TW201631714A - 接合體，附散熱器電源模組用基板，散熱器，接合體的製造方法，附散熱器電源模組用基板的製造方法及散熱器的製造方法 - Google Patents

接合體，附散熱器電源模組用基板，散熱器，接合體的製造方法，附散熱器電源模組用基板的製造方法及散熱器的製造方法 Download PDF

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Abstract

一種接合體，係接合由鋁合金所構成的鋁構件與由銅、鎳或銀所構成的金屬構件之接合體，鋁構件係以固相線溫度為未滿構成金屬構件的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成，在鋁構件與金屬構件的接合部係形成有Ti層，且鋁構件與Ti層、及Ti層與金屬構件係分別被固相擴散接合。

Description

接合體，附散熱器電源模組用基板，散熱器，接合體的製造方法，附散熱器電源模組用基板的製造方法及散熱器的製造方法
本發明是有關接合鋁構件與由銅、鎳或銀所構成的金屬構件而成的接合體、在絕緣層的一方的面形成有電路層的電源模組用基板接合散熱器之附散熱器電源模組用基板、在散熱器本體形成有金屬構件層的散熱器、接合體的製造方法、附散熱器電源模組用基板的製造方法、及散熱器的製造方法。
本案是根據2014年8月26日申請的日本特願2014-171900號及2015年8月18日申請的日本特願2015-161292號來主張優先權，且將其內容援用於此。
LED或電源模組等的半導體裝置是具備在由導電材料所構成的電路層上接合半導體元件的構造。
為了控制風力發電、電動車、混合動力車等而被使用的大電力控制用的功率半導體元件是發熱量多。因此，作為搭載如此的功率半導體元件的基板，以往廣泛使用一種具備陶瓷基板及電路層的電源模組用基板，該陶瓷基板是例如由AlN(氮化鋁)、Al2O3(礬土)等所構成，該電路層是在此陶瓷基板的一方的面接合導電性佳的金屬板而形成。另外，作為電源模組用基板，也有在陶瓷基板的另一方的面形成金屬層者。
例如，專利文獻1所示的電源模組是具備：電源模組用基板，其係於陶瓷基板的一方的面及另一方的面形成有由Al所構成的電路層及金屬層；及半導體元件，其係經由焊錫材來接合於此電路層上。
而且，在電源模組用基板的下側是接合有散熱器，設為經由散熱器來將從半導體元件傳達至電源模組用基板側的熱往外部放散的構成。
可是，像記載於專利文獻1的電源模組那樣，以Al來構成電路層及金屬層時，由於在表面形成有Al的氧化皮膜，因此無法藉由焊錫材來接合半導體元件或散熱器。
於是，以往，例如專利文獻2所揭示般，在電路層及金屬層的表面上藉由無電解電鍍等來形成Ni電鍍膜後，焊錫接合半導體元件或散熱器。
並且，在專利文獻3中提案使用含氧化銀粒子及由有機物所構成的還原劑之氧化銀膏，作為焊錫材的替代，接 合電路層與半導體元件、及金屬層與散熱器之技術。
然而，如專利文獻2所記載般，在電路層表面及金屬層表面形成Ni電鍍膜的電源模組用基板中，在至接合半導體元件及散熱器為止的過程，Ni電鍍膜的表面因氧化等而劣化，恐有與經由焊錫材而接合的半導體元件及散熱器的接合可靠度降低之虞。並且，在Ni電鍍工程中有進行遮蔽處理，而使不會發生在不要的領域形成Ni電鍍而電腐蝕等的麻煩。如此，在實施遮蔽處理後進行電鍍處理時，在電路層表面及金屬層表面形成Ni電鍍膜的工程中需要莫大的勞力，會有電源模組的製造成本大幅度增加的問題。
並且，如專利文獻3所記載般，利用氧化銀膏來接合電路層與半導體元件、及金屬層與散熱器時，由於Al與氧化銀膏的燒成體的接合性差，因此需要預先在電路層表面及金屬層表面形成Ag底層。
於是，在專利文獻4中提案將電路層及金屬層設為Al層及Cu層的層疊構造的電源模組。此情況，由於在電路層及金屬層的表面配置有Cu層，因此可使用焊錫材來良好地接合半導體元件及散熱器。並且，因為Cu相較於Al，變形抵抗大，所以在此電源模組中負荷有熱循環時，可抑制電路層表面及金屬層表面大幅度變形，防止焊錫層的龜裂發生，可使半導體元件與電路層及散熱器與金屬層的接合可靠度提升。
