些尺寸不限于上述数值范围。
如此构成的带散热片的功率模块用基板101中，当将电路层12的第2层122与第1层121的接合面积设为A1(mm2)，将第2层122的体积除以接合面积A1而得的等效板厚设为t1(mm)，第2层122的屈服强度设为σ1(N/mm2)，第2层122的线膨胀系数设为α1(/K)，散热侧接合材料14与金属层13的接合面积设为A2(mm2)、将散热侧接合材料14的体积除以接合面积A2而得的等效板厚设为t2(mm)，散热侧接合材料14的屈服强度设为σ2(N/mm2)，散热侧接合材料14的线膨胀系数设为α2(/K)，散热片15A与散热侧接合材料14的接合面积设为A3(mm2)，将散热片15A的体积除以接合面积A3而得的等效板厚设为t3(mm)，散热片15A的屈服强度设为σ3(N/mm2)，散热片15A的线膨胀系数设为α3(/K)时，在25℃(室温)的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}被调整为成为0.70以上且1.30以下的关系。
上述接合面积A1、A2、A3、等效板厚t1、t2、t3、屈服强度σ1、σ2、σ3及线膨胀系数α1、α2、α3均为在25℃(常温)的值。
本实施方式中，电路层12由多个小电路层21～23形成，因此如图4所示，上述比率的关系式中第1层121与第2层122的接合面积A1成为构成电路层12的各小电路层21～23中的3个第1层121与3个第2层122的接合面积a11～a13的总和(a11+a12+a13)。第2层122的等效板厚t1被设为将各小电路层21～23中的3个第2层122的总体积V1除以接合面积A1而得的值。
例如，如图4所示，当将各小电路层21～23的第2层122的体积分别设为v11、v12、v13时，第2层122的总体积V1＝(v11+v12+v13)，第2层122的等效板厚t1成为(V1/A1)＝{(v11+v12+v13)/(a11+a12+a13)}。
本实施方式中，散热侧接合材料14是由一片构成，因此如图4所示，散热侧接合材料14与金属层13的接合面积A2成为单独的面积，散热侧接合材料14的体积V2也成为单独的体积。因此，散热侧接合材料14的等效板厚t2成为(V2/A2)。
散热片15A由一片长方形平板状的顶面部51构成，如图4所示，顶面部51的上表面具有比与散热侧接合材料14的接合面(以接合面积A3表示的部分)更大的面积。因此，将散热片15A的体积V3除以接合面积A3而得的等效板厚t3＝(V3/A3)成为比散热片15A的实际板厚更大。在顶面部51设有安装孔52，因此散热片15A的体积V3中不包含安装孔52的空间体积。
例如，在各小电路层21～23的各第2层122由C1020(无氧铜，在25℃的屈服强度σ1＝195N/mm2，线膨胀系数α1＝16.8/K)形成且形成为各自相同形状的长方形板状(11mm×36mm×1.0mm)的情况下，面积a11～a13分别成为(11mm×36mm)，体积v11～v13分别成为(11mm×36mm×1.0mm)，成为总面积A1＝3×(11mm×36mm)、总体积V1＝3×(11mm×36mm×1.0mm)、等效板厚t1＝1.0mm。
在散热侧接合材料14由和第2层122相同的材料(C1020，屈服强度σ2＝195N/mm2，线膨胀系数α2＝16.8/K)形成且形成为长方形板状(36mm×36mm×0.1mm)的情况下，成为接合面积A2＝(36mm×36mm)、体积V2＝(36mm×36mm×0.1mm)、等效板厚t2＝0.1mm。
当散热片15A为A6063铝合金时，在25℃的屈服强度为σ3＝50N/mm2，线膨胀系数为α3＝23.4/K。在散热片15A的顶面部51形成为长方形平板状(50mm×50mm×1.0mm)，在顶面部51的四角形成安装孔52(直径4.0mm×深度1.0mm)的情况下，体积成为V3＝{(50mm×50mm×1.0mm)-4×(π)×(2.0mm)2×1.0mm}。
