CN111801790B - 带散热器的绝缘电路基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带散热器的绝缘电路基板的制造方法，所述带散热器的绝缘电路基板具备绝缘电路基板、及被接合至该绝缘电路基板的金属层侧的散热器，所述金属层由铝构成，所述散热器与所述绝缘电路基板的接合面由固相线温度为650℃以下的铝合金构成，所述带散热器的绝缘电路基板的制造方法具备形成合金元素高浓度部的合金元素高浓度部形成工序(S02)及接合散热器的散热器接合工序(S03)，包层材料的芯材的厚度ta与钎料层的厚度tb之比tb/ta设在0.1以上且0.3以下的范围内。

Description

带散热器的绝缘电路基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种带散热器的绝缘电路基板的制造方法，该带散热器的绝缘电路基板具备在绝缘层的一个面形成有电路层并且在所述绝缘层的另一个面形成有金属层的绝缘电路基板、及被接合至该绝缘电路基板的所述金属层侧的散热器(heatsink)。
本申请案基于2018年3月27日于日本申请的专利申请2018-059917号而主张优先权，将其内容援用于此。
背景技术
在功率模块、LED模块及热电模块中，会作成如下结构：在绝缘电路基板上接合有功率半导体元件、LED元件及热电元件，该绝缘电路基板中，在绝缘层的一个面形成有由导电材料形成的电路层。
例如，关于为了控制风力发电、电动汽车、混合动力汽车等的大功率控制用功率半导体元件，由于运行时的发热量多，因此作为搭载其的基板，例如，一直以来广泛使用具备陶瓷基板及电路层的绝缘电路基板，该陶瓷基板由氮化铝、氮化硅等形成，该电路层为将导电性优异的金属板接合于该陶瓷基板的一个面而形成。作为绝缘电路基板，还提供一种将金属板接合于陶瓷基板的另一个面而形成有金属层的绝缘电路基板。
例如，专利文献1中，公开了一种在陶瓷基板的一个面及另一个面形成有由铝板或铜板形成的电路层及金属层的绝缘电路基板。
而且，设为如下结构：在绝缘电路基板的另一面侧接合有散热器，并将从半导体元件传递至绝缘电路基板侧的热量经由散热器发散到外部。
作为散热器的材料，广泛利用铝合金、例如如专利文献2所示的以AlSiC为代表的将铝或铝合金填充于碳化硅质部件中而得的铝基复合材料等铝系材料。
在由低固相线温度的铝合金构成散热器的情况下，能够设为结构相对复杂的形状，并能够提高散热特性。并且，在由将铝或铝合金充填于碳化硅质部件中而得的铝基复合材料构成散热器的情况下，热膨胀系数与绝缘电路基板近似，能够将冷热循环负载时的加热变形抑制为较低。
作为将由铝形成的金属层和由铝系材料形成的散热器进行接合的方法，例如在专利文献3中提出了一种如下的方法：在由铝形成的金属层及散热器之间配置由铜或铜合金形成的接合材料，并将金属层和接合材料、接合材料和散热器分别进行固相扩散接合。
专利文献1：日本专利第3171234号公报
专利文献2：日本特开2000-281468号公报
专利文献3：日本特开2014-060215号公报
然而，最近，随着推进功率模块的小型化/薄壁化，其使用环境也变得严峻，来自半导体元件的发热量增加，冷热循环的条件变得严峻，比以往更加要求接合可靠性优异，且散热特性优异的带散热器的绝缘电路基板。
上述绝缘电路基板中，作为金属层，使用变形阻力相对小的金属、例如纯度为99.99质量％以上的铝(4N铝)，由此能够通过金属层的变形而吸收冷热循环负载时的加热变形，并能够抑制绝缘层的破裂等。
由4N铝构成金属层，且由例如ADC12等铝合金构成散热器的接合面，通过专利文献3中所记载的方法将它们进行固相扩散接合时，由于金属层与散热器的接合面的固相线温度差异较大，因此需要使固相扩散接合时的温度条件设为小于铝合金的固相线温度，并且，由于高纯度的4N铝的扩散的活化能高，难以产生扩散现象，因此有时由高固相线温度的4N铝形成的金属层的Al与接合材料的Cu的固相扩散变得不充分，导致金属层与散热器的接合可靠性下降。
发明内容
本发明是鉴于所述情形而研发的，其目的在于，提供一种带散热器的绝缘电路基板的制造方法，该带散热器的绝缘电路基板中，即使在由变形阻力相对小的铝构成金属层，且由固相线温度相对低的铝合金构成散热器的接合面的情况下，也能够将金属层和散热器可靠地进行固相扩散接合。
