CN1235284C - 用于半导体和功率模件的绝缘衬底板 - Google Patents

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Abstract

本发明中绝缘衬底板包括陶瓷衬底板(2)和形成在陶瓷衬底板(2)一个表面部分的包含铝的金属合金层(3)，其中金属合金层(3)的维氏硬度不低于25且不高于40。金属合金层(3)包含硅在重量上不低于0.2%且不高于5%。陶瓷衬底板(2)是由从铝，氮化铝和氮化硅组成的一群中选出的一种材料制成。本发明的功率模件包括金属底座(7)，陶瓷衬底板(2)，陶瓷衬底板的一个表面与金属底座(7)焊接而其它表面焊接在半导体触点(1)上，陶瓷衬底板(2)的至少一个表面部分具有主要包含铝的金属合金层(3)，其中金属合金层(3)的维氏硬度不低于25且不高于40。

Description

用于半导体和功率模件的绝缘衬底板
技术领域
本发明涉及半导体和功率模件的绝缘衬底板，尤其涉及具有高热循环抵抗力的金属-陶瓷电路衬底板，它适用于功率模件这样的高功率电子零件的安装，以及具有这种绝缘衬底板的功率模件。
背景技术
最近，高功率模件已经使用于控制电机动车，电汽车，加工机器及类似机器的大电流。功率模件主要有许多半导体触点。为了获得每个半导体触点从前表面到后表面大的电流，固定了半导体触点的衬底板要求有高的电绝缘性能。而且，当大的电流通过半导体触点时，所产生的热量能提高半导体触点的温度，因此，固定了半导体触点的衬底板和板周围的零件要求有好的热转移能力。此外，安装在机动车，电汽车和类似机器上的衬底板需要有高的可靠性和耐久性。
通常进行所谓热循环测试是为了知道衬底板的稳定性和耐久性。在这样的热循环测试中，通过使衬底板的温度短时间内在可能的最高温度和可能的最低温度之间改变，对衬底板应用热冲击，衬底板的任何破坏都得到调查。通常，应用于机动车或电汽车的衬底板要求承受1000次热循环测试。
图1显示了通常的功率模件的剖面图。功率模件具有依次堆积的半导体触点1，钎焊材料层(brazing material layer)4，金属层3，陶瓷衬底板2作为绝缘衬底板，金属层5，钎焊材料层6和金属底座7。附注数字8代表形成于金属层3和5以及金属底板7之上的极板层。图1中半导体触点之间的布线省略了。
通常认为由与铝极板连着的陶瓷衬底板组成的绝缘衬底板适合于这样的功率模件，它具有能在机动车或电动车中使用的高稳定性。通常，如果由金属和陶瓷组成的绝缘衬底板遭受上面提到的热循环试验，在金属和陶瓷之间的底表面上产生应力，因为金属与陶瓷的热膨胀系数是不同的，以致于陶瓷衬底板最终破裂。然而，如果金属是铝，与铜比起来，热循环的评价能得到显著的加强，因为铝是可变形的以致减少了作用于陶瓷上的压力。
迄今为止，已经提出各种办法来焊接铝极板和陶瓷衬底板，此衬底板使用如日本未经审查的实用新型公布第57945/1991号和日本未经审查的实用新型公布第68448/1990号所示的钎焊材料。在这些方法中，通过使用Al-Si系列或Al-Ge系列的钎焊材料，铝极板与氮化铝板或铝板焊接。公布于1976年的美国专利号3,994,430，显示了硅作为铝粘合辅助的用途。
此外，日本未经审查的专利公布第193358/1995号和第276035/1955号透露了这一方法：熔化态的铝与氮化铝衬底板或铝衬底板接触，铝凝结以致于铝直接与衬底板焊接。
通过使用钎焊材料使半导体触点与铝焊接，由铝和陶瓷组成的绝缘衬底板用于功率模件。在这样的情况下，铝与半导体触点保留在陶瓷和钎焊材料之间，所以，铝必须有孔用来保护陶瓷并具有容纳钎焊材料和半导体触点的功能。因此，需要不很受热冲击影响的绝缘衬底板。特别地，因为热冲击，在铝或者引线焊料的钎焊材料中或在钎焊材料和铝之间的交界表面中形成裂缝，功率模件的热转移能力显著减小，以致于半导体温度升高并最终破裂。
发明内容
因此，本发明的一个目的是解决上述问题。
本发明的发明者做了各种研究，发现以上的目标能够通过设置铝-陶瓷绝缘衬底板中铝的硬度在一个预先设定的范围内得到解决。
特别地，发明者找到了绝缘衬底板的铝的硬度范围，在它之内，陶瓷在热冲击中防护良好并且钎焊材料中没有裂缝形成。上述范围即在维氏硬度里不低于25且不高于40。如果维氏硬度不高于25，陶瓷在热冲击中防护良好，然而，铝变形很大，并且当重复进行热冲击的时候在钎焊材料中容易形成裂缝。如果维氏硬度不低于40，当重复进行热冲击的时候，在陶瓷中容易形成裂缝，因为铝几乎不变形并且热应力几乎不被吸收。
为了实现预先设定范围的以上硬度，在铝中加入另一种金属元素如硅就足够了。硅是合适的，因为它在铝中容易扩散并且形成低温下的共晶。为了实现不低于25且不高于40的维氏硬度，需要硅的重量百分比不低于0.2％且不高于5％。有可能进一步加入Mn，Mg或类似金属。
根据本发明用于半导体的绝缘衬底板，其特征在于包含陶瓷衬底板和主要由形成在陶瓷衬底板的至少一个表面部分上的铝组成的金属合金层，其中金属合金层的维氏硬度不低于25且不高于40。
根据本发明的功率模件，其特征在于包含金属底座，陶瓷衬底板，陶瓷衬底板的一个表面与金属底座的一个表面部分焊接而其它表面与半导体触点焊接，陶瓷衬底板至少一个表面部分具有主要由铝组成的金属合金层，其中金属合金层的维氏硬度不低于25且不高于40。
金属合金层包含硅在重量上不低于0.2％且不高于5％。
金属合金层包含Mn在重量上不高于1.5％。
金属合金层包含Mg在重量上不高于1％。
陶瓷衬底板是由从由铝，氮化铝和氮化硅组成的一群中选出的一种材料制成的。
金属合金层包括Cu，Zn或Ni在重量上不少于0.2％且不高于3％。
当与下面的描述和附图一起考虑时，本发明的这些以及其它方面和目的将得到更好的评价和理解。然而，必须明白，下面的描述，虽然简要说明了本发明的优选实施方案，但是是以举例说明的方式给出的，并且不受此限制。在本发明的范围内不离开它的精神，可以有许多变化和修改，本发明包含所有这些修改。
附图说明
图1是传统功率模件的垂直截面正视图；而
图2是制造根据本发明的衬底板的制造装置的垂直截面正视图。
具体实施方式
(例1)
在本发明的第一个例子中，如图2所示，在形成于石墨坩埚9上面部分的凹面部分10中放置原材料11，在重量上它包含99.8％的铝和0.2％的硅。凹面部分10用石墨活塞12关闭。厚0.635mm的氮化铝陶瓷衬底板14放置在形成于坩埚9下面部分的空腔13中。然后，坩埚9放入到加热到800℃的炉子中。结果，原材料11熔化并被活塞12的重力推出到其中包含陶瓷衬底板14的空腔13中。从炉子中取出坩埚9并在室温下冷却。在此例1中，为了防止坩埚9的氧化，坩埚9的加热和冷却都是在氮气的气氛中进行的。这样就获得了在每一侧表面都有厚0.5mm的铝合金层的陶瓷衬底，对它进行机械和电解抛光。
