TW201438157A - 功率模組用基板，附散熱座功率模組用基板，附散熱座功率模組 - Google Patents

功率模組用基板，附散熱座功率模組用基板，附散熱座功率模組 Download PDF

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Abstract

本申請案之功率模組用基板，具備形成於陶瓷基板(11)的第一面之電路層(12)、及形成於第二面之金屬層(13)，前述金屬層(13)具有：第一鋁層(13A)，與前述陶瓷基板(11)的第二面接合；及第一銅層(13B)，與該第一鋁層(13A)固相擴散接合。

Description

功率模組用基板，附散熱座功率模組用基板，附散熱座功率模組
本發明係有關具備形成於陶瓷基板一方之面(第一面)的電路層及形成於另一方之面(第二面)的金屬層之功率模組用基板，以及在該功率模組用基板上接合散熱座而成之附散熱座功率模組用基板，以及在該附散熱座功率模組用基板上接合半導體元件而成之附散熱座功率模組。
本申請案基於2013年1月22日於日本申請之特願2013-009199號及2013年10月17日於日本申請之特願2013-216783號而主張優先權，其內容被援用於此。
在各種半導體元件當中，用來控制電動汽車或電動車輛等的大電力控制用之功率元件，由於其發熱量多，故作為裝載其之基板，以往便廣泛使用例如在由AlN(氮化鋁)等所構成之陶瓷基板的一方之面(第一面)及 另一方之面(第二面)上接合金屬板來作為電路層及金屬層而成之功率模組用基板。
這樣的功率模組用基板，會在陶瓷基板的第二面側接合熱傳導性優良之散熱座，來做成附散熱座功率模組用基板。此外，在電路層上會透過銲料材而裝載作為功率元件的半導體元件，來做成附散熱座功率模組。
上述般的功率模組用基板，例如專利文獻1中揭示一種功率模組用基板，其具備金屬層，該金屬層具有：與陶瓷基板的下面接合之4N鋁(4N-Al)層、及與該4N鋁層接合之2N鋁(2N-Al)層。又，功率模組用基板的金屬層係與由Cu構成之散熱板(散熱座)接合，來做成附散熱板(附散熱座)功率模組用基板。
此外，專利文獻2中揭示一種功率模組用基板，其具備金屬層，該金屬層由與陶瓷基板的下面接合之2N鋁層所構成。
專利文獻3中揭示一種功率模組用基板，其具備金屬層，該金屬層由與陶瓷基板的下面接合之Cu層所構成。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本特許第4037425號公報
[專利文獻2]日本特許第4629016號公報
[專利文獻3]日本特開4-162756號公報
不過，專利文獻1及專利文獻2所示之功率模組用基板中，如上述般金屬層是由Al所構成。此處，Al由於銲接性差，故將由Al所構成之金屬層與散熱板予以銲接時，必須在表面形成Ni鍍覆，而招致製造成本增大。此外，由於施以Ni鍍覆，故功率模組的製造工程變長，還會有生產性降低的問題。
再者，Al的變形阻力(deformation resistance)相對較低，故當功率模組負載冷熱循環時，會因為功率模組用基板與散熱板之間產生的熱應力，而在銲料發生裂痕，還會有接合可靠性降低、或熱阻上昇的問題。
另一方面，若如專利文獻3所示般金屬層是由Cu所構成之情形下，因Cu的銲接性良好，故不需要上述的Ni鍍覆。此外，Cu的變形阻力相對較高，故當負載冷熱循環時，會抑制金屬層中發生皺褶，而能夠抑制將功率模組用基板與散熱板予以接合之銲料中發生裂痕。
然而，Cu如上述般變形阻力相對較高，故當負載冷熱循環時，可能會因為陶瓷基板與金屬層之間產生的熱應力，而使陶瓷基板發生破裂。
特別是最近正促進功率模組的小型化、薄厚度化，且其使用環境趨於嚴苛，來自半導體元件的發熱量逐漸變大，故冷熱循環的條件變得嚴苛，而需要一種可靠性更高功率模組用基板。
本發明係有鑑於前述情況而研發，目的在於提供一種於負載冷熱循環時會抑制將金屬層與散熱座予以接合之銲料中發生裂痕，而抑制接合可靠性降低或熱阻上昇，且能抑制陶瓷基板發生破裂之功率模組用基板、附散熱座功率模組用基板、及附散熱座功率模組。
為解決前述問題，(1)本發明一態樣之功率模組用基板，係具備形成於陶瓷基板的一方之面(第一面)的電路層、及形成於另一方之面(第二面)的金屬層，該功率模組用基板，其特徵為：前述金屬層具有：第一鋁層，與前述陶瓷基板的另一方之面接合；及第一銅層，與該第一鋁層固相擴散接合。
按照本發明之功率模組用基板，是在陶瓷基板的第二面上接合第一鋁層，然後在第一鋁層上接合第一銅層，故當在功率模組用基板上接合散熱座時，第一銅層與散熱座會接合，不需在金屬層上形成Ni鍍覆便能將金屬層與散熱座良好地接合。此外，當藉由銲料將功率模組用基板與散熱座予以接合的情形下，會將變形阻力相對較高的第一銅層與散熱座接合，故在負載冷熱循環時，會抑制銲料產生裂痕，能夠抑制接合可靠性降低或熱阻上昇。
又，在陶瓷基板的第二面上係接合變形阻力相對較小的第一鋁層，故即使負載冷熱循環，也能以第一鋁層來吸收陶瓷基板與第一銅層之間產生的熱應力，而抑制陶瓷基 板發生破裂。
再者，第一鋁層與第一銅層係藉由固相擴散接合來接合，故可使第一鋁層與第一銅層之接合可靠性提升。此外，當負載冷熱循環的情形下，會抑制第一鋁層與第一銅層之間發生剝離，能夠維持金屬層的熱傳導性。
(2)本發明另一態樣之功率模組用基板，係如(1)之功率模組用基板，其中，前述電路層具有：第二鋁層，與前述陶瓷基板的一方之面(第一面)接合；及第二銅層，與該第二鋁層固相擴散接合。
此一構成當中，電路層具有第二銅層，當在該第二銅層上裝載半導體元件的情形下，將從半導體元件產生的熱傳導至功率模組用基板側時，能夠在電路層的第二銅層於面方向擴散而有效率地逸散。
又，在陶瓷基板的第一面，形成有變形阻力相對較小的第二鋁層，當負載冷熱循環的情形下，第二鋁層會吸收因陶瓷基板與電路層之間的熱膨脹係數差而產生之熱應力，故能夠抑制陶瓷基板發生破裂。此外，在第二鋁層的一方側，形成有變形阻力相對較大的第二銅層，故當負載功率循環的情形下，能夠抑制電路層的變形。
此外，第二鋁層與第二銅層是藉由固相擴散接合而接合，故當負載冷熱循環的情形下，會抑制第二鋁層與第二銅層之間發生剝離，能夠維持電路層的熱傳導性及導電性。
另，此處所謂第二鋁層的一方側，係指未與陶瓷基板 接合之面側。
(3)本發明另一態樣之附散熱座功率模組用基板，係具有：(1)或(2)之功率模組用基板、及散熱座，前述第一銅層與前述散熱座係接合。
按照本發明之附散熱座功率模組用基板，功率模組用基板的第一銅層係與散熱座接合，故不需在金屬層上形成Ni鍍覆便能藉由銲料將金屬層與散熱座予以接合。此外，當藉由銲料將金屬層與散熱座予以接合，則會將變形阻力相對較高的第一銅層與散熱座接合，故在負載冷熱循環時，會抑制銲料產生裂痕，能夠抑制接合可靠性降低或熱阻上昇。又，在陶瓷基板的第二面上係接合變形阻力相對較小的第一鋁層，故負載冷熱循環時，能以第一鋁層來吸收熱應力，能夠抑制陶瓷基板發生破裂。