为了解决这样的课题而达成所述目的，本发明的带散热器的绝缘电路基板的制造方法中，所述带散热器的绝缘电路基板具备：绝缘电路基板，在绝缘层的一个面形成有电路层并且在所述绝缘层的另一个面形成有金属层；及散热器，被接合至该绝缘电路基板的所述金属层侧，所述带散热器的绝缘电路基板的制造方法的特征在于，所述金属层由铝构成，所述金属层的厚度中央部的压痕硬度小于50mgf/μm2，所述散热器与所述绝缘电路基板的接合面由固相线温度为650℃以下的铝合金构成，所述制造方法具备：合金元素高浓度部形成工序，在所述金属层中与所述绝缘层相反的一侧的区域，将具备芯材与形成于该芯材的两面的钎料层的包层材料进行层叠并加热，将所述钎料层的合金元素扩散，由此形成合金元素浓度比所述金属层的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部；及散热器接合工序，在所述金属层与所述散热器的接合面之间，将由铜或铜合金形成的铜接合材料进行层叠，而将所述金属层与所述铜接合材料、所述铜接合材料与所述散热器进行固相扩散接合，由此接合散热器，所述包层材料的所述芯材的厚度ta与钎料层的厚度tb之比tb/ta设在0.1以上且0.3以下的范围内。
根据该结构的带散热器的绝缘电路基板的制造方法，具备：合金元素高浓度部形成工序，在所述金属层中与所述绝缘层相反的一侧的区域，形成合金元素浓度比所述金属层的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部；及散热器接合工序，在所述金属层的合金元素高浓度部与所述散热器的接合面之间，将由铜或铜合金形成的铜接合材料进行层叠，而将形成有合金元素高浓度部的金属层与所述铜接合材料、所述铜接合材料与所述散热器进行固相扩散接合，由此接合散热器，从而能够减小金属层的合金元素高浓度部与构成散热器的接合面的铝合金的固相线温度的差异，即使在以相对较低温条件进行固相扩散接合的情形下，仍能够使金属层(合金元素高浓度部)的Al与铜接合材料的Cu、铜接合材料的Cu与散热器的接合面的Al充分地扩散，能够将绝缘电路基板与散热器可靠地进行接合。
并且，金属层由铝构成，且将厚度中央部的压痕硬度设为小于50mgf/μm2，因此在对带散热器的绝缘电路基板进行了冷热循环负载时，能够通过金属层变形来缓和加热变形，并能够抑制绝缘层的破裂等的发生。
而且，散热器的接合面由固相线温度为650℃以下的铝合金构成，从而能够构成符合要求的性能的散热器。
而且，在所述合金元素高浓度部形成工序中，在所述金属层中与所述绝缘层相反的一侧的面，将具备芯材与形成于该芯材的两面的钎料层的包层材料进行层叠并加热，从而会使所述钎料层的合金元素扩散，由此能够在所述金属层中与所述绝缘层相反的一侧的区域，形成合金元素浓度比所述金属层的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部。
通过调整加热条件来控制合金元素的扩散状态，从而能够形成规定的厚度的合金元素高浓度部。
并且，所述包层材料的所述芯材的厚度ta与钎料层的厚度tb之比tb/ta设在0.1以上且0.3以下的范围内，从而在所述金属层中与所述绝缘层相反的一侧的区域，能够可靠地形成合金元素浓度比所述金属层的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部。
本发明的带散热器的绝缘电路基板的制造方法中，优选所述合金元素高浓度部的Si浓度设在2.0质量％以上且7.0质量％以下的范围内，Mn浓度设在0.3质量％以上且1.5质量％以下的范围内。在该情形下，能够可靠地减小金属层的合金元素高浓度部与构成散热器的接合面的铝合金的固相线温度的差异，即使在以相对较低温条件进行固相扩散接合的情形下，仍能将绝缘电路基板与散热器更可靠地进行接合。
并且，在本发明的带散热器的绝缘电路基板的制造方法中，所述合金元素高浓度部形成工序也可以构成为与在所述绝缘层形成所述金属层的金属层形成工序同时实施。
在该情形下，通过同时实施在所述绝缘层形成所述金属层的金属层形成工序与所述合金元素高浓度部形成工序，可以省略制造工序，高效地制造带散热器的绝缘电路基板。并且，能够减低对绝缘层的热负载，能够抑制绝缘层的劣化。
而且，在本发明的带散热器的绝缘电路基板的制造方法中，也可以设为如下结构，即，所述电路层具备：铝层，形成于所述绝缘层侧；及铜层，被层叠于该铝层，在该铝层中与所述绝缘层相反的一侧的区域，形成有合金元素浓度比所述铝层的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的第二合金元素高浓度部，在所述合金元素高浓度部形成工序中，形成所述合金元素高浓度部与所述第二合金元素高浓度部。