另外，在專利文獻4所記載的電源模組中是使用Al 層與Cu層會隔著Ti層來接合的接合體，作為電路層及金屬層。在此，於Al層與Ti層之間是形成有擴散層，此擴散層是從Al層側依序具有Al-Ti層、Al-Ti-Si層、Al-Ti-Cu層。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特許第3171234號公報
[專利文獻2]日本特開2004-172378號公報
[專利文獻3]日本特開2008-208442號公報
[專利文獻4]日本特許第3012835號公報
可是，在專利文獻4所記載的電源模組中，在電路層及金屬層之中Al層與Ti層的接合界面形成有硬且脆的金屬間化合物層之Al-Ti層或Al-Ti-Cu層。因此，在熱循環等負荷時會有成為龜裂的起點之問題。
而且，在Al層上隔著Ti箔來層疊Cu板等，加熱至Al層與Ti箔的界面溶融的溫度時，在接合界面產生液相而產生突起，或厚度變動，因此會有接合可靠度降低的問題。
在此，亦可思考如專利文獻4記載般，在由Al所構成的電路層及金屬層的表面隔著Ti箔來接合Ni板 而形成Ni層，作為專利文獻2的Ni電鍍的替代。而且，亦可思考在使用專利文獻3的氧化銀膏時，在由Al所構成的電路層及金屬層的表面隔著Ti箔來接合Ag板而形成Ag底層。
然而，若以專利文獻4記載的方法來形成Ni層或Ag層，則與形成Cu層的情況同樣，在Al層與Ti層的接合界面形成有Al-Ti層、Al-Ti-Ni層、Al-Ti-Ag層等硬且脆的金屬間化合物層，或在接合界面產生突起等，因此恐有接合可靠度降低之虞。
如以上般，以往是無法良好地接合鋁構件與由銅、鎳、銀的任一種所構成的金屬構件，無法取得接合可靠度佳的接合體。
並且，在內部形成有冷卻媒體的流路等之複雜的構造的散熱器中，有使用固相線溫度比較低的鋁鑄物合金來製造的情形。在如此的散熱器中，如記載於專利文獻4般，與由銅、鎳或銀所構成的金屬構件接合時，無法使接合溫度充分地上昇，無法接合Ti與Cu。
本發明是有鑑於前述的情事而研發者，以提供一種良好地接合由固相線溫度比較低的鋁合金所構成的鋁構件與由銅、鎳或銀所構成的金屬構件之接合體，具有此接合體的附散熱器電源模組用基板及散熱器，此接合體的製造方法，附散熱器電源模組用基板的製造方法，散熱器的製造方法為目的。
為了解決前述的課題，本發明之一形態的接合體，是一種接合由鋁合金所構成的鋁構件與由銅、鎳或銀所構成的金屬構件之接合體，前述鋁構件是以固相線溫度為未滿構成前述金屬構件的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成，在前述鋁構件與前述金屬構件的接合部是形成有Ti層，且前述鋁構件與前述Ti層、及前述Ti層與前述金屬構件會分別被固相擴散接合。
另外，在本發明中，金屬構件是以銅或銅合金、鎳或鎳合金、或者銀或銀合金所構成。
若根據此構成的接合體，則在以固相線溫度為未滿構成前述金屬構件的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成的鋁構件和金屬構件的接合部形成有Ti層，且前述金屬構件與前述Ti層、及前述Ti層與前述鋁構件分別被固相擴散接合，因此可抑制藉由Ti層而鋁構件的Al原子與金屬構件的金屬(Cu，Ni，Ag)原子相互地擴散。並且，可抑制在前述鋁構件與前述金屬構件的接合部產生液相而厚厚地形成硬且脆的金屬間化合物層。藉此，可取得接合可靠度良好的接合體。
本發明之一形態的附散熱器電源模組用基板，係具備：絕緣層、及形成於此絕緣層的一方的面的電路層、及形成於前述絕緣層的另一方的面的金屬層、及被接合於此金屬層的散熱器，其特徵為：前述金屬層係與前述散熱器的接合面為以銅、鎳、或 銀所構成，前述散熱器係以固相線溫度為未滿構成前述金屬層的接合面的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成，在前述金屬層與前述散熱器的接合部係形成有Ti層，且前述金屬層與前述Ti層、及前述Ti層與前述散熱器係分別被固相擴散接合。