在散热片15A与散热侧接合材料14的接合面积A3和散热侧接合材料14与金属层13的接合面积A2为相同大小(36mm×36mm)的情况下，散热片15A的等效板厚成为t3＝1.9mm。
当为这些的组合的情况下，在25℃的比率成为(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}＝1.18。
在如此构成的带散热片的功率模块用基板101搭载与所需的功能相对应的元件91而制造出功率模块201。
元件91为具备半导体的电子部件，选择IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor；绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor；绝缘栅型场效应晶体管)、FWD(Free Wheeling Diode；飞轮二极管)等种种的半导体元件。
在该情况下，关于元件91，虽然省略图示，但是在上部设有上部电极部，在下部设有下部电极部，下部电极部通过焊料等而接合于电路层12的上表面，由此元件91被搭载于电路层12的上表面(第2层122)。元件91的上部电极部通过以焊料等接合的引线框(leadframe)92等连接至电路层12的电路电极部等。
搭载有元件91的功率模块201中，元件91及带散热片的功率模块用基板101除了金属层13的背面侧以外，通过模注树脂93而被树脂密封，由此被设成一体。作为模注树脂93，例如能够使用掺入SiO2填料的环氧系树脂等，例如通过传递模塑法成形。
接着，说明制造如此构成的带散热片的功率模块用基板101的方法。带散热片的功率模块用基板101是通过将陶瓷基板11与电路层12中的第1层121及金属层13接合后(第1接合工序)，分别在第1层121的表面接合第2层122，在金属层13的表面接合散热侧接合材料14，进一步在散热侧接合材料14的表面接合散热片15A(第2接合工序)来制造。
[第1接合工序]
如图3A所示，在陶瓷基板11的一个面通过钎料41层叠电路层12中的作为第1层121的第1层铝板121a，在另一个面也通过钎料41层叠作为金属层13的金属层铝板13a。在将这些层叠体在层叠方向进行加压的状态下，在真空环境下加热至接合温度，由此各层通过钎料41被接合，得到形成为一体的接合体30。
在这些的接合中，可将Al-Si系等合金的钎料以箔的形态使用。在使用含有Mg的钎料的情况下，能够在非氧化性气氛中钎焊而不是在真空气氛中。作为钎焊接合时的条件，例如将加压力设为0.1MPa～1.0MPa，将加热温度设为630℃～650℃，将该加压及加热状态保持10分钟～50分钟。
[第2接合工序]
如图3B所示，在通过第1接合工序而得到的接合体30的第1层121层叠成为第2层122的第2层铜板122a，通过成为散热侧接合材料14的接合板14a将散热片15A层叠于金属层13。在将这些层叠体在层叠方向进行加压的状态下，在真空气氛下加热至接合温度，由此对第1层121与第2层122、金属层13与散热侧接合材料14、散热侧接合材料14与散热片15A分别进行固相扩散接合。
在该情况下，例如作为加压力设为0.5MPa～2.0MPa、作为加热温度设为500℃～540℃，将该加压及加热状态保持30分钟～120分钟。由此，第1层121与第2层122、金属层13与散热侧接合材料14、散热侧接合材料14与散热片15A会同时被接合，如图1所示，得到带散热片的功率模块用基板101。
本实施方式中，对第1层121与第2层122、金属层13与散热侧接合材料14、散热侧接合材料14与散热片15A的各自的接合面，预先去除伤痕而设成平滑，然后进行固相扩散接合。固相扩散接合中的真空加热的优选的加热温度被设在铝和铜的共晶温度-5℃以上且小于共晶温度的范围。
如上述那样，关于如此构成的带散热片的功率模块用基板101，电路层12的第2层122使用铜材料，散热片15A使用铝材料，由导电性比铝优异的铜形成第2层122。散热片15A使用铝纯度低、刚性高的即屈服强度高的铝材料，并且金属层13与散热片15A之间的散热侧接合材料14使用铜材料，在这些的组合中，将在25℃(室温)的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}调整在0.70以上且1.30以下的范围，由此构成以陶瓷基板11为中心的对称结构。