在该情形下，电路层设为层叠铝层与铜层而成的结构，从而能够将被搭载于电路层的发热体的热通过铜层朝向面方向扩散，能够制造散热特性优异的带散热器的绝缘电路基板。
并且，在铝层与铜层之间形成有第二合金元素高浓度部，从而能够减小合金元素高浓度部及第二合金元素高浓度部与构成散热器的接合面的铝及铝合金的固相线温度的差异，即使在以相对较低温条件进行固相扩散接合的情形下，仍能够使金属层(合金元素高浓度部)的Al与铜接合材料的Cu、铜接合材料的Cu与散热器的接合面的Al、铝层(第二合金元素高浓度部)的Al与铜层的Cu充分地扩散，能够将绝缘电路基板与散热器可靠地进行接合，并且能够形成铝层与铜层被层叠而成的电路层。
根据本发明，能够提供一种带散热器的绝缘电路基板的制造方法，该带散热器的绝缘电路基板中，即使在由变形阻力相对小的铝构成金属层，且由固相线温度相对低的铝合金构成散热器的接合面的情况下，也能够将金属层和散热器可靠地进行固相扩散接合。
附图说明
图1是具备通过作为本发明的实施方式的带散热器的绝缘电路基板的制造方法而制造出的带散热器的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图2是图1所示的带散热器的绝缘电路基板中的金属层与散热器的接合界面的扩大说明图。
图3是图1所示的带散热器的绝缘电路基板中所使用的散热器的概略说明图。
图4是示出作为本发明的实施方式的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的流程图。
图5是示出作为本发明的实施方式的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
图6是作为本发明的实施方式的带散热器的绝缘电路基板的制造方法中所使用的包层材料的截面说明图。
图7是示出作为本发明的实施方式的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
图8是具备通过作为本发明的另一实施方式的带散热器的绝缘电路基板的制造方法而制造出的带散热器的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图9是示出图8所示的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的流程图。
图10是示出图8所示的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
图11是示出图8所示的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1中示出通过作为本发明的实施方式的带散热器的绝缘电路基板的制造方法制造的带散热器的绝缘电路基板40及使用了该带散热器的绝缘电路基板40的功率模块1。
图1中示出的功率模块1具备：绝缘电路基板10；半导体元件3，经由焊锡层2而接合于绝缘电路基板10的一个面(图1中为上面)；及散热器41，接合于绝缘电路基板10的下侧。将与散热器41接合的绝缘电路基板10设为本实施方式中的带散热器的绝缘电路基板40。
半导体元件3由Si等半导体材料构成。关于将绝缘电路基板10和半导体元件3进行接合的焊锡层2，例如优选Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系焊料(所谓的无铅焊料)。
如图1所示，绝缘电路基板10具备：陶瓷基板11，成为绝缘层；电路层12，配置于该陶瓷基板11的一个面(图1中为上面)；及金属层13，配置于陶瓷基板11的另一个面(图1中为下面)。
陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，可以由高绝缘性的氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)等构成。在本实施方式中由氮化铝构成。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。
电路层12通过将具有导电性的金属板接合于陶瓷基板11的一个面而形成。在本实施方式中，如图5所示，通过接合由铝或铝合金形成的铝板22而形成有电路层12。具体而言，作为构成电路层12的铝板22，能够使用纯度为99质量％以上的铝(2N铝)、A3003、A6063等铝合金的轧制板。