若根據此構成的附散熱器電源模組用基板，則在與前述散熱器的接合面為以銅、鎳或銀所構成的金屬層與散熱器的接合部形成有Ti層，且前述金屬層與前述Ti層、及前述Ti層與前述散熱器分別被固相擴散接合，因此可抑制藉由Ti層而散熱器的Al原子與金屬層(與前述散熱器的接合面)的金屬(Cu，Ni，Ag)原子相互地擴散。並且，可抑制在前述散熱器與前述金屬層的接合部產生液相而厚厚地形成硬且脆的金屬間化合物層。藉此，可使散熱器與電源模組用基板的接合可靠度提升。
並且，在本發明之一形態的附散熱器電源模組用基板中，由於散熱器是以固相線溫度為未滿構成前述金屬層的接合面的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成，因此可構成具有流路等的複雜的構造的散熱器，可使散熱器的放熱特性提升。
本發明之一形態的散熱器，係具備：散熱器本體、及被接合於前述散熱器本體的金屬構件層，其特徵為：前述金屬構件層係由銅、鎳、或銀所構成， 前述散熱器本體係以固相線溫度為未滿構成前述金屬構件層的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成，在前述散熱器本體與前述金屬構件層的接合部係形成有Ti層，且前述散熱器本體與前述Ti層、及前述Ti層與前述金屬構件層係分別被固相擴散接合。
若根據此構成的散熱器，則由於散熱器本體是以固相線溫度為未滿構成前述金屬構件層的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成，因可構成具有流路等的複雜的構造的散熱器本體。
又，由於在此散熱器本體形成有由銅、鎳或銀所構成的金屬構件層，因此可經由焊錫等來良好地接合散熱器與其他的構件。
並且，以熱傳導性比鋁合金更佳的金屬來形成金屬構件層時，可在金屬構件層將熱擴展於面方向，可大幅度提升放熱特性。
而且，在散熱器本體與金屬構件層的接合部形成有Ti層，前述金屬構件層與前述Ti層、及前述Ti層與前述散熱器本體會分別被固相擴散接合。因此，可抑制藉由Ti層而散熱器本體的Al原子與金屬構件層的金屬(Cu，Ni，Ag)原子會相互地擴散。並且，可抑制在散熱器本體與金屬構件層的接合部產生液相而厚厚地形成硬且脆的金屬間化合物層。
藉此，可取得散熱器本體與金屬構件層的接合可靠度良好的散熱器。
本發明之一形態的接合體的製造方法，係上述接合體的製造方法，其特徵為具備：Ti/金屬構件接合工程，其係將成為前述Ti層的Ti材與前述金屬構件予以固相擴散接合；及鋁構件/Ti接合工程，其係將接合前述Ti材的金屬構件與前述鋁構件予以固相擴散接合。
若根據此構成的接合體的製造方法，則在藉由Ti/金屬構件接合工程來固相擴散接合成為Ti層的Ti材與金屬構件之後，將接合前述Ti材的金屬構件與前述鋁構件予以固相擴散接合，因此可比較自由地設定Ti材與金屬構件的接合條件(溫度、時間)。並且，可確實地固相擴散接合Ti層與金屬構件層。而且，在鋁構件/Ti接合工程中，可在鋁構件不溶融的低溫條件下固相擴散接合Ti層與鋁構件。
本發明之一形態的附散熱器電源模組用基板的製造方法，係上述附散熱器電源模組用基板的製造方法，其特徵為具備：Ti/金屬層接合工程，其係將成為前述Ti層的Ti材與前述金屬層予以固相擴散接合；及散熱器/Ti接合工程，其係將接合前述Ti材的金屬層與前述散熱器予以固相擴散接合。
若根據此構成的附散熱器電源模組用基板，則在藉由Ti/金屬層接合工程來固相擴散接合成為Ti層的Ti材與金屬層之後，將接合前述Ti材的金屬層與前述散 熱器予以固相擴散接合，因此可比較自由地設定Ti材與金屬層的接合條件(溫度、時間)。並且，可確實地固相擴散接合Ti層與金屬層。而且，在散熱器/Ti接合工程中，可在散熱器不溶融的低溫條件下固相擴散接合Ti層與散熱器。