(4)本發明另一態樣之附散熱座功率模組用基板，係如(3)之附散熱座功率模組用基板，其中，前述散熱座係由Cu或Cu合金所構成，前述功率模組用基板與前述散熱座係藉由銲料而接合。
在此情形下，能夠將金屬層的第一銅層與由Cu或Cu合金所構成之散熱座藉由銲料而良好地接合。此外，由於散熱座是由熱傳導性良好的Cu或Cu合金所構成，故能夠將來自功率模組用基板的熱有效率地朝散熱座側逸散。
(5)本發明另一態樣之附散熱座功率模組用基板，係如(3)之附散熱座功率模組用基板，其中，前述散熱座係由形成有Ni鍍覆之Al或Al合金所構成，前 述功率模組用基板與前述散熱座係藉由銲料而接合。
當在由Al或Al合金所構成之散熱座上形成Ni鍍覆的情形下，能夠將上述功率模組用基板與散熱座良好地銲接。
本發明另一態樣之附散熱座功率模組，係具備：(3)至(5)任一項之附散熱座功率模組用基板、及與前述電路層的一方之面(第一面)接合之半導體元件。
在此情形下，由於具備上述功率模組用基板，故即使負載冷熱循環，仍會抑制將金屬層與散熱座予以接合之銲料中產生裂痕，能夠抑制接合可靠性降低或熱阻上昇，且能抑制陶瓷基板發生破裂。
按照本發明，便能提供一種於負載冷熱循環時會抑制將金屬層與散熱座予以接合之銲料中發生裂痕，而抑制接合可靠性降低或熱阻上昇，且能抑制陶瓷基板發生破裂之功率模組用基板、附散熱座功率模組用基板、及附散熱座功率模組。
1‧‧‧附散熱座功率模組
3‧‧‧半導體元件
10、110‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12、112‧‧‧電路層
12A、112A‧‧‧第二鋁層
12B、112B‧‧‧第二銅層
13‧‧‧金屬層
13A‧‧‧第一鋁層
13B‧‧‧第一銅層
30、130‧‧‧附散熱座功率模組用基板
31‧‧‧散熱板(散熱座)
40、140‧‧‧散熱座
41‧‧‧冷卻部(散熱座)
[圖1]本發明實施形態之附散熱座功率模組、附散熱座功率模組用基板、功率模組用基板的概略說明圖。
[圖2]金屬層中的第一鋁層與第一銅層之接合界面的 放大說明圖。
[圖3]電路層中的第二鋁層與第二銅層之接合界面的放大說明圖。
[圖4]本發明實施形態之功率模組用基板之製造方法概略說明圖。
[圖5]本發明實施形態之功率模組之製造方法概略說明圖。
[圖6]本發明實施形態之功率模組之製造方法示意流程圖。
[圖7]本發明另一實施形態之附散熱座功率模組用基板、及功率模組用基板的概略說明圖。
[圖8]本發明另一實施形態之附散熱座功率模組用基板中，第一鋁層與第一銅層之接合界面的概略說明圖。
[圖9]本發明另一實施形態之附散熱座功率模組用基板中，第二鋁層與第二銅層之接合界面的概略說明圖。
[圖10]圖8的金屬間化合物層與第一銅層之界面的放大說明圖。
[圖11]圖9的金屬間化合物層與第二銅層之界面的放大說明圖。
[圖12]Cu與Al的二元狀態圖。
以下參照所附圖面，說明本發明之實施形態。
圖1揭示本發明實施形態之附散熱座功率模組1、附散熱座功率模組用基板30、功率模組用基板10。
附散熱座功率模組1具備：附散熱座功率模組用基板30、及在該附散熱座功率模組用基板30一方側(圖1中的上側)透過銲料層2而接合之半導體元件3。
銲料層2例如是訂為Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或是Sn-Ag-Cu系等之銲料材(即所謂無鉛銲料材)，將附散熱座功率模組用基板30與半導體元件3予以接合。
半導體元件3為具備半導體之電子零件，因應所需之功能會選擇各種半導體元件。本實施形態中，係訂為IGBT(絕緣閘雙極電晶體，insulated gate bipolar transistor)元件。
附散熱座功率模組用基板30具備：功率模組用基板10、及與該功率模組用基板10另一方側(圖1中的下側)接合之散熱座40。
功率模組用基板10，如圖1所示，具備：陶瓷基板11；及電路層12，形成於該陶瓷基板11一方之面(第一面，即圖1中的上面)；及金屬層13，形成於陶瓷基板11另一方之面(第二面，即圖1中的下面)。
陶瓷基板11，係防止電路層12與金屬層13之間的電性連接，且由絕緣性高的AlN(氮化鋁)所構成。此外，陶瓷基板11的厚度設定在0.2~1.5mm的範圍內，本實施形態中是設定為0.635mm。
金屬層13，如圖1所示，具有：第一鋁層13A，與陶瓷基板11的第二面接合；及第一銅層13B，層積於該第一鋁層13A的另一方側(圖1中的下側)。
第一鋁層13A，是藉由在陶瓷基板11的第二面上接合鋁板而形成。本實施形態中，第一鋁層13A是藉由純度99.99%以上的鋁(亦即4N鋁)的壓延板所構成之鋁板與陶瓷基板11接合而形成。此處，所接合的鋁板的厚度較佳是設定在0.2mm以上3.0mm以下。
第一銅層13B，是藉由與第一鋁層13A的另一方側(圖1中的下側)接合而形成。本實施形態中，第一銅層13B是藉由無氧銅的壓延板所構成之銅板與第一鋁層13A固相擴散接合而形成。此處，所接合的銅板的厚度較佳是設定在0.1mm以上4.0mm以下。
又，在該些第一鋁層13A與第一銅層13B之界面，如圖2所示形成有金屬間化合物層13C。
金屬間化合物層13C，是藉由第一鋁層13A的Al原子及第一銅層13B的Cu原子相互擴散而形成。該金屬間化合物層13C中係具有濃度梯度，從第一鋁層13A愈朝向第一銅層13B，Al原子的濃度會逐漸變低，且Cu原子的濃度逐漸變高。
金屬間化合物層13C，是由Cu和Al所成之金屬間化合物所構成，本實施形態當中，係構成為複數個金屬間化合物沿著接合界面而層積。此處，金屬間化合物層13C的厚度ta，是設定在1μm以上80μm以下之範圍內，較佳是 5μm以上80μm以下之範圍內。
本實施形態當中，如圖2所示，係做成3種金屬間化合物層積之構造，從第一鋁層13A側朝向第一銅層13B側，依序做成θ相16a、η2相17a、ζ2相18a。
此外，在該金屬間化合物層13C與第一銅層13B的接合界面，氧化物19a係沿著接合界面而分散成層狀。另，本實施形態中，該氧化物19a是做成氧化鋁(Al2O3)等鋁氧化物。另，氧化物19a在金屬間化合物層13C與第一銅層13B的界面是分散而呈寸斷的狀態，故也存在有金屬間化合物層13C與第一銅層13B會直接接觸之區域。
又，本實施形態中，第一銅層13B的平均結晶粒徑是訂為50μm以上200μm以下之範圍內，第一鋁層13A的平均結晶粒徑是訂為500μm以上。
電路層12，如圖1所示，具有：第二鋁層12A，與陶瓷基板11的第一面接合；及第二銅層12B，層積於該第二鋁層12A的一方側(圖1中的上側)。
第二鋁層12A，是藉由在陶瓷基板11的第一面上接合鋁板而形成。本實施形態中，第二鋁層12A是藉由純度99.99%以上的鋁(亦即4N鋁)的壓延板所構成之鋁板與陶瓷基板11接合而形成。
此處，所接合的鋁板的厚度較佳是設定在0.2mm以上3.0mm以下。
第二銅層12B，是藉由與第二鋁層12A的一 方側(圖1中的上側)接合而形成。本實施形態中，第二銅層12B是藉由無氧銅的壓延板所構成之銅板與第二鋁層12A固相擴散接合而形成。此處，所接合的銅板的厚度較佳是設定在0.1mm以上4.0mm以下。