在该电路层12上形成有电路图案，且将其一个面(图1中为上面)设为搭载有半导体元件3的搭载面。电路层12的厚度设定在0.1mm以上且2.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.4mm。
如图5所示，关于金属层13，其通过在陶瓷基板11的另一个面接合由铝形成的铝板23，并且在铝板23的另一个面层叠包层材料51并进行加热处理来形成。
金属层13的厚度中央部的压痕(indentation)硬度设为小于50mgf/μm2。该压痕硬度为带散热器的绝缘电路基板40在25℃的值。
作为构成金属层13的铝板23，能够使用纯度为99质量％以上的铝(2N铝)、纯度为99.9质量％以上的铝(3N铝)、纯度为99.99质量％以上的铝(4N铝)等。
在本实施方式中，作为构成金属层13的铝板23，使用纯度为99.99质量％以上的铝(4N铝)的轧制板。
如图2所示，金属层13的厚度t0被设定在0.2mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.4mm。
而且，在本实施方式中，在金属层13中与陶瓷基板11相反的一侧的区域，形成有合金元素浓度比金属层13的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部13a。
即，在本实施方式中的金属层13中，在其厚度方向上存在合金元素的浓度分布。
作为合金元素，优选使用Si，Mn等。在本实施方式中，作为合金元素含有Si及Mn，Si浓度被设在2.0质量％以上且7.0质量％以下的范围内，Mn浓度被设在0.3质量％以上且1.5质量％以下的范围内的区域成为合金元素高浓度部13a。
并且，合金元素高浓度部13a的厚度t1，优选被设在0.05mm以上且0.3mm以下的范围内。
散热器41用来对所述绝缘电路基板10进行冷却，如图1所示，在本实施方式中设为由热传导性良好的材质构成的散热板。
本实施方式中的散热器41由Al-SiC复合材料(所谓的AlSiC)构成，该Al-SiC复合材料由多孔质体及铝材料构成，该多孔质体由SiC形成，该铝材料由浸渗于该多孔质体的铝合金形成。在本实施方式中，作为浸渗于由SiC形成的多孔质体的铝材料使用ADC12(固相线温度570℃)。
并且，如图3所示，在本实施方式中，关于散热器41，在由AlSiC形成的散热器主体42的表面形成有由浸渗于多孔质体中的铝材料(本实施方式中为ADC12)形成的表层43。
在本实施方式中，散热器主体42的厚度被设在0.5mm以上且5.0mm以下的范围内，表层43的厚度ts优选设为散热器主体42的厚度的0.01倍以上且0.1倍以下。
合金元素高浓度部13a的固相线温度与构成散热器41的接合面(本实施方式中为表层43)的铝合金的固相线温度的温度差设在80℃以下的范围内。
而且，绝缘电路基板10的金属层13与散热器41经由铜接合层32而被接合。
铜接合层32由铜或铜合金构成，如图7所示，在本实施方式中，通过将由无氧铜的轧制板形成的铜板52接合而形成。如图2所示，在本实施方式中，铜接合层32的厚度tc设在0.05mm以上且5.0mm以下的范围内。
金属层13(合金元素高浓度部13a)与铜接合层32、及铜接合层32与散热器41(表层43)分别通过固相扩散接合而接合。
接着，关于上述的作为本实施方式的带散热器的绝缘电路基板40的制造方法，参考图4至图7进行说明。
(电路层及金属层形成工序S01/合金元素高浓度部形成工序S02)
首先，如图5所示，经由钎料26、27而将铝板22、23层叠于陶瓷基板11的一个面及另一个面。作为钎料26、27，优选使用Al-Si系钎料、Al-Si-Mg系钎料。
并且，在本实施方式中，在成为金属层13的铝板23的另一面侧(图5中的下侧)层叠包层材料51。
如图6所示，该包层材料51具备芯材51a、及形成于该芯材51a的两面的钎料层51b。在本实施方式中，芯材51a由A3003合金构成，钎料层51b由A4045合金构成。
并且，包层材料51的芯材51a的厚度ta与钎料层51b的厚度tb之比tb/ta设在0.1以上且0.3以下的范围内。