陶瓷衬底板铝合金层的维氏硬度是25。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例2)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.5％的铝和占0.5％的硅构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是30。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例3)
除了原材料11混合物是由在重量上占98％的铝和占2％的硅构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是35。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例4)
除了铝作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例2相同的条件下形成的。衬底板的铝合金层的维氏硬度是30。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例5)
除了氮化硅作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例2相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是30。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例6)
通过由在重量上占87.5％的铝和占12.5％的硅组成的厚50μm的钎焊材料层，在厚0.635mm的氮化铝衬底板的两侧表面的每一个上层压由在重量上占99.5％的铝和占0.5％的硅组成的厚0.4mm的极板。然后，极板放入到加热到640℃的炉子中。结果，形成铝合金极板和氮化铝的金属-陶瓷衬底板。衬底板铝合金层的维氏硬度是31。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例7)
除了原材料11混合物是由重量上97.9％的铝，0.6％的硅和1.5％的Mn构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是32。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。这里，Mn用来增加硬度。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例8)
除了层压极板是由重量上占98.6％的铝，占0.4％的硅和占1％的Mg构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例6相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是30。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。这里，Mg用来增加硬度。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例9)
除了原材料11混合物是由在重量上占98％的铝和占2％的Mn构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是30。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例10)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.8％的铝和占0.2％的Mn构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是25。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例11)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.5％的铝和占0.5％的Mn构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是27。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例12)
除了铝作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例11相同的条件下形成的。衬底板的铝合金层的维氏硬度是27。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例13)
除了氮化硅作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例11相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是27。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例14)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.0％的铝和占1％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是30。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
(例15)
除了原材料11混合物是由在重量上占98％的铝和占2％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是32。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
(例16)
除了铝作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例15相同的条件下形成的。衬底板的铝合金层的维氏硬度是32。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例17)
除了氮化硅作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例15相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是32。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例18)
除了原材料11混合物是由在重量上占98％的铝和占2％的Zn构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是34。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例19)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.5％的铝和占0.5％的Ni构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是33。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例20)