如此，本实施方式中，对于构成带散热片的功率模块用基板101的各部件的刚性，不仅通过屈服强度进行评价，而是通过追加将各部件的体积除以接合面积而得的等效板厚以及各部件的线膨胀系数而成的关系式(比率)来进行评价。因此如带散热片的功率模块用基板101那样，即使在将多个小电路层21～23并列而将电路层12图案化而成的结构中，也能够容易地构成以陶瓷基板11为中心的对称结构，能够防止加热时的翘曲的发生。
带散热片的功率模块用基板101中，在和陶瓷基板11接合的第1层121及金属层13配置纯度99.99质量％以上的比较软的即屈服强度低的铝板，因此在带散热片的功率模块用基板101的加热时等情况下，能够减小施加于陶瓷基板11的热应力而防止发生破裂。
因此，在带散热片的功率模块用基板101的加热时等情况下，作用于陶瓷基板11的两面的应力不易发生偏离，在元件91的组装工序时或使用环境中能够抑制翘曲的发生。因此，能够提高功率模块201的接合可靠性，能够发挥良好的散热性。
并且，本实施方式的带散热片的功率模块用基板101中，在散热片15A形成面积比与散热侧接合材料14的接合面大的顶面部51，因此将组装有元件91的功率模块201通过模注树脂93等进行密封时，能够将与模注树脂93的接合面积设置得宽广。因此，能够提高元件91与带散热片的功率模块用基板101的接合可靠性。
(第2实施方式)
前述的第1实施方式中，设成了散热片15A由平板状的顶面部51构成的结构，但如图5及图6所示的第2实施方式的带散热片的功率模块用基板102(功率模块202)那样，具备配设了多个针状鳍片53的散热片15B的结构也包括在本发明中。在该第2实施方式中，对和第1实施方式相同的要件标注相同符号而简化说明。
第2实施方式的带散热片的功率模块用基板102及功率模块202中，功率模块用基板10A及散热侧接合材料14的结构与第1实施方式相同，但如图5及图6所示，散热片15B被设成在顶面部51的下表面竖立设置多个针状鳍片53的形状。
散热片15B具有多个针状鳍片53，因此整体的体积V3成为包含顶面部51与针状鳍片53的值，根据体积V3可求出散热片15B的等效板厚t3。
如此构成的带散热片的功率模块用基板102中，在25℃(室温)的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}被调整为成为0.70以上且1.30以下的关系。
在该带散热片的功率模块用基板102中也同样地，通过将在25℃的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}调整为上述范围内，能够构成以陶瓷基板11为中心的对称结构，能够防止加热时的翘曲的发生。
(第3实施方式)
图7及图8表示第3实施方式的带散热片的功率模块用基板103(功率模块203)。在该第3实施方式中也同样地，对和第1实施方式及第2实施方式相同的要件标注相同符号而简化说明。
第3实施方式的带散热片的功率模块用基板103及功率模块203中，功率模块用基板10A及散热侧接合材料14的结构与第1实施方式相同，但如图8所示，散热片15C具有从顶面部51的周缘朝向电路层12侧竖立设置的周壁部54，在散热片15C的上表面设有被顶面部51与周壁部54包围的容纳凹部55。
该容纳凹部55的底面与散热侧接合材料14被固相扩散接合，由此通过散热侧接合材料14而功率模块用基板10A与散热片15C被接合。在散热片15C的容纳凹部55容纳着散热侧接合材料14的至少一部分。本实施方式中，散热侧接合材料14、金属层13与陶瓷基板11及第1层121的一部分都被收在容纳凹部55的内侧。
如此，散热片15C具有周壁部54，因此整体的体积V3成为除了顶面部51与针状鳍片53以外还包含周壁部54的值，根据体积V3可求出散热片15C的等效板厚t3。