又，在該些第二鋁層12A與第二銅層12B之界面，如圖3所示形成有金屬間化合物層12C。
金屬間化合物層12C，是藉由第二鋁層12A的Al原子及第二銅層12B的Cu原子相互擴散而形成。該金屬間化合物層12C中係具有濃度梯度，從第二鋁層12A愈朝向第二銅層12B，Al原子的濃度會逐漸變低，且銅原子的濃度逐漸變高。
該金屬間化合物層12C，是由Cu和Al所成之金屬間化合物所構成，本實施形態當中，係構成為複數個金屬間化合物沿著接合界面而層積。此處，該金屬間化合物層12C的厚度tb，是設定在1μm以上80μm以下之範圍內，較佳是5μm以上80μm以下之範圍內。
本實施形態當中，如圖3所示，係做成3種金屬間化合物層積之構造，從第二鋁層12A側朝向第二銅層12B側，依序做成θ相16b、η2相17b、ζ2相18b(圖12)。
此外，在該金屬間化合物層12C與第二銅層12B的接合界面，氧化物19b係沿著接合界面而分散成層狀。另，本實施形態中，該氧化物19b是做成氧化鋁(Al2O3)等鋁氧化物。另，氧化物19b在金屬間化合物層12C與第二銅層12B的界面是分散而呈寸斷的狀態， 故也存在有金屬間化合物層12C與第二銅層12B會直接接觸之區域。
又，本實施形態中，第二銅層12B的平均結晶粒徑是訂為50μm以上200μm以下之範圍內，第二鋁層12A的平均結晶粒徑是訂為500μm以上。
散熱座40係用來使功率模組用基板10側的熱逸散。本實施形態當中，散熱座40，係由：散熱板31，供功率模組用基板10接合；及冷卻部41，設有用來流通冷卻媒介(例如冷卻水)之通路42；所構成，散熱板31與冷卻部41係隔著潤滑脂(grease)43而藉由螺絲44固定。散熱座40理想是由熱傳導性良好的材質所構成，本實施形態中，散熱板31是由無氧銅所構成，冷卻部41是由Al合金所構成。又，散熱座40的散熱板31與第一銅層13B，是藉由銲料層32來接合，銲料層32例如訂為Sn-Sb系、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系之銲料材(所即謂無鉛銲料材)。
接著，利用圖4至圖6，說明本實施形態之附散熱座功率模組1、附散熱座功率模組用基板30、功率模組用基板10之製造方法。
首先，如圖4所示，在陶瓷基板11的第一面及第二面，透過Al-Si系之硬銲材(未圖示)來層積鋁板22A、鋁板23A。再來，藉由加壓、加熱後冷卻，將陶瓷基板11與鋁板22A、鋁板23A予以接合，在陶瓷基板11上形成第二鋁層12A及第一鋁層13A(鋁層形成工程S11)。 另，該硬銲之溫度設定為640℃~650℃。
接著，在第二鋁層12A的一方側(上側)配置銅板22B，在第一鋁層13A的另一方側(下側)配置銅板23B。再來，將它們配置於真空加熱爐50中，從銅板22B的一方側(上側)及銅板23B的另一方側(下側)負載荷重，使真空加熱爐50的內部成為真空並進行加熱處理。本實施形態中，第二鋁層12A及銅板22B、第一鋁層13A及銅板23B的接觸面所負載之荷重，係訂為3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下。再來，將真空加熱的加熱溫度訂為400℃以上未滿548℃，保持5分鐘以上240分鐘以下來進行固相擴散接合，以便在第一鋁層13A上將銅板23B接合來形成第一銅層13B，同時在第二鋁層12A上將銅板22B接合來形成第二銅層12B(銅層形成工程S12)。本實施形態中，係分別在第二鋁層12A與銅板22B、第一鋁層13A與銅板23B接合之面，事先將該面的傷痕除去使其平滑化後，再進行固相擴散接合。
另，真空加熱的較佳加熱溫度係訂為，Al和Cu之共晶溫度-5℃以上且未滿共晶溫度之範圍。
如此，便形成電路層12與金屬層13，得到本實施形態之功率模組用基板10。
接著，如圖5所示，在功率模組用基板10的另一方側(圖5中的下側)，藉由銲料將散熱座40(散熱板31)接合(散熱座(散熱板)接合工程S13)。
接下來，在散熱座40(散熱板31)的另一方側(圖 5中的下側)，隔著潤滑脂43而配設散熱座40(冷卻部41)(散熱座(冷卻部)配設工程S14)。本實施形態中，是藉由螺絲44將散熱板31與冷卻部41予以接合。如此，便得到附散熱座功率模組用基板30。
最後，在附散熱座功率模組用基板30的電路層12的一方之面(圖5中的上面)，藉由銲料將半導體元件3接合(半導體元件接合工程S15)。
如上所述，便得到本實施形態之附散熱座功率模組1。
按照設計成以上般構成的本實施形態之附散熱座功率模組1、附散熱座功率模組用基板30、功率模組用基板10，係在陶瓷基板11的第二面(下面)接合第一鋁層13A、在該第一鋁層13A接合第一銅層13B、又將第一銅層13B與散熱座40接合，故不需在金屬層13上形成Ni鍍覆便能將金屬層13與散熱座40良好地接合。此外，由於將變形阻力相對較高的第一銅層13B與散熱板31接合，故當負載冷熱循環時，會抑制銲料層32中發生裂痕，可抑制接合可靠性降低或熱阻上昇。
此外，當負載冷熱循環的情形下，在陶瓷基板11與金屬層13之間雖會產生熱應力，但由於陶瓷基板11的第二面係與變形阻力相對較小的第一鋁層13A接合，故能夠以第一鋁層13A來吸收熱應力，能夠抑制陶瓷基板11發生破裂。
又，金屬層13的第一鋁層13A與第一銅層13B是藉 由固相擴散接合而接合，故可使第一鋁層13A與第一銅層13B之接合可靠性提升，當負載冷熱循環的情形下，會抑制第一鋁層13A與第一銅層13B之間發生剝離，能夠維持金屬層13的熱傳導性。
又，電路層12具有第二銅層12B，而在該第二銅層12B上裝載半導體元件3，故將從半導體元件3產生的熱傳導至功率模組用基板10側時，能夠在第二銅層12B於面方向擴散而有效率地逸散。
此外，在陶瓷基板11的第一面(上面)，形成有變形阻力相對較小的第二鋁層12A，故當負載冷熱循環的情形下，第二鋁層12A會吸收因陶瓷基板11與電路層12之間的熱膨脹係數差而產生之熱應力，而能夠抑制陶瓷基板11發生破裂。
此外，在第二鋁層12A的一方側，形成有變形阻力相對較大的第二銅層12B，故當負載功率循環的情形下，能夠抑制電路層12的變形，能夠抑制將電路層12與半導體元件3予以接合之銲料中產生裂痕。
此外，第二鋁層12A與第二銅層12B是藉由固相擴散接合而接合，故可使第二鋁層12A與第二銅層12B之接合可靠性提升，當負載冷熱循環的情形下，會抑制第二鋁層12A與第二銅層12B之間發生剝離，能夠維持電路層12的熱傳導性及導電性。
此外，本實施形態當中，在第一鋁層13A與第一銅層13B之間、及第二鋁層12A與第二銅層12B之 間，係形成有由Cu與Al的金屬間化合物層所構成之金屬間化合物層13C、12C。是故，第一鋁層13A及第二鋁層12A中的Al會朝第一銅層13B及第二銅層12B側、而第一銅層13B及第二銅層12B中的Cu會朝第一鋁層13A及第二鋁層12A側，彼此充分地相互擴散，第一鋁層13A與第一銅層13B、第二鋁層12A與第二銅層12B會確實地固相擴散接合，而能夠確保足夠的接合強度。