而且，对于上述铝板22、陶瓷基板11、铝板23、包层材料51，在层叠方向上进行了加压的状态下进行加热，将陶瓷基板11和铝板22、23进行接合而形成电路层12及金属层13，并且使包层材料51的钎料层51b的合金元素朝向芯材51a及铝板23侧扩散，由此，在金属层13中与陶瓷基板11相反的一侧的区域，会形成合金元素浓度比金属层13的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部13a。
即，在本实施方式中，一起实施电路层及金属层形成工序S01和合金元素高浓度部形成工序S02。
关于电路层及金属层形成工序S01/合金元素高浓度部形成工序S02的接合条件，优选将气氛设为真空，将加压负荷设在0.1MPa以上且3.5MPa以下的范围内，将加热温度设在560℃以上且630℃以下的范围内，将保持时间设在15min以上且60min以下的范围内。为了控制合金元素的扩散状态，优选在上述的范围内调整接合温度及保持时间。
通过如上所述的工序，形成作为本实施方式的带散热器的绝缘电路基板10。
(散热器接合工序S03)
接着，如图7所示，在形成有合金元素高浓度部13a的金属层13的另一面侧(图7中的下侧)，经由作为铜接合材料的由无氧铜的轧制板形成的铜板52，来层叠散热器41。散热器41以表层43面向铜板52侧的方式层叠。
然后，将形成有合金元素高浓度部13a的绝缘电路基板10、铜板52、散热器41在层叠方向上进行加压并加热，将金属层13的合金元素高浓度部13a与铜板52、铜板52与散热器41(表层43)分别进行固相扩散接合。
在本实施方式中，作为固相扩散条件，将层叠方向的负荷设在0.6MPa以上且3.5MPa以下的范围内。接合温度可以在460℃以上且540℃以下的范围内，优选在480℃以上且520℃以下的范围内。保持时间设在30min以上且240min以下的范围内。
通过以上的工序，可以制造作为本实施方式的带散热器的绝缘电路基板40。
(半导体元件接合工序S04)
接着，经由焊料而将半导体元件3层叠于带散热器的绝缘电路基板40的电路层12，并在还原炉内，将带散热器的绝缘电路基板40的电路层12和半导体元件3进行接合。
如此，可以制造图1中所示的功率模块1。
根据设为如上结构的、作为本发明的带散热器的绝缘电路基板40的制造方法，由于具备：合金元素高浓度部形成工序S02，在金属层13中与陶瓷基板11相反的一侧的区域，形成合金元素浓度比金属层13的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部13a；及散热器接合工序S03，在金属层13的合金元素高浓度部13a与散热器41的接合面(本实施方式中为表层43)之间，将由铜或铜合金形成的铜板52进行层叠，而将金属层13的合金元素高浓度部13a与铜板52、铜板52与散热器41进行固相扩散接合，由此接合散热器41；从而能够减小金属层13的合金元素高浓度部13a、与构成散热器41的接合面(本实施方式中为表层43)的铝及铝合金的固相线温度的差，即使在以相对较低温条件进行固相扩散接合的情形下，仍能够使金属层13的合金元素高浓度部13a的Al与铜板52的Cu、铜板52的Cu与散热器41的接合面的Al充分地扩散，能够将绝缘电路基板10与散热器41可靠地进行接合。
并且，在本实施方式中的带散热器的绝缘电路基板40中，金属层13由铝(本实施方式中为4N铝)构成，且将金属层13的厚度中央部的压痕硬度设为小于50mgf/μm2，因此在对带散热器的绝缘电路基板40进行了冷热循环负载时，能够通过使金属层13变形来缓和加热变形，并能够抑制陶瓷基板11的破裂等的发生。
而且，散热器41由Al-SiC复合材料(所谓的AlSiC)构成，该Al-SiC复合材料由多孔质体及铝材料形成，该多孔质体由SiC形成，该铝材料由浸渗于该多孔质体中的铝合金形成，具体而言，作为浸渗于由SiC形成的多孔质体中的铝材料，使用ADC12(固相线温度为570℃)，因此，散热器41的热膨胀系数与绝缘电路基板10的热膨胀系数近似，能够抑制冷热循环负载时的加热变形的发生。
并且，在本实施方式中，由于合金元素高浓度部形成工序S02构成为如下：在金属层13中与陶瓷基板11相反的一侧的面，将具备芯材51a与形成于该芯材51a的两面的钎料层51b的包层材料51进行层叠并加热，将钎料层51b的合金元素扩散，由此形成合金元素高浓度部13a，从而在金属层13中与陶瓷基板11相反的一侧的区域，能够可靠地形成合金元素浓度比金属层13的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部13a。