通过由在重量上占87.5％的铝和占12.5％的硅组成的厚50μm的钎焊材料层，在厚0.635mm的氮化铝衬底板的两侧表面的每一个上层压由在重量上占98％的铝和2％的硅组成的厚0.4mm的极板。然后，极板放入到加热到640℃的炉子中。结果，形成铝合金极板和氮化铝的金属-陶瓷衬底板。衬底板铝合金层的维氏硬度是25。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例21)
除了层压极板是由重量上占99.8％的铝和占0.2％的Mg构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例20相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是25。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。这里，Mg用来增加硬度。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例22)
除了层压极板是由重量上占99.5％的铝和占0.5％的Mg构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例20相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是27。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。这里，Mg用来增加硬度。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例23)
除了铝作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例22相同的条件下形成的。衬底板的铝合金层的维氏硬度是27。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例24)
除了氮化硅作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例22相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是27。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例25)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.0％的铝和占1％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例20相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是31。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例26)
除了原材料11混合物是由在重量上占98％的铝和占2％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例20相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是33。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例27)
除了铝作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例26相同的条件下形成的。衬底板的铝合金层的维氏硬度是33。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例28)
除了氮化硅作为陶瓷使用外，金属-陶瓷衬底板是在与例26相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是33。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例29)
除了原材料11混合物是由在重量上占98％的铝和占2％的Zn构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例20相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是35。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例30)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.5％的铝和占1％的Ni构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例20相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是33。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例31)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.4％的铝，占0.1％的硅和占0.5％的Mg构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是28。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例32)
通过由在重量上占87.5％的铝和占12.5％的硅组成的厚50μm的钎焊材料层，在厚0.635mm的氮化铝衬底板的两侧表面的每一个上层压由在重量上占99.4％的铝，占0.5％的Mg和占0.1％的硅组成的厚0.4mm的极板。然后，极板放入加热到640℃的炉子中。结果，形成铝合金极板和氮化铝的金属-陶瓷衬底板。衬底板铝合金层的维氏硬度是28。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例33)
除了层压极板是由重量上占98.9％的铝，占0.1％的硅和占1％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例31相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是32。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例34)