本發明之一形態的散熱器的製造方法，係上述散熱器的製造方法，其特徵為具備：Ti/金屬構件層接合工程，其係將成為前述Ti層的Ti材與前述金屬構件層予以固相擴散接合；及散熱器本體/Ti接合工程，其係將接合前述Ti材的金屬構件層與前述散熱器本體予以固相擴散接合。
若根據此構成的散熱器的製造方法，則藉由Ti/金屬構件層接合工程來固相擴散接合成為Ti層的Ti材與金屬構件層之後，將接合前述Ti材的金屬構件層與前述散熱器本體予以固相擴散接合，因此可比較自由地設定Ti材與金屬構件層的接合條件(溫度、時間)。並且，可確實地固相擴散接合Ti層與金屬構件層。而且，在散熱器本體/Ti接合工程中，可在散熱器本體不溶融的低溫條件下固相擴散接合Ti層與散熱器本體。
若根據本發明，則可提供一種良好地接合由固相線溫度比較低的鋁合金所構成的鋁構件與由銅、鎳或銀所構成的金屬構件之接合體，具有此接合體的附散熱器 電源模組用基板及散熱器，此接合體的製造方法，附散熱器電源模組用基板的製造方法，散熱器的製造方法。
10、210‧‧‧電源模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
13，213‧‧‧金屬層
13B‧‧‧Cu層(金屬構件)
31‧‧‧散熱器(鋁構件)
35‧‧‧第2Ti層(Ti層)
45‧‧‧第2鈦箔(Ti材)
101‧‧‧散熱器
110‧‧‧散熱器本體
115‧‧‧Ti層
118‧‧‧金屬構件層
圖1是具備本發明的第一實施形態的附散熱器電源模組用基板之電源模組的概略說明圖。
圖2是圖1之金屬層的Cu層與第2Ti層的接合界面的擴大說明圖。
圖3是圖1之散熱器與第2Ti層的接合界面的擴大說明圖。
圖4是說明第一實施形態的附散熱器電源模組用基板的製造方法的流程圖。
圖5是第一實施形態的電源模組用基板的製造方法的概略說明圖。
圖6是本發明的第二實施形態的散熱器的概略說明圖。
圖7是圖6的金屬構件層與Ti層的接合界面的擴大說明圖。
圖8是說明第二實施形態的散熱器的製造方法的流程圖。
圖9是第二實施形態的散熱器的製造方法的概略說明圖。
圖10是具備本發明的其他實施形態的附散熱器電源 模組用基板的電源模組的概略說明圖。
(第一實施形態)
以下，參照附圖說明有關本發明的實施形態。
在圖1中顯示使用本發明的第一實施形態的附散熱器電源模組用基板30之電源模組1。
此電源模組1是具備：附散熱器電源模組用基板30、及隔著焊錫層2來接合於此附散熱器電源模組用基板30的一方的面(在圖1中，上面)之半導體元件3。
附散熱器電源模組用基板30是具備：電源模組用基板10、及被接合於電源模組用基板10的散熱器31。
電源模組用基板10是具備：構成絕緣層的陶瓷基板11、被配設於此陶瓷基板11的一方的面(在圖1中，上面)之電路層12、及被配設於陶瓷基板11的另一方的面之金屬層13。
陶瓷基板11是防止電路層12與金屬層13之間的電性連接者，例如以AlN(氮化鋁)、Si3N4(氮化矽)、Al2O3(礬土)等的絕緣性高的陶瓷所構成，本實施形態是以絕緣性高的AlN(氮化鋁)所構成。並且，陶瓷基板11的厚度是設定於0.2mm以上1.5mm以下的範圍內，本實施形態是設定成0.635mm。
如圖5所示般，電路層12是藉由在陶瓷基板 11的一方的面接合由鋁或鋁合金所構成的鋁板22來形成。在本實施形態中，電路層12是藉由純度為99mass%以上的鋁(2N鋁)的壓延板(鋁板22)接合於陶瓷基板11來形成。另外，成為電路層12的鋁板22的厚度是設定於0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，本實施形態是設定成0.6mm。
如圖1所示般，金屬層13是具有：配設在陶瓷基板11的另一方的面之Al層13A、及在與此Al層13A之中接合陶瓷基板11的面相反側的面隔著第1Ti層15而層疊的Cu層13B。
如圖5所示般，Al層13A是藉由在陶瓷基板11的另一方的面接合由鋁或鋁合金所構成的鋁板23A來形成。被接合的鋁板23A的厚度是設定於0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，本實施形態是設定成0.6mm。