此外，在第一銅層13B與金屬間化合物層13C之接合界面、及在第二銅層12B與金屬間化合物層12C之接合界面，氧化物19a、19b係沿著該些接合界面而各自分散成層狀，故第一鋁層13A、第二鋁層12A上形成之氧化膜會確實地被破壞，Cu與Al的相互擴散會充分地進行，第一鋁層13A及第一銅層13B、第二鋁層12A及第二銅層12B會確實地接合。
此外，本實施形態當中，金屬間化合物層12C、13C，係做成為複數個金屬間化合物沿著接合界面而層積之構造，故能夠抑制脆弱的金屬間化合物大幅成長。
此外，第一銅層13B、第二銅層12B中的Cu，以及第一鋁層13A、第二鋁層12A中的Al係各自相互擴散，藉此，從第一銅層13B、第二銅層12B側朝向第一鋁層13A、第二鋁層12A側，適合各自之組成的金屬間化合物會形成為層狀，因而能使接合界面的特性穩定。
具體而言，金屬間化合物層13C、12C從第一鋁層 13A、第二鋁層12A側朝向第一銅層13B、第二銅層12B側，依序分別層積有θ相16a、16b，η2相17a、17b，ζ2相18a、18b這三種金屬間化合物，故在金屬間化合物層13C、12C內部的體積變動小，而會抑制內部應變。
也就是說，當沒有固相擴散的情形下，例如當形成液相的情形下，金屬間化合物會產生過剩，金屬間化合物層其體積變動會變大，在金屬間化合物層會發生內部應變。但，當固相擴散的情形下，脆弱的金屬間化合物層不會大幅成長，金屬間化合物會形成為層狀，故會抑制其內部應變。
又，本實施形態中，第一鋁層13A、第二鋁層12A的平均結晶粒徑係訂為500μm以上，第一銅層13B、第二銅層12B的平均結晶粒徑係訂為50μm以上200μm以下之範圍內，第一鋁層13A及第一銅層13B、第二鋁層12A及第二銅層12B的平均結晶粒徑設定地相對較大。故，第一鋁層13A及第一銅層13B、第二鋁層12A及第二銅層12B中不會蓄積過多的應變等，疲勞特性會提升。是故，在冷熱循環負載中，對於在功率模組用基板10產生的熱應力，會提升可靠性。
又，本實施形態中，金屬間化合物層12C、13C的厚度ta、tb係訂為1μm以上80μm以下、較佳為5μm以上80μm以下之範圍內，故Cu與Al的相互擴散會充分進行，而能夠將第一鋁層13A及第一銅層13B、第二鋁層12A及第二銅層12B強固地接合，且能抑制脆弱的 金屬間化合物成長過剩，接合界面的特性會變得穩定。
此處，鋁板22A、23A的厚度，較佳是訂為0.2mm以上3.0mm以下。藉由將鋁板22A、23A的厚度訂為0.2mm以上，於冷熱循環中便能減低在陶瓷基板11產生之熱應力，能夠抑制陶瓷基板11產生裂痕。此外，藉由將鋁板22A、23A的厚度訂為3.0mm以下，便能減低功率循環中的初期熱阻。
此外，銅板22B的厚度，較佳是訂為0.1mm以上4.0mm以下。藉由將銅板22B訂為0.1mm以上，會使來自半導體元件3的熱在第二銅層12B擴散而更有效率地傳導熱，能夠減低負載功率循環時的初期熱阻，故可進一步提高對於功率循環的可靠性。此外，藉由將銅板22B訂為4.0mm以下，會使電路層12的剛性減低，於負載冷熱循環時能夠抑制陶瓷基板11發生破裂。
又，銅板23B的厚度，較佳是訂為0.1mm以上4.0mm以下。藉由將銅板23B訂為0.1mm以上，銅板23B會具有足夠的剛性，於冷熱循環中能抑制銲料層32的變形。此外，藉由將銅板23B訂為4.0mm以下，會使金屬層13的剛性減低，於負載冷熱循環時能夠抑制陶瓷基板11發生破裂。
使用了上述功率模組用基板10、及附散熱座功率模組用基板30之附散熱座功率模組1中，能夠將從半導體元件3產生的熱有效率地逸散。又，能夠抑制半導體元件3的溫度上昇，使半導體元件3在規定溫度下動 作，可提升動作的穩定性。
此外，本實施形態中，第一鋁層13A及第一銅層13B、第二鋁層12A及第二銅層12B，是藉由固相擴散接合而接合，故能夠得到功率模組用基板10，其具備：電路層12，具有形成於陶瓷基板11的第一面側之第二鋁層12A及第二銅層12B；及金屬層13，具有形成於陶瓷基板11的第二面側之第一鋁層13A及第一銅層13B。
此外，固相擴散接合係構成為，在陶瓷基板11的第一面及第二面上形成第二鋁層12A及第一鋁層13A，在第二鋁層12A的一方側配置銅板22B，在第一鋁層13A的另一方側配置銅板23B之後，對於第二鋁層12A及銅板22B、第一鋁層13A及銅板23B，在負載3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下荷重的狀態下，保持400℃以上未滿548℃。藉由採取這樣的構成，第二鋁層12A及銅板22B、第一鋁層13A及銅板23B會在充分密合的狀態下，使Al原子與Cu原子相互擴散，將第二鋁層12A及銅板22B、第一鋁層13A及銅板23B固相擴散接合，而能在第二鋁層12A的一方側形成第二銅層12B，在第一鋁層13A的另一方側形成第一銅層13B。
固相擴散接合時，當對於第一鋁層13A及第一銅層13B、第二鋁層12A及第二銅層12B負載之荷重為3kgf/cm2以上的情形下，能夠良好地固相擴散接合，能夠抑制第一鋁層13A及第一銅層13B、第二鋁層12A及第 二銅層12B之間產生間隙。此外，在35kgf/cm2以下的情形下，能夠抑制陶瓷基板11發生破裂。是故，在固相擴散接合時負載之荷重，係設定成上述範圍。
固相擴散接合時，當溫度在400℃以上的情形下，會促進Al原子與Cu原子之間的擴散，能在短時間使其充分地固相擴散。此外，當未滿548℃的情形下，能夠抑制Al與Cu之間產生液相而造成接合界面產生瘤、或厚度變動等。因此，固相擴散接合的溫度，較佳是設定在400℃以上未滿548℃之範圍。
此外，在固相擴散接合時，更理想的加熱溫度係訂為，Al和Cu的共晶溫度-5℃以上且未滿共晶溫度(不包括共晶溫度)之範圍。當選擇了這樣的溫度範圍，便不會形成液相而不會生成Al與Cu之化合物，故固相擴散接合的接合可靠性變得良好，而且固相擴散接合時的擴散速度，能以較短時間固相擴散接合。
此外，在固相擴散接合時，若接合的面有傷痕的情形下，於固相擴散接合時可能會產生間隙，但在第一鋁層13A與銅板23B、第二鋁層12A與銅板22B接合之面，是事先將該面的傷痕除去並平滑化之後才進行固相擴散接合，故會抑制各自之接合交界面產生間隙而可接合。
以上已說明本發明之實施形態，但本發明並非限定於此，在不脫離其發明之技術思想範圍內可適當變更。
另，上述實施形態中，雖說明散熱座(散熱板)是由無氧銅銅板所構成，但亦可由精煉銅(tough pitch copper)等純銅或銅合金所構成。此外，散熱座(散熱板)亦可由Al或Al合金所構成，在此情形下，會在散熱座(散熱板)上施以Ni鍍覆後，將散熱座(散熱板)與功率模組用基板藉由銲料而接合，藉此便能良好地銲接。
另，上述實施形態當中，雖說明將第一鋁層13A與銅板23B、第二鋁層12A與銅板22B同時予以固相擴散接合，但亦可構成為分別予以固相擴散接合。
此外，雖說明將散熱座的散熱板與冷卻部藉由螺絲而固定，但散熱板與冷卻部之接合方法並無限定，例如亦可構成為藉由固相擴散接合來接合。