如此构成的带散热片的功率模块用基板103中，在25℃(室温)的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}被调整为成为0.70以上且1.30以下的关系。
在带散热片的功率模块用基板103中也同样地，将在25℃的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}调整为上述范围内，由此能够构成以陶瓷基板11为中心的对称结构，能够防止加热时的翘曲的发生。
带散热片的功率模块用基板103中，在散热片15C形成被周壁部54包围的容纳凹部55，因此在将组装有元件91的功率模块203通过模注树脂93等进行密封时，能够将与模注树脂93的接合面积设置得更宽广。因此，能够提高元件91与带散热片的功率模块用基板103的接合可靠性。
(第4实施方式)
图9及图10表示第4实施方式的带散热片的功率模块用基板104(功率模块204)。在该第4实施方式中也同样地，对和上述第1～第3实施方式相同的要件标注相同符号而简化说明。
第4实施方式的带散热片的功率模块用基板104及功率模块204中，散热侧接合材料14及散热片15A的结构与第1实施方式相同，但如图9及图10所示，在电路层12的第2层122一体地形成有比第1层121更向外侧突出的端子部123。在该端子部123通过焊料等连接有外部连接用的引线框94。
如此，第2层122具有端子部123，因此整体的体积V1成为包含端子部123的值，根据体积V1可求出第2层122的等效板厚t1。
如此构成的带散热片的功率模块用基板104中，在25℃(室温)的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}被调整为成为0.70以上且1.30以下的关系。
在带散热片的功率模块用基板104中也同样地，将在25℃的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}调整为上述范围内，由此能够构成以陶瓷基板11为中心的对称结构，能够防止加热时的翘曲的发生。
如此，在电路层12或散热片15A的形状以种种变形构成的带散热片的功率模块用基板104中也同样地，不仅通过各部件的刚性进行评价，而是通过追加将各部件的体积除以接合面积而得的等效板厚以及各部件的线膨胀系数而成的关系式进行评价，由此能够构成以陶瓷基板11为中心的对称结构，能够防止加热时的翘曲的发生。
本发明并不限定于上述实施方式的结构，针对详细结构，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够施加各种变更。
实施例
接着，利用实施例详细说明本发明的效果，但是本发明不限定于以下实施例。
关于构成发明例1～10及比较例1～3的试样的部件，准备了由板厚0.635mm的AlN构成的陶瓷基板及由板厚0.6mm的4N-Al构成的第1层及金属层。针对电路层的第2层、散热侧接合材料及散热片，将各自的材质、等效板厚、接合面积、线膨胀系数(CTE)、屈服强度示于表1～3。
表1、2的“实施方式”表示各试样的第2层及散热片是由哪一实施方式的形态(形状)形成。表4中的“比率”表示在25℃的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}。对图1～3中的“屈服强度”，通过基于JIS规格G0567：2012的方法测量了在25℃的屈服强度。
将这些以第1实施方式中叙述的制造方法进行接合，制作出带散热片的功率模块用基板的试样。针对得到的各试样，分别测定了接合后的常温(25℃)时的翘曲量(初始翘曲)、280℃加热时的翘曲量(加热时翘曲)。
关于翘曲量，是通过叠纹式三维形状测定机测定了散热片的背面的中心部分(40mm×40mm的范围)的平面度的变化。将初始翘曲与加热时翘曲的差值为150μm以下的情况评价为翘曲量少而良“A”，将差值超过150μm的情况评价为翘曲量大而劣“B”。在表4中示出结果。