Cu層13B是藉由在Al層13A的另一方的面隔著第1Ti層15來接合由銅或銅合金所構成的銅板23B而形成。前述銅板23B的厚度是設定於0.05mm以上1mm以下的範圍內，但並非限於此。在本實施形態中，被接合的銅板23B是由無氧銅所構成，厚度是設定成0.5mm。
散熱器31是用以將電源模組用基板10側的熱予以放散者，本實施形態是如圖1所示般，設有冷卻媒體流通的流路32。
此散熱器31是以固相線溫度為未滿構成金屬層13的接合面(Cu層13B)的Cu與Al的共晶溫度(548℃)之鋁合 金所構成。具體而言，散熱器31是以JIS H 2118：2006規定的模鑄用鋁合金的ADC12(固相線溫度515℃)所構成。另外，此ADC12是在1.5~3.5mass%的範圍內含Cu，在9.6~12.0mass%的範圍內含Si的鋁合金。構成前述散熱器31的鋁合金的固相線溫度是亦可為515℃以上548℃未滿，但並非限於此。
然後，在散熱器31與金屬層13(Cu層13B)的接合部是形成有第2Ti層35，且金屬層13(Cu層13B)與第2Ti層35、及第2Ti層35與散熱器31會分別被固相擴散接合。
如圖2所示般，在金屬層13(Cu層13B)與第2Ti層35的接合界面是形成有Cu-Ti層36。在本實施形態中，此Cu-Ti層36的厚度t1為1μm≦t1≦8μm的範圍內。前述Cu-Ti層36的厚度t1是2μm≦t1≦6.5μm的範圍內為理想，但並非限於此。
並且，在本實施形態中，如圖3所示般，在散熱器31與第2Ti層35的接合界面是形成有Si固溶於Al3Ti的Al-Ti-Si層37。此Al-Ti-Si層37是具備：形成於第2Ti層35側的第1Al-Ti-Si層37A、及形成於散熱器31側的第2Al-Ti-Si層37B。
第1Al-Ti-Si層37A及第2Al-Ti-Si層37B是由Si固溶於Al3Ti的Al-Ti-Si相所構成，第2Al-Ti-Si層37B的Si濃度是形成比第1Al-Ti-Si層37A的Si濃度更低。第1Al-Ti-Si層37A的Si濃度是10at%以上30at%以下，第 2Al-Ti-Si層37B的Si濃度是0.6at%以上10at%未滿。前述第1Al-Ti-Si層37A的Si濃度是15at%以上25at%以下，第2Al-Ti-Si層37B的Si濃度是2at%以上5at%以下為理想，但並非限於此。
其次，參照圖4及圖5來說明有關本實施形態的附散熱器電源模組用基板30的製造方法。
(鋁板層疊工程S01)
首先，如圖5所示般，在陶瓷基板11的一方的面隔著Al-Si系的硬焊材箔26來層疊成為電路層12的鋁板22。
並且，在陶瓷基板11的另一方的面隔著Al-Si系的硬焊材箔26來層疊成為Al層13A的鋁板23A。另外，本實施形態是使用厚度10μm的Al-8mass%Si合金箔，作為Al-Si系的硬焊材箔26。
(電路層及Al層形成工程S02)
然後，在層疊方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))的狀態下配置於真空加熱爐內加熱，接合鋁板22與陶瓷基板11而形成電路層12。並且，接合陶瓷基板11與鋁板23A來形成Al層13A。
在此，真空加熱爐內的壓力是設定於10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度是設定於600℃以上643℃以下，保持時間是設定於30分鐘以上180分鐘以下的範圍 內。
(Cu層(金屬層)形成工程S03及Ti/金屬層接合工程S04)
其次，在Al層13A的另一方的面側隔著第1鈦箔25來層疊成為Cu層13B的銅板23B。而且，本實施形態是在銅板23B的另一方的面側層疊第2鈦箔45。在此，第1鈦箔25及第2鈦箔45的純度是99mass%以上。並且，第1鈦箔25及第2鈦箔45的厚度是設定於3μm以上40μm以下，本實施形態是設定成10μm。