除了层压极板是由重量上占98.9％的铝，占0.1％的硅和占1％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例32相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是32。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例35)
除了层压极板是由重量上占98.8％的铝，占0.1％的硅，占1％的Cu和占0.1％的Mg形成外，金属-陶瓷衬底板是在与例31相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是33。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。这里，Mg用来增加硬度。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(例36)
除了层压极板是由重量上占98.8％的铝，占0.1％的硅，占1％的Cu和占0.1％的Mg构成外，金属-陶瓷衬底板是在与例32相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是33。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。这里，Mg用来增加硬度。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在3000次的热循环之后，在陶瓷和陶瓷与底座之间的钎焊材料中没有发现变化。
(比较例1)
下面的样本是准备用来做比较的。如图2所示，在形成于石墨坩埚9上面部分的凹面部分10中放置100％铝的原材料11和石墨活塞12。厚0.635mm的氮化铝陶瓷衬底板14放置在形成于坩埚9下面部分的空腔13中。然后，坩埚9放入加热到800℃的炉子中。结果，原材料11熔化并被活塞12的重力推出到包含陶瓷衬底板14的空腔13中。从炉子中取出坩埚9并在室温下冷却。在此比较例1中，为了防止坩埚9的氧化，坩埚9的加热和冷却都是在氮气的气氛中进行的。这样就获得了在每一侧表面都有厚0.5mm的铝合金层的陶瓷衬底板，对它进行机械和电解抛光。
衬底板铝合金层的维氏硬度是20。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在2000次的热循环之后，在陶瓷与底座之间的钎焊材料中发现小的裂缝。然而，模件的功能没有减小。
(比较例2)
除了原材料11混合物是由在重量上占95％的铝和占5％的硅构成外，金属-陶瓷衬底板是在与比较例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是40。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在1000次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。
(比较例3)
通过由在重量上占87.5％的铝和占12.5％的硅组成的厚50μm的钎焊材料层，在厚0.635mm的氮化铝衬底板的两侧表面的每一个上层压由在重量上占95％的铝和占5％的硅组成的厚0.4mm的极板。然后，极板放入加热到640℃的炉子中。结果，形成铝合金极板和氮化铝的金属-陶瓷衬底板。衬底板铝合金层的维氏硬度是40。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在1000次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。
(比较例4)
除了原材料11混合物是由在重量上占95％的铝和占5％的Ni构成外，金属-陶瓷衬底板是在与比较例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是42。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在1000次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。然而，在1000次的热循环之后，在陶瓷与底座之间的钎焊材料层中没有发现裂缝。
(比较例5)
除了原材料11混合物是由在重量上占95％的铝和占5％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与比较例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是68。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在100次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。然而，在100次的热循环之后，在陶瓷与底座之间的钎焊材料层中没有发现裂缝。
(比较例6)
除了原材料11混合物是由在重量上占98％的铝和占2％的Mg构成外，金属-陶瓷衬底板是在与比较例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是67。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在100次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。然而，在100次的热循环之后，在陶瓷与底座之间的钎焊材料层中没有发现裂缝。
(比较例7)
除了原材料11混合物是由在重量上占95％的铝和占5％的Zn形成外，金属-陶瓷衬底板是在与比较例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是40。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在1000次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。然而，在1000次的热循环之后，在陶瓷与底座之间的钎焊材料层中没有发现裂缝。
(比较例8)
除了原材料11混合物是由在重量上占95％的铝和占5％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与比较例3相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是68。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在100次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。然而，在100次的热循环之后，在陶瓷与底座之间的钎焊材料层中没有发现裂缝。