此外，上述實施形態中，雖說明藉由純度99.99%的純鋁壓延板來構成第一鋁層與第二鋁層，但並非限定於此，亦可為純度99%的鋁(2N鋁)或鋁合金等。
此外，本實施形態當中，雖說明散熱座40是由散熱板31與冷卻部41所構成，而將功率模組用基板10與散熱板31予以接合，但亦可不使用散熱板31而將功率模組用基板10與冷卻部41予以接合。又，散熱座能夠採用熱管(heat pipe)等使熱逸散之各種構成。
又，雖說明使用由AlN所構成之陶瓷基板來作為陶瓷基板，但並非限定於此，亦可使用由Si3N4、Al2O3等所構成之陶瓷基板。
此外，上述實施形態中，雖說明電路層具有第二鋁層與第二銅層，但並非限定於此，例如亦可僅以第二鋁層來構成電路層，或是僅以第二銅層來構成電路層。
此外，上述實施形態之功率模組用基板中，雖說明電路層12具備形成於陶瓷基板11的第一面之第二鋁層12A、及在該第二鋁層12A的一方側與銅板22B接合而成之第二銅層12B，但並非限定於此。
例如如圖7的功率模組用基板110所示，亦可構成為電路層112具備形成於陶瓷基板11的第一面之第二鋁層112A、及在該第二鋁層112A的一方側接合之第二銅層112B，該第二銅層112B係由銅板所構成，該銅板具有供半導體元件等接合之晶粒座(die pad)152、及用作為外部端子之引線部153。該功率模組用基板110中，晶粒座152與第二鋁層112A係被固相擴散接合。
此處，第二鋁層112A的厚度，較佳是訂為0.1mm以上1.0mm以下。此外，第二銅層112B的厚度，較佳是訂為0.1mm以上6.0mm以下。
此外，圖7所示之附散熱座功率模組用基板130中，散熱座140是在功率模組用基板110的金屬層13側透過銲料層32而接合。
此外，上述實施形態當中，雖說明在鋁層(第一鋁層13A、第二鋁層12A)與銅層(第一銅層13B、第二銅層12B)之接合界面形成金屬間化合物層13C、12C，而該金屬間化合物層13C、12C係構成為從鋁 層(第一鋁層13A、第二鋁層12A)側朝向銅層(第一銅層13B、第二銅層12B)側依序層積θ相16a、16b、η2相17a、17b、ζ2相18a、18b，但並非限定於此。
具體來說，亦可在鋁層(第一鋁層、第二鋁層)與銅層(第一銅層、第二銅層)之接合界面，層積複數層由Cu及Al所構成之金屬間化合物，而使得從鋁層(第一鋁層、第二鋁層)側朝向銅層(第一銅層、第二銅層)側，鋁的比率依序變低。
此外，如圖8、9所示，亦可構成為，在鋁層(第一鋁層213A、第二鋁層212A)與銅層(第一銅層213B、第二銅層212B)之接合界面，從鋁層(第一鋁層213A、第二鋁層212A)側朝向銅層(第一銅層213B、第二銅層212B)側依序沿著前述接合界面層積θ相216a、216b，η2相217a、217b，然後再層積ζ2相218a、218b，δ相214a、214b，及γ2相215a、215b當中的至少一個相(圖12)。
此外，上述實施形態當中，雖說明在金屬間化合物層13C、12C與銅層(第一銅層13B、第二銅層12B)之接合界面，氧化物19a、19b是沿著接合界面而分散成層狀，但例如亦可構成為如圖10、11所示，沿著金屬間化合物層213C、212C與銅層(第一銅層213B、第二銅層212B)之界面，氧化物219a、219b是在ζ2相218a、218b，δ相214a、214b，或γ2相215a、215b的內部分散成層狀。另，該氧化物219a、219b是訂為氧化鋁 (Al2O3)等鋁氧化物。
〔實施例〕
以下，說明為了確認本發明之功效而進行之確認實驗結果。
經下述方式，製作出本發明例1~6、比較例1、比較例2之功率模組。
針對本發明例1及本發明例5，係在由AlN所構成之陶瓷基板(厚度：0.635mm)的第一面上透過Al-Si系硬銲材來接合鋁板(厚度：0.4mm)而形成電路層。本發明例1中使用4N-Al之鋁板、本發明例2中使用2N-Al之鋁板。接著，在陶瓷基板的第二面上透過Al-Si系硬銲材來接合4N-Al之鋁板(厚度：0.2mm)而形成第一鋁層。又，將由Cu(無氧銅)所構成之銅板固相擴散接合於第一鋁層，而形成金屬層。將如此得到的功率模組用基板與散熱座藉由Sn-Sb銲料而接合。另，本發明例1中散熱座是由無氧銅所構成、本發明例5中則使用了由施以Ni鍍覆之Al合金(A6063)所構成之散熱座。再來，將電路層與半導體元件藉由銲料而接合，製作出本發明例1及本發明例5之附散熱座功率模組。
針對本發明例2~4、本發明例6，在表1所示材質的陶瓷基板(厚度：0.635mm)的第一面及第二面上，透過Al-Si系硬銲材來接合表1所示材質之鋁板(厚度：0.2mm)，而形成第二鋁層及第一鋁層。又，在第二 鋁層及第一鋁層上固相擴散接合由Cu(無氧銅)所構成之銅板(厚度：0.2mm)，而形成電路層及金屬層。在如此得到的功率模組用基板上，藉由Sn-Sb銲料來接合表1所示之散熱座，在電路層上銲接半導體元件，而得到本發明例2~4及本發明例6之附散熱座功率模組。另，針對本發明例6，係在由Al合金(A6063)所構成之散熱座上施以Ni鍍覆後，將功率模組用基板與散熱座予以銲接。
另，上述固相擴散接合，是在真空加熱爐內的壓力為10-6Pa以上、10-3Pa以下之範圍內進行。
針對比較例1，係在由AlN所構成之陶瓷基板(厚度：0.635mm)的第一面及第二面上透過Al-Si系硬銲材來接合由4N-Al所構成之鋁板(厚度：0.4mm)，而製作出形成有電路層及金屬層之功率模組用基板。在功率模組用基板上藉由Sn-Sb銲料來接合由無氧銅所構成之散熱座。再來，將電路層與半導體元件藉由銲料而接合，得到比較例1之附散熱座功率模組。
針對比較例2，係在由AlN所構成之陶瓷基板(厚度：0.635mm)的第一面及第二面上藉由利用Ag-Cu-Ti系硬銲材之活性金屬硬銲法來接合由無氧銅所構成之銅板(厚度：0.4mm)，而製作出形成有電路層及金屬層之功率模組用基板。又，在功率模組用基板上藉由Sn-Sb銲料來接合由無氧銅所構成之散熱座。再來，將電路層與半導體元件藉由銲料而接合，得到比較例2之附散熱座功率模組。
另，半導體元件訂為IGBT元件，使用12.5mm×9.5mm、厚度0.25mm者。
對得到之附散熱座功率模組，進行以下之評估試驗。
(冷熱循環試驗)
冷熱循環試驗，是使用espec公司製TSB-51冷熱衝撃試驗機，針對功率模組，在液相(FluorinertTM)下以反覆-40℃下5分鐘及125℃下5分鐘來實施3000次循環。
(接合率評估)
針對本發明例1~6、比較例1、比較例2，對於冷熱循環試驗後的功率模組，使用超音波探傷裝置來評估陶瓷基板與金屬層之界面的接合率，由以下式子算出。又，針對本發明例1及本發明例2，對於冷熱循環試驗後的功率模組，評估陶瓷基板與電路層之界面的接合率。
此處，所謂初始接合面積，係指接合前的應接合面積，亦即在本實施例中是訂為金屬層的面積。此外，評估陶瓷基板與電路層之界面的接合率時，係將電路層的面積訂為初始接合面積。超音波探傷像中，剝離係以接合部內的白色部分表示，故將該白色部面積作為剝離面積。另，當陶瓷基板、金屬層、及銲料層中發生裂痕的情形下，該裂痕在超音波探傷像中會以白色部分顯示，裂痕亦會被評估成為剝離面積。