然後，在層疊方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa)的狀態下配置於真空加熱爐內加熱，而固相擴散接合Al層13A與第1鈦箔25、及第1鈦箔25與銅板23B，形成金屬層13。而且，固相擴散接合銅板23B(Cu層13B)與第2鈦箔45，形成第2Ti層35。
在此，真空加熱爐內的壓力是設定於10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度是設定於600℃以上643℃以下，保持時間是設定於30分鐘以上180分鐘以下的範圍內為理想。上述加熱溫度是設定於630℃以上643℃以下，保持時間是設定於45分鐘以上120分鐘以下的範圍內更理想，但並非限於此。
另外，Al層13A、第1鈦箔25、銅板23B、第2鈦箔45之中被固相擴散接合的各接合面是事先除去該面的傷痕而形成平滑。
(散熱器/Ti接合工程S05)
其次，將第2Ti層35與散熱器31層疊，在層疊方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))的狀態下配置於真空加熱爐內加熱，而固相擴散接合第2Ti層35與散熱器31。另外，第2Ti層35、散熱器31之中被固相擴散接合的各接合面是事先除去該面的傷痕而形成平滑。
在此，真空加熱爐內的壓力是設定於10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度是設定於400℃以上520℃以下，保持時間是設定於3小時以上24小時以下的範圍內為理想。另外，上述加熱溫度是設定於480℃以上520℃以下，保持時間是設定於18小時以上24小時以下的範圍內更理想，但並非限於此。
如此製造本實施形態的附散熱器電源模組用基板30。
(半導體元件接合工程S06)
其次，在電路層12的一方的面(表面)隔著成為焊錫層2的焊錫材來層疊半導體元件3，在還原爐內焊錫接合。
如上述般製造本實施形態的電源模組1。
若根據以上那樣構成的本實施形態的附散熱器電源模組用基板30，則金屬層13具有Al層13A及Cu層13B，此Cu層13B是設為與散熱器31的接合面，在金屬層13(Cu層13B)與散熱器31的接合部形成有第2Ti層 35，且金屬層13(Cu層13B)與第2Ti層35、第2Ti層35與散熱器31會分別被固相擴散接合，因此可抑制藉由第2Ti層35而散熱器31中的Al與Cu層13B中的Cu相互地擴散，可防止在接合部厚厚地形成硬且脆的金屬間化合物。藉此，可使散熱器31與電源模組用基板10的接合可靠度提升。
並且，在本實施形態中，散熱器31是以固相線溫度未滿構成金屬層13的接合面(Cu層13B)的Cu與Al的共晶溫度(548℃)之鋁合金所構成。具體而言，散熱器31是以JIS H 2118：2006規定的模鑄用鋁合金的ADC12(固相線溫度515℃)所構成。因此，可構成具有流路32的複雜的構造的散熱器31，可使放熱性能提升。
而且，本實施形態是在固相擴散接合金屬層13(Cu層13B)與成為第2Ti層35的第2鈦箔45之後，將散熱器31與第2Ti層35予以固相擴散接合，因此可將金屬層13(Cu層13B)與第2Ti層35的固相擴散溫度設定於構成散熱器31的鋁合金的固相線溫度(515℃)以上，可確實地固相擴散接合金屬層13(Cu層13B)與第2Ti層35。本實施形態是在金屬層13(Cu層13B)與第2Ti層35的接合界面形成有厚度t1為1μm≦t1≦8μm的範圍內的Cu-Ti層36，因此金屬層13(Cu層13B)與第2Ti層35會被確實地接合。
並且，可在低溫條件下固相擴散接合散熱器31與第2Ti層35，可抑制散熱器31溶融。因此，亦可將 散熱器31與第2Ti層35的固相擴散溫度設定成未滿構成散熱器31的鋁合金的固相線溫度(515℃)，但並非限於此。而且，在本實施形態中是設為同時實施Cu層(金屬層)形成工程S03與Ti/金屬層接合工程S04的構成，因此可使製造工程簡略化，可降低製造成本。