(比较例9)
除了原材料11混合物是由在重量上占98％的铝和占2％的Mg构成外，金属-陶瓷衬底板是在与比较例3相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是67。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在100次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。然而，在100次的热循环之后，在陶瓷与底座之间的钎焊材料层中没有发现裂缝。
(比较例10)
除了原材料11混合物是由在重量上占99.9％的铝和占0.1％的Cu构成外，金属-陶瓷衬底板是在与比较例1相同的条件下形成的。铝衬底板的铝合金层的维氏硬度是22。然后，通过使用共晶成分的钎焊材料把金属陶瓷衬底板与Al-SiC复合材料底座结合形成了功率模件。
为了评估功率模件而进行热循环试验。在2000次的热循环之后，在陶瓷中发现裂缝。然而，在2000次的热循环之后，在陶瓷与底座之间的钎焊材料层中没有发现裂缝。
表1-5显示了以上结果。
表1
例1 例2 例3 例4 例5
维氏硬度 25 30 35 30 30
铝的混合物 Al 99.8％Si 0.2％ Al 99.5％Si 0.5％ Al 98％Si 2％ Al 99.5％Si 0.5％ Al 99.5％Si 0.5％
陶瓷 氮化铝 氮化铝 氮化铝 铝 氮化硅
焊接的方式 直接焊接 直接焊接 直接焊接 直接焊接 直接焊接
热循环承受力 大于3000循环 大于3000循环 大于3000循环 大于3000循环 大于3000循环
陶瓷中的裂缝 在3000循环没有裂缝 在3000循环没有裂缝 在3000循环没有裂缝 在3000循环没有裂缝 在3000循环没有裂缝
钎焊材料中的裂缝 在3000循环没有裂缝 在3000循环没有裂缝 在3000循环没有裂缝 在3000循环没有裂缝 在3000循环没有裂缝
  例6   例7   例8   例9   例10
  维氏硬度   31   32   30   30   25
  铝的混合物   Al 99.5％Si 0.5％   Al 97.9％Si 0.6％Mn 1.5％   Al 98.6％Si 0.4％Mg 1％   Al 98％Mn 2％   Al 99.8％Mg 0.2％
  陶瓷   氮化铝   氮化铝   氮化铝   氮化铝   氮化铝
  焊接的方式   通过钎焊焊接   直接焊接   通过钎焊焊接   直接焊接   直接焊接
  热循环承受力   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环
  陶瓷中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  钎焊材料中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
表2
  例11   例12   例13   例14   例15
  维氏硬度   27   27   27   30   32
  铝的混合物   Al 99.5％Mg 0.5％   Al 99.5％Mg 0.5％   Al 99.5％Mg 0.5％   Al 99％Cu 1％   Al 98％Cu 2％
  陶瓷   氮化铝   铝   氮化硅   氮化铝   氮化铝
  焊接的方式   直接焊接   直接焊接   直接焊接   直接焊接   直接焊接
  热循环承受力   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环
  陶瓷中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  钎焊材料中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  例16   例17   例18   例19   例20
  维氏硬度   32   32   34   33   31
  铝的混合物   Al 98％Cu 2％   Al 98％Cu 2％   Al 98％Zn 2％   Al 99.5％Ni 0.5％   Al 98％Mn 2％
  陶瓷   铝   氮化硅   氮化铝   氮化铝   氮化铝
  焊接的方式   直接焊接   直接焊接   直接焊接   直接焊接   通过钎焊焊接
  热循环承受力   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环
  陶瓷中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  钎焊材料中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
表3
  例21   例22   例23   例24   例25
  维氏硬度   25   27   27   27   31
  铝的混合物   Al 99.8％Mn 0.2％   Al 99.5％Mn 0.5％   Al 99.5％Mn 0.5％   Al 99.5％Mn 0.5％   Al 99％Cu 1％
  陶瓷   氮化铝   氮化铝   铝   氮化硅   氮化铝
  焊接的方式   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接
  热循环承受力   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环
  陶瓷中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  钎焊材料中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  例26   例27   例28   例29   例30
  维氏硬度   33   33   33   35   33
  铝的混合物   Al 98％Cu 2％   Al 98％Cu 2％   Al 98％Cu 2％   Al 98％Zn 2％   Al 99.5％Ni 0.5％
  陶瓷   氮化铝   铝   氮化硅   氮化铝   氮化铝
  焊接的方式   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接
  热循环承受力   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环
  陶瓷中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  钎焊材料中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