而且，在本实施方式中，合金元素高浓度部形成工序S02中所使用的包层材料51的芯材51a的厚度ta与钎料层51b的厚度tb之比tb/ta设在0.1以上且0.3以下的范围内，从而在金属层13中与陶瓷基板11相反的一侧的区域，能够可靠地形成合金元素浓度比金属层13的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部13a。
并且，在本实施方式中，金属层13的合金元素高浓度部13a的固相线温度、与构成散热器41的接合面(本实施方式中为表层43)的铝合金的固相线温度的温度差设在0℃以上且80℃以下的范围内，从而在散热器接合工序S03中即使以相对较低温条件进行固相扩散接合的情形下，也能够使金属层13(合金元素高浓度部13a)的Al与铜板52的Cu、铜板52的Cu与散热器41的接合面的Al充分地扩散，能够将绝缘电路基板10与散热器41可靠地进行固相扩散接合。
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，可以在不脱离其发明的技术思想的范围内进行适当变更。
例如，在本实施方式中，作为陶瓷基板11，将氮化铝(AlN)作为一例而举出并进行了说明，但是并不限定于此，也可以由氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等其他陶瓷构成。并且，也可以使用绝缘树脂等。
并且，作为散热器，将散热板作为一例而举出并进行了说明，但是并不限定于此，也可以是具备冷却介质流通的流路的冷却器等。
而且，在本实施方式中，作为由将由ADC12形成的铝材料浸渗于SiC的多孔质体中的Al-SiC复合材料(所谓的AlSiC)构成的结构来说明散热器，但是并不限定于此，只要散热器的接合面由固相线温度为650℃以下的铝合金构成，则对其材质、结构并无限定。
而且，在本实施方式中，将电路层说明为由铝或铝合金构成的结构，但是并不限定于此，也可以由铜或铜合金等其他金属构成电路层，还可以设为层叠由铝或铝合金形成的铝层和由铜或铜合金形成的铜层而得的结构。
而且，在本实施方式中，作为将包层材料层叠于金属层并通过加热处理来形成合金元素高浓度部的方式进行说明，但针对合金元素高浓度部形成工序的方法并无特别限制。
并且，如图8所示，也可以设为下述的绝缘电路基板110、带散热器的绝缘电路基板140，即，电路层112具备：铝层112A，形成于成为绝缘层的陶瓷基板11侧；及铜层112B，层叠于该铝层112A，在该铝层112A的与陶瓷基板11相反的一侧的区域，形成有合金元素浓度比铝层112A的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的第二合金元素高浓度部112C。
该带散热器的绝缘电路基板140中，还具备金属层13、合金元素高浓度部13a、铜接合层32、散热器41。
图8所示的带散热器的绝缘电路基板140根据以下方式进行制造。
(铝层及金属层形成工序S101/合金元素高浓度部形成工序S102)
首先，如图10所示，在陶瓷基板11的一个面(图10中的上面)，经由钎料126将作为铝层的铝板122A进行层叠，进而在铝板122A的一个面，将包层材料51进行层叠。
而且，在陶瓷基板11的另一个面(图10中的下面)，经由钎料127将作为金属层13的铝板23进行层叠，进而在铝板23的另一个面，将包层材料51进行层叠。
作为铝层112A的铝板122A及作为金属层13的铝板23，例如由纯度99.99质量％以上的铝(4N铝)、纯度99质量％以上的铝(2N铝)构成。
并且，钎料126、127由Al-Si-Mg系合金构成。
而且，对于上述包层材料51、铝板122A、钎料126、陶瓷基板11、钎料127、铝板23、包层材料51，在层叠方向上进行了加压的状态下进行加热，将陶瓷基板11与铝板122A、铝板23接合而形成铝层112A及金属层13。
而且，通过使包层材料51的钎料层51b的合金元素朝向芯材51a及铝板122A侧扩散，在铝层112A中与陶瓷基板11相反的一侧的区域，会形成合金元素浓度比铝层112A的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的第二合金元素高浓度部112C。
并且，通过使包层材料51的钎料层51b的合金元素朝向芯材51a及铝板23侧扩散，在金属层13中与陶瓷基板11相反的一侧的区域，会形成合金元素浓度比金属层13的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部13a。