(接合率(%))={(初始接合面積)-(剝離面積)}/(初始接合面積)
(熱阻評估)
熱阻係以下述方式測定。使用加熱器晶片(heater chip)作為半導體元件，以100W電力加熱，利用熱電偶來實測加熱器晶片的溫度。此外，實測在散熱座流通之冷卻媒介(乙二醇：水=9：1)的溫度。再來，將加熱器晶片的溫度與冷卻媒介的溫度差，除以電力之值，作為熱阻，求出冷熱循環試驗後的熱阻上昇率。
(功率循環試驗)
針對本發明例2、本發明例1，進行功率循環試驗。作為功率循環試驗，是在將冷卻部(冷卻器)中的冷卻水溫度、流量保持一定的狀態下，把對IGBT元件之通電調整成，每隔10秒重複當通電(ON)時元件表面溫度成為140℃、當非通電(OFF)時元件表面溫度成為80℃這樣為一循環，並重複10萬次，以實施功率循環試驗。
測定該功率循環試驗前後之熱阻，求出熱阻的上昇率。
上述評估結果如表1、表2所示。
如表1所示，本發明例1~6當中，由於金屬層具有第一鋁層與第一銅層，故冷熱循環試驗後，陶瓷基板與金屬層的接合率及金屬層與銲料層的接合率係良好，可確認其為具有高可靠性的功率模組。
另一方面，比較例1當中，由於金屬層僅由4N-Al所構成，故冷熱循環試驗後，陶瓷基板與金屬層的接合率雖良好，但熱阻的上昇率相較於本發明例1~6係增大了。此外，比較例2當中，由於金屬層僅由無氧銅所構成，故冷熱循環試驗後，陶瓷基板發生了破裂。
此外，如表2所示，電路層具有第二鋁層與第二銅層之本發明例2，相較於電路層僅由4N-Al所構成之本發明例1，可確認其能使功率循環後的熱阻上昇率減低。
〔產業利用性〕
按照本發明，便能提供一種於負載冷熱循環時會抑制將金屬層與散熱座予以接合之銲料中發生裂痕，而抑制接合可靠性降低或熱阻上昇，且能抑制陶瓷基板發生破裂之功率模組用基板、附散熱座功率模組用基板、及附散熱座功率模組。
1‧‧‧附散熱座功率模組
2‧‧‧銲料層
3‧‧‧半導體元件
10‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
12A‧‧‧第二鋁層
12B‧‧‧第二銅層
13‧‧‧金屬層
13A‧‧‧第一鋁層
13B‧‧‧第一銅層
30‧‧‧附散熱座功率模組用基板
31‧‧‧散熱板(散熱座)
32‧‧‧銲料層
40‧‧‧散熱座
41‧‧‧冷卻部(散熱座)
42‧‧‧通路
43‧‧‧潤滑脂
44‧‧‧螺絲

Claims (9)

  1. 一種功率模組用基板，具備形成於陶瓷基板的一方之面的電路層、及形成於另一方之面的金屬層，該功率模組用基板，其特徵為：前述金屬層具有：第一鋁層，與前述陶瓷基板的另一方之面接合；及第一銅層，與該第一鋁層固相擴散接合。
  2. 如申請專利範圍第1項之功率模組用基板，其中，前述電路層具有：第二鋁層，與前述陶瓷基板的一方之面接合；及第二銅層，與該第二鋁層固相擴散接合。
  3. 一種附散熱座功率模組用基板，其特徵為，具有：申請專利範圍第1項之功率模組用基板、及散熱座，前述第一銅層與前述散熱座係被接合。
  4. 一種附散熱座功率模組用基板，其特徵為，具有：申請專利範圍第2項之功率模組用基板、及散熱座，前述第一銅層與前述散熱座係被接合。
  5. 如申請專利範圍第3項之附散熱座功率模組用基板，其中，前述散熱座係由Cu或Cu合金所構成，前述功率模組用基板與前述散熱座係藉由銲料而接合。
  6. 如申請專利範圍第4項之附散熱座功率模組用基板，其中，前述散熱座係由Cu或Cu合金所構成，前述功率模組用基板與前述散熱座係藉由銲料而接合。
  7. 如申請專利範圍第3項之附散熱座功率模組用基 板，其中，前述散熱座係由形成有Ni鍍覆之Al或Al合金所構成，前述功率模組用基板與前述散熱座係藉由銲料而接合。
  8. 如申請專利範圍第4項之附散熱座功率模組用基板，其中，前述散熱座係由形成有Ni鍍覆之Al或Al合金所構成，前述功率模組用基板與前述散熱座係藉由銲料而接合。
  9. 一種附散熱座功率模組，其特徵為，具備：申請專利範圍第3項至第8項任一項之附散熱座功率模組用基板、及與前述電路層的一方之面接合之半導體元件。
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Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6621076B2 (ja) * 2013-03-29 2019-12-18 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及びパワーモジュール
JP6139329B2 (ja) * 2013-08-16 2017-05-31 日本碍子株式会社 セラミック回路基板及び電子デバイス
JP6421674B2 (ja) * 2014-08-27 2018-11-14 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP6417834B2 (ja) * 2014-10-02 2018-11-07 三菱マテリアル株式会社 冷却器付パワーモジュール用基板及び冷却器付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
WO2016121159A1 (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 三菱電機株式会社 半導体装置および半導体装置の製造方法
JP6332108B2 (ja) * 2015-03-30 2018-05-30 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
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
US10497585B2 (en) 2015-04-16 2019-12-03 Mitsubishi Materials Corporation Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink
JP6797797B2 (ja) * 2015-07-09 2020-12-09 株式会社東芝 セラミックス金属回路基板およびそれを用いた半導体装置
DE102015112031B4 (de) * 2015-07-23 2017-08-17 Halla Visteon Climate Control Corporation Anordnung zur Verbesserung einer Strombelastbarkeit von Leiterbahnen
JP2017063127A (ja) * 2015-09-25 2017-03-30 三菱マテリアル株式会社 発光モジュール用基板、発光モジュール、冷却器付き発光モジュール用基板、および発光モジュール用基板の製造方法