[表1]
Figure BDA0002570631780000121
[表2]
Figure BDA0002570631780000122
[表3]
Figure BDA0002570631780000131
[表4]
实施例 比率 评价
发明例1 1.27 A
发明例2 0.89 A
发明例3 0.94 A
发明例4 1.10 A
发明例5 0.73 A
发明例6 0.95 A
发明例7 0.76 A
发明例8 1.06 A
发明例9 0.93 A
发明例10 1.23 A
比较例1 0.62 B
比较例2 1.41 B
比较例3 1.64 B
由表4可知，在25℃的“比率”成为0.70以上且1.30以下的范围内的发明例1～10中，确认到初始翘曲与加热时翘曲的差值变小，而得到加热时的翘曲量小的带散热片的功率模块用基板。
产业上的可利用性
在由不同材料形成电路层和散热片的带散热片的功率模块用基板中，能够减小加热时的翘曲，消除半导体元件的组装工序中的不良情况，并且能够抑制温度循环(冷热循环)时的翘曲，提高接合可靠性。
符号说明
10A-功率模块用基板，11-陶瓷基板，12-电路层，13-金属层，13a-金属层铝板，14-散热侧接合材料，14a-接合板，15A、15B、15C-散热片，21、22、23-小电路层，30-接合体，51-顶面部，52-安装孔，53-针状鳍片，54-周壁部，55-容纳凹部，91-元件(半导体元件)，92、94-引线框，93-模注树脂，101、102、103、104-带散热片的功率模块用基板，121-第1层，121a-第1层铝板，122-第2层，122a-第2层铜板，123-端子部，201、202、203、204-功率模块。

Claims (4)

1.一种带散热片的功率模块用基板，其具备陶瓷基板、接合于所述陶瓷基板的第1面的电路层、接合于所述陶瓷基板的第2面的金属层及通过散热侧接合材料而接合于所述金属层的散热片，所述带散热片的功率模块用基板的特征在于，
所述电路层被设成层叠结构，所述层叠结构具有接合于所述陶瓷基板的所述第1面的第1层及接合于所述第1层的表面的第2层，
所述第1层及所述金属层由纯度99.99质量％以上的铝形成，
所述第2层及所述散热侧接合材料由纯铜或铜合金形成，
所述散热片由纯度比所述第1层及所述金属层低的铝形成，
当将所述第2层与所述第1层的接合面积设为A1，将所述第2层的体积除以所述接合面积A1而得的等效板厚设为t1，将所述第2层的屈服强度设为σ1，将所述第2层的线膨胀系数设为α1，
将所述散热侧接合材料与所述金属层的接合面积设为A2，将所述散热侧接合材料的体积除以所述接合面积A2而得的等效板厚设为t2，将所述散热侧接合材料的屈服强度设为σ2，将所述散热侧接合材料的线膨胀系数设为α2，
将所述散热片与所述散热侧接合材料的接合面积设为A3，将所述散热片的体积除以所述接合面积A3而得的等效板厚设为t3，将所述散热片的屈服强度设为σ3，将所述散热片的线膨胀系数设为α3时，
在25℃的比率(A1×t1×σ1×α1)/{(A2×t2×σ2×α2)+(A3×t3×σ3×α3)}为0.70以上且1.30以下，
其中A1、A2、A3的单位为mm2，t1、t2、t3的单位为mm，σ1、σ2、σ3的单位为N/mm2，α1、α2、α3的单位为K-1。
2.根据权利要求1所述的带散热片的功率模块用基板，其特征在于，
所述散热侧接合材料所接合的所述散热片的顶面部的面积比所述散热片与所述散热侧接合材料的接合面的面积大。
3.根据权利要求2所述的带散热片的功率模块用基板，其特征在于，
所述散热片具有从所述顶面部的周缘朝向所述电路层侧竖立设置的周壁部，所述散热侧接合材料的至少一部分被容纳于由所述顶面部与所述周壁部包围的容纳凹部。
4.一种功率模块，其特征在于，具备：
权利要求1至3中任一项所述的所述带散热片的功率模块用基板及搭载于所述电路层的表面上的半导体元件。
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