关于接合条件，优选将气氛设为真空，将加压负荷设在0.1MPa以上且3.5MPa以下的范围内，将加热温度设在600℃以上且640℃以下的范围内。
(铜层形成工序S103/散热器接合工序S104)
接着，如图11所示，在形成有第二合金元素高浓度部112C的铝层112A的一个面(图11中的上侧)，将成为铜层112B的铜板122B进行层叠。并且，在形成有合金元素高浓度部13a的金属层13的另一面侧(图11中的下侧)，经由作为铜接合材料的由无氧铜的轧制板形成的铜板52，将散热器41进行层叠。散热器41以表层43面向铜板52侧的方式层叠而形成层叠体。
然后，将该层叠体在层叠方向上进行加压加热，将铝层112A(第二合金元素高浓度部112C)与铜板122B、金属层13(合金元素高浓度部13a)与铜板52、铜板52与散热器41(表层43)分别进行固相扩散接合。在本实施方式中，作为固相扩散条件，将层叠方向的负荷设在0.6MPa以上且3.5MPa以下的范围内。接合温度可以在460℃以上且540℃以下的范围内，优选为480℃以上且520℃以下的范围内。保持时间优选设在30min以上且240min以下的范围内。
通过以上的工序，可以制造图8所示的带散热器的绝缘电路基板140。
实施例
以下对于为了确认本发明的有效性而进行的确认实验进行说明。
在由氮化铝(AlN)形成的陶瓷基板(40mm×40mm×厚度0.635mm)的一个面形成由纯度99.99质量％以上的铝(4N铝)形成的电路层(37mm×37mm×厚度0.4mm)，并且在陶瓷基板的另一个面形成表1中所示的材质及厚度的金属层(37mm×37mm)。关于陶瓷基板与成为电路层及金属层的铝板的接合，使用Al-7.5质量％Si-0.01质量％Mg钎料箔(厚度15μm)。
并且，在成为金属层的铝板的和陶瓷基板相反的一侧的面，层叠表1中所示的结构的包层材料。
然后，根据表1中所示的条件进行加热处理。
然后，经由铜接合材料(无氧铜的轧制：37mm×37mm×厚度1.0mm)，将由Al-SiC复合材料(即所谓AlSiC)形成的散热器(50mm×60mm×厚度5.0mm/表层厚度0.1mm)层叠于金属层上，该Al-SiC复合材料为将具有表1中所记载的固相线温度的铝浸渗于SiC的多孔质体而成，在层叠方向上以21MPa加压，以490℃保持150min，并将形成有合金元素高浓度部的金属层与铜接合材料、铜接合材料与散热器进行固相扩散接合。
在表2中散热器的材质由4N-Al构成的情形下，使用了纯度99.99质量％以上(4N-Al)的铝板(50mm×60mm×厚度5.0mm)。
对于所获得的带散热器的绝缘电路基板，根据以下步骤针对各项目进行了评价。
(压痕硬度的测定)
对于带散热器的绝缘电路基板的金属层，通过纳米压痕法测定压痕硬度。测定在金属层的厚度方向中央部的10处进行，取其平均值。关于压痕硬度使用称为Berkovich压头的棱夹角为114.8°以上且115.1°以下的三角锥金刚石压头，测量将试验负荷设为5000mgf而施加负载时的负荷-位移的关系，并通过压痕硬度＝37.926×10-3×(负荷[mgf]÷位移〔μm〕2)的式而求出。
(有无合金元素高浓度部)
观察沿着厚度方向的截面，使用电子探针显微分析仪(Electron probemicroanalyzer；EPMA)(日本电子制造JXA-8800RL)，在加速电压1.5kV、探针径50μm、照射电流5.0×10-8A的条件下实施基于EPMA的定量分析，确认有无合金元素浓度比金属层的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部。
(接合状态)
在构成散热器的铝(在AlSiC的情况下浸渗的铝)和构成合金元素高浓度部的铝中，对于具有高固相线温度的铝的部件与铜接合材料的界面的超声波探伤像，使用超声波探伤装置(Hitachi Power Solutions Co.,Ltd.制造，FineSAT200)进行测定，并根据以下式计算了接合率。
初始接合面积是指接合前的应接合的面积、即铜接合材料的面积。
(接合率)＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)
在对超声波探伤像进行二值化处理而得的图像中，剥离由接合层内的白色部分表示，因此将白色部分的面积设为剥离面积。