JP6638282B2 (ja) * 2015-09-25 2020-01-29 三菱マテリアル株式会社 冷却器付き発光モジュールおよび冷却器付き発光モジュールの製造方法
CN106686877A (zh) * 2015-11-09 2017-05-17 江苏嘉钰新能源技术有限公司 一种高导热电路板组件
KR102429619B1 (ko) * 2015-11-18 2022-08-04 삼성전자주식회사 본딩 스테이지와 이를 포함하는 본딩 장치
DE102016203030A1 (de) 2016-02-26 2017-08-31 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Kupfer-Keramik-Verbund
KR101956983B1 (ko) 2016-09-20 2019-03-11 현대자동차일본기술연구소 파워 모듈 및 그 제조 방법
US11232991B2 (en) * 2017-02-23 2022-01-25 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor apparatus
JP6717238B2 (ja) * 2017-03-07 2020-07-01 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
JP6776953B2 (ja) * 2017-03-07 2020-10-28 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
US11167363B2 (en) * 2017-05-10 2021-11-09 Board Of Trustees Of Michigan State University Brazing methods using porous interlayers and related articles
WO2019082973A1 (ja) 2017-10-27 2019-05-02 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付絶縁回路基板、及び、ヒートシンク
JP7135716B2 (ja) 2017-10-27 2022-09-13 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付絶縁回路基板、及び、ヒートシンク
JP6939596B2 (ja) * 2018-01-24 2021-09-22 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及びセラミックス‐銅接合体
JP6969471B2 (ja) * 2018-03-23 2021-11-24 三菱マテリアル株式会社 絶縁回路基板
JP7060084B2 (ja) * 2018-03-26 2022-04-26 三菱マテリアル株式会社 絶縁回路基板用接合体の製造方法および絶縁回路基板用接合体
JP7081686B2 (ja) 2018-11-28 2022-06-07 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付絶縁回路基板、及び、ヒートシンク
EP3898070A1 (en) * 2018-12-17 2021-10-27 Heraeus Precious Metals North America Conshohocken LLC Process for forming an electric heater
JP7516786B2 (ja) * 2019-06-21 2024-07-17 株式会社村田製作所 半導体装置及びその製造方法
US11828546B2 (en) * 2019-11-21 2023-11-28 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Heat exchange compound module
JP7299141B2 (ja) * 2019-11-21 2023-06-27 デンカ株式会社 複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法
CN117352470A (zh) * 2020-03-27 2024-01-05 瑷司柏电子股份有限公司 具有保护接垫的高导热陶瓷基板及具该基板的大功率模块
WO2022005183A1 (ko) * 2020-07-03 2022-01-06 주식회사 아모센스 파워모듈

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4629016Y1 (zh) 1968-04-20 1971-10-07
EP0422558B1 (en) * 1989-10-09 2001-03-28 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic substrate used for fabricating electric or electronic circuit
JPH04162756A (ja) 1990-10-26 1992-06-08 Toshiba Corp 半導体モジュール
JPH08255973A (ja) * 1995-03-17 1996-10-01 Toshiba Corp セラミックス回路基板
US6033787A (en) * 1996-08-22 2000-03-07 Mitsubishi Materials Corporation Ceramic circuit board with heat sink
JP3445511B2 (ja) * 1998-12-10 2003-09-08 株式会社東芝 絶縁基板、その製造方法およびそれを用いた半導体装置
DK1056321T3 (da) * 1999-05-28 2008-03-03 Denki Kagaku Kogyo Kk Keramisk substratkredslöb og dets fremstillingsproces
AT408345B (de) * 1999-11-17 2001-10-25 Electrovac Verfahren zur festlegung eines aus metall-matrix- composite-(mmc-) materiales gebildeten körpers auf einem keramischen körper
JP2002064169A (ja) * 2000-08-21 2002-02-28 Denki Kagaku Kogyo Kk 放熱構造体