表4
  例31   例32   例33
  维氏硬度   28   28   32
  铝的混合物   Al  99.4％Si  0.1％Mg  0.5％   Al 99.4％Si 0.1％Mg 0.5％   Al  98.9％Si  0.1％Cu  1％
  陶瓷   氮化铝   氮化铝   氮化铝
  焊接的方式   直接焊接   通过钎焊焊接   直接焊接
  热循环承受力   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环
  陶瓷中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  钎焊材料中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  例34   例35   例36
  维氏硬度   32   33   33
  铝的混合物   Al  98.9％Si  0.1％Cu  1％   Al  98.8％Si  0.1％Mg  0.1％Cu  1％   Al  98.8％Si  0.1％Mg  0.1％Cu  1％
  陶瓷   氮化铝   氮化铝   氮化铝
  焊接的方式   通过钎焊焊接   直接焊接   通过钎焊焊接
  热循环承受力   大于3000循环   大于3000循环   大于3000循环
  陶瓷中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
  钎焊材料中的裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝   在3000循环没有裂缝
表5
  比较例1   比较例2   比较例3   比较例4  比较例5
  维氏硬度   20   40   40   42  68
  铝的混合物   Al  100％   Al  95％Si  5％   Al  95％Si  5％   Al  95％Ni  5％  Al  95％Cu  5％
  陶瓷   氮化铝   氮化铝   氮化铝   氮化铝  氮化铝
  焊接的方式   直接焊接   直接焊接   通过钎焊焊接   直接焊接  直接焊接
  热循环承受力   2000循环   1000循环   1000循环   1000循环  100循环
  陶瓷中的裂缝   在2000循环没有裂缝   在1000循环有裂缝   在1000循环有裂缝   在1000循环有裂缝  在100循环有裂缝
  钎焊材料中的裂缝   在2000循环有少量裂缝   在1000循环没有裂缝   在1000循环没有裂缝   在1000循环没有裂缝  在100循环没有裂缝
 比较例6   比较例7   比较例8   比较例9   比较例10
  维氏硬度  67   40   68   67   22
  铝的混合物  Al  98％Mg  2％   Al  95％Zn  5％   Al  95％Cu  5％   Al  98％Mg  2％   Al  99.9％Cu  0.1％
  陶瓷  氮化铝   氮化铝   氮化铝   氮化铝   氮化铝
  焊接的方式  直接焊接   直接焊接   通过钎焊焊接   通过钎焊焊接   直接焊接
  热循环承受力  100循环   1000循环   100循环   100循环   2000循环
  陶瓷中的裂缝  在100循环有裂缝   在1000循环有裂缝   在100循环有裂缝   在100循环有裂缝   在2000循环有裂缝
  钎焊材料中的裂缝  在100循环没有裂缝   在1000循环没有裂缝   在100循环没有裂缝   在100循环没有裂缝   在2000循环没有裂缝
根据本发明的功率模件，如同上面提到的，通过设定铝-陶瓷绝缘衬底板中铝的硬度在预先设定的范围内，能够获得高的稳定性和高的热循环承受力，陶瓷在热冲击中防护良好并且能防止在钎焊材料中形成裂缝。
为了提高抗蚀能力和对钎焊材料的亲和力，可以在陶瓷衬底板上进行喷镀Au或Ni。
陶瓷之间的铝有高的热绝缘能力并且便宜。氮化铝有高的热传导率和高的热辐射，以致它能更优越地容纳大电流控制触点。氮化硅有高的强度和高的热循环承受力，以致它能应用在如发动机室这样猛烈的环境下。
此外，通过使用微-维氏硬度表(由卡布士开开斯亚美瑟奇沙(Kabushiki Kaisya Mei Seki Sha)制造的MVK-G1)，在15秒内测量了关于与铝焊接在一起的重50g的陶瓷的铝表面的维氏硬度。表1中的维氏硬度的值是二十个部分获得的平均值。热循环测试是在气相进行的，它的一个循环是：-40℃的温度持续30分钟，25℃持续10分钟，125℃持续30分钟，25℃持续10分钟，-40℃的温度持续30分钟。
当已经参照本发明的优选实施方案特殊地显示和描述了它之后，本领域熟练的技术人员将明白：不离开如附加权利要求所定义的本发明的精神和范围。在形式和细节上能有多种变化。

Claims (13)

1.用于半导体的绝缘衬底板，其特征在于包括陶瓷衬底板(2)和形成在陶瓷衬底板(2)的至少一个表面部分上的主要含铝的金属合金层(3)，其中金属合金层(3)的维氏硬度不低于25且不高于40。
2.根据权利要求1的绝缘衬底板，其中的金属合金层(3)包含硅在重量上不低于0.2％且不高于5％。
3.根据权利要求1或2的绝缘衬底板，其中的金属合金层(3)包含Mn在重量上不高于1.5％。
4.根据权利要求1或2的绝缘衬底板，其中的金属合金层(3)包含Mg在重量上不高于1％。
5.根据权利要求1或2的绝缘衬底板，其中的金属合金层(3)包含Cu在重量上不低于0.2％且不高于3％。
6.根据权利要求1或2的绝缘衬底板，其中的金属合金层(3)包含Zn在重量上不低于0.2％且不高于3％。
7.根据权利要求1或2的绝缘衬底板，其中的金属合金层(3)包含Ni在重量上不低于0.2％且不高于3％。
8.根据权利要求1或2的绝缘衬底板，其中陶瓷衬底板(2)是由从铝，氮化铝和氮化硅组成的组中选出的一种材料制成。
9.一种功率模件，其特征在于包括金属底座(7)，陶瓷衬底板(2)，其一个表面与金属底座(7)焊接而其它表面焊接在半导体触点(1)上，陶瓷衬底板(2)的至少一个表面部分具有主要包含铝的金属合金层(3)，其中金属合金层(3)的维氏硬度不低于25且不高于40。
10.根据权利要求9的功率模件，其中的金属合金层(3)包含硅在重量上不低于0.2％且不高于5％。
11.根据权利要求9或10的功率模件，其中的金属合金层(3)包含Mn在重量上不高于1.5％。
12.根据权利要求9或10的功率模件，其中的金属合金层(3)包含Mg在重量上不高于1％。
13.根据权利要求9或10的功率模件，其中陶瓷衬底板(2)是由从铝，氮化铝和氮化硅组成的组中选出的一种材料制成。
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