将接合率为90％以上的情况评价为“○”，且将接合率小于90％的情况评价为“×”。
(陶瓷破裂)
对于带散热器的绝缘电路基板，进行3000次-40℃←→150℃的冷热循环，在冷热循环之后通过超声波探伤装置观察陶瓷基板，并将未观察到破裂的情况评价为“○”，且将发生破裂的情况评价为“×”。
[表1]
※Al-Si-Mg：Al-10.5质量％Si-1.5质量％Mg
[表2]
在金属层的压痕硬度为50mgf/μm2以上的比较例1、2、6中，在冷热循环负载后发现了陶瓷破裂。推测是因为金属层相对较硬，因此当进行了冷热循环负载时金属层不容易变形而无法缓和加热变形的缘故。
在包层材料的芯材的厚度ta与钎料层的厚度tb之比tb/ta设为0.1的比较例3、5中，接合率小于90％，接合状态不充分。在包层材料没有使用芯材的比较例4中，接合率小于90％，接合状态不充分。
在没有使用包层材料而未形成合金元素高浓度部的比较例7中，接合率小于90％，接合状态不充分。
相对于此，在金属层的压痕硬度设为小于50mgf/μm2，包层材料的芯材的厚度ta与钎料层的厚度tb之比tb/ta设在0.1以上且0.3以下的范围内的实施例1～6中，接合率为90％以上，接合状态良好。并且，在冷热循环负载后未发现陶瓷破裂。推测是因为金属层相对较软，因此当进行了冷热循环负载时金属层会变形，从而能够缓和加热变形的缘故。
由以上可确认到，根据本发明，可以提供一种带散热器的绝缘电路基板的制造方法，即使当由变形阻力相对较小的铝来构成金属层，由固相线温度相对较低的铝合金来构成散热器的接合面的情形下，仍能将金属层与散热器可靠地进行固相扩散接合。
产业上的可利用性
根据本发明，可以提供一种带散热器的绝缘电路基板的制造方法，即使在由变形阻力相对小的铝构成金属层，由固相线温度相对低的铝合金构成散热器的接合面的情况下，也能够将金属层和散热器可靠地进行固相扩散接合。
符号说明
10-绝缘电路基板，11-陶瓷基板(绝缘层)，12-电路层，13-金属层，13a-合金元素高浓度部，32-铜接合层，40-带散热器的绝缘电路基板，41-散热器，43-表层(接合面)，51-包层材料，51a-芯材，51b-钎料层，52-铜板(铜接合材料)。

Claims (3)

1.一种带散热器的绝缘电路基板的制造方法，所述带散热器的绝缘电路基板具备：绝缘电路基板，在绝缘层的一个面形成有电路层并且在所述绝缘层的另一个面形成有金属层；及散热器，被接合至该绝缘电路基板的所述金属层侧，所述带散热器的绝缘电路基板的制造方法的特征在于，
所述金属层由铝构成，所述金属层的厚度中央部的压痕硬度小于50mgf/μm2，
所述散热器与所述绝缘电路基板的接合面由固相线温度为650℃以下的铝合金构成，
所述带散热器的绝缘电路基板的制造方法具备：
合金元素高浓度部形成工序，在所述金属层中与所述绝缘层相反的一侧的区域，将具备芯材与形成于该芯材的两面的钎料层的包层材料进行层叠并加热，将所述钎料层的合金元素扩散，由此形成合金元素浓度比所述金属层的厚度中央部更高且固相线温度为650℃以下的合金元素高浓度部；及
散热器接合工序，在所述金属层与所述散热器的接合面之间，将由铜或铜合金形成的铜接合材料进行层叠，而将所述金属层与所述铜接合材料、所述铜接合材料与所述散热器进行固相扩散接合，由此接合散热器，
所述包层材料的所述芯材的厚度ta与所述钎料层的厚度tb之比tb/ta在0.1以上且0.3以下的范围内，
所述合金元素高浓度部的Si浓度在2.0质量％以上且7.0质量％以下的范围内，Mn浓度在0.3质量％以上且1.5质量％以下的范围内。
2.根据权利要求1所述的带散热器的绝缘电路基板的制造方法，其特征在于，
所述合金元素高浓度部形成工序与在所述绝缘层形成所述金属层的金属层形成工序同时实施。
3.根据权利要求1或2所述的带散热器的绝缘电路基板的制造方法，其特征在于，
所述电路层具备：铝层，形成于所述绝缘层侧；及铜层，被层叠于该铝层，在该铝层中与所述绝缘层相反的一侧的区域，形成有合金元素浓度比所述铝层的厚度中央部更高，且固相线温度为650℃以下的第二合金元素高浓度部，
在所述合金元素高浓度部形成工序中，形成所述合金元素高浓度部与所述第二合金元素高浓度部，
所述第二合金元素高浓度部的Si浓度在2.0质量％以上且7.0质量％以下的范围内，Mn浓度在0.3质量％以上且1.5质量％以下的范围内。
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