KR100717667B1 (ko) * 2000-09-18 2007-05-11 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤 반도체용 본딩 와이어 및 그 제조 방법
JP2002141576A (ja) * 2000-11-02 2002-05-17 Fujitsu Ltd ピエゾ素子と電極との接合方法及び該接合方法を使用したピエゾマイクロアクチュエータ
JP2003078086A (ja) * 2001-09-04 2003-03-14 Kubota Corp 半導体素子モジュール基板の積層構造
JP4055596B2 (ja) 2003-02-05 2008-03-05 日本発条株式会社 複合材
US7482685B2 (en) * 2003-09-25 2009-01-27 Kabushiki Kaisha Toshiba Ceramic circuit board, method for making the same, and power module
JP4037425B2 (ja) 2005-07-04 2008-01-23 電気化学工業株式会社 セラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品。
US8120153B1 (en) * 2005-09-16 2012-02-21 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. High-temperature, wirebondless, injection-molded, ultra-compact hybrid power module
JP4629016B2 (ja) 2006-10-27 2011-02-09 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およびヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール
JP4941901B2 (ja) * 2007-01-15 2012-05-30 新日鉄マテリアルズ株式会社 ボンディングワイヤの接合構造
CN101687717A (zh) * 2007-04-24 2010-03-31 陶瓷技术股份公司 具有一种金属化陶瓷体的构件
DE102009014794B3 (de) * 2009-03-28 2010-11-11 Danfoss Silicon Power Gmbh Verfahren zum Herstellen eines für Hochvoltanwendungen geeigneten festen Leistungsmoduls und damit hergestelltes Leistungsmodul
US9076755B2 (en) * 2009-09-09 2015-07-07 Mitsubishi Materials Corporation Method for producing substrate for power module with heat sink, substrate for power module with heat sink, and power module
EP2495067B1 (en) * 2009-10-26 2014-04-02 Neomax Materials Co., Ltd. Clad material having bonding alloy layer formed from an nickel-magnesium alloy
US9266188B2 (en) * 2010-06-08 2016-02-23 Neomax Materials Co., Ltd. Aluminum copper clad material
US20120001336A1 (en) * 2010-07-02 2012-01-05 Texas Instruments Incorporated Corrosion-resistant copper-to-aluminum bonds
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
JP5310714B2 (ja) * 2010-12-28 2013-10-09 ダイキン工業株式会社 金属管の接合構造及び熱交換器
JP5678684B2 (ja) * 2011-01-24 2015-03-04 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
US9350007B2 (en) * 2011-01-27 2016-05-24 Neomax Materials Co., Ltd. Connection plate for battery terminals and method for manufacturing connection plate for battery terminals
JP5736807B2 (ja) * 2011-02-02 2015-06-17 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、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パワーモジュール
JP2012253125A (ja) * 2011-06-01 2012-12-20 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体装置及び配線基板
EP2743978B1 (en) * 2011-08-12 2018-05-02 Mitsubishi Materials Corporation Substrate for power module, substrate for power module with heat sink, power module, and method for manufacturing substrate for power module
US8448842B1 (en) * 2011-12-22 2013-05-28 Vaclong Vacuum Technology Co., Ltd. Advanced copper bonding (ACB) with ceramic substrate technology
JP5403129B2 (ja) * 2012-03-30 2014-01-29 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、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法

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