而且，本實施形態是在散熱器31與金屬層13(Cu層13B)的接合部形成有Al-Ti-Si層37，且形成於第2Ti層35側的第1Al-Ti-Si層37A的Si濃度會比形成於散熱器31側的第2Al-Ti-Si層37B的Si濃度更高。因此，可藉由Si濃度高的第1Al-Ti-Si層37A來抑制Ti原子被擴散至散熱器31側，使Al-Ti-Si層37的厚度形成薄。
並且，形成於散熱器31側的第2Al-Ti-Si層37B中所含的Si濃度為0.6at%以上10at%未滿。因此，可抑制Al原子過剩地擴散至第2Ti層35側，使第2Al-Ti-Si層37B的厚度形成薄。而且，形成於第2Ti層35側的第1Al-Ti-Si層37A中所含的Si濃度為10at%以上30at%以下。因此，可抑制Ti原子過剩地擴散至散熱器31側，使第1Al-Ti-Si層37A的厚度形成薄。
並且，在固相擴散接合時，當被接合的面有傷痕時，會有在固相擴散接合時產生間隙的情況。但，在本實施形態中，Al層13A、第1鈦箔25、銅板23B、第2鈦箔45、散熱器31的接合面是事先除去該面的傷痕而形成平滑後，固相擴散接合，因此可抑制在各接合界面產生 間隙而確實地接合。
(第二實施形態)
其次，說明有關本發明的第二實施形態的散熱器。在圖6中顯示本發明的第二實施形態的散熱器101。
此散熱器101是具備：散熱器本體110、及被層疊於散熱器本體110的一方的面(在圖6中，上側)之由銅、鎳或銀所構成的金屬構件層118。前述金屬板128的厚度是0.001mm以上3mm以下為理想，但並非限於此。在本實施形態中，如圖9所示般，金屬構件層118是藉由接合由厚度2mm的無氧銅的壓延板所構成的金屬板128來構成。
散熱器本體110是設有冷卻媒體流通的流路111。此散熱器本體110是以固相線溫度為未滿構成金屬構件層118的金屬元素(本實施形態是Cu)與Al的共晶溫度(548℃)之鋁合金所構成。具體而言，散熱器本體110是以JIS H 2118：2006規定的模鑄用鋁合金的ADC5(固相線溫度535℃)所構成。另外，此ADC5是在4.1~8.5mass%的範圍內含Mg的鋁合金。構成前述散熱器本體110的鋁合金的固相線溫度是515℃以上548℃未滿，但並非限於此。
在此，於散熱器本體110與金屬構件層118的接合部是形成有Ti層115。
然後，金屬構件層118與Ti層115、及Ti層115與 散熱器本體110會分別被固相擴散接合。
並且，如圖7所示般，在金屬構件層118與Ti層115的接合界面是形成有Cu-Ti層116。在本實施形態中，此Cu-Ti層116的厚度t1是1μm≦t1≦8μm的範圍內。前述Cu-Ti層116的厚度t1是2μm≦t1≦6.5μm的範圍內為理想，但並非限於此。
其次，參照圖8及圖9說明有關本實施形態的散熱器101的製造方法。
(Ti/金屬構件層接合工程S101)
首先，如圖9所示般，將成為金屬構件層118的金屬板128與成為Ti層115的鈦箔125層疊，在層疊方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))的狀態下配置於真空加熱爐內加熱，藉此固相擴散接合金屬板128與鈦箔125。另外，金屬板128、鈦箔125之中被固相擴散接合的各接合面是事先除去該面的傷痕而形成平滑。並且，鈦箔125的純度是設為99mass%以上，鈦箔125的厚度是設定於3μm以上40μm以下，本實施形態是設定成10μm。
在此，真空加熱爐內的壓力是設定於10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度是設定於600℃以上670℃以下，保持時間是設定於30分鐘以上180分鐘以下的範圍內為理想。另外，上述加熱溫度是設定於630℃以上670℃以下，保持時間是設定於45分鐘以上120分鐘以下的範圍內更理想，但並非限於此。
(散熱器本體/Ti接合工程S102)
其次，將Ti層115與散熱器本體110層疊，在層疊方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))的狀態下配置於真空加熱爐內加熱，固相擴散接合Ti層115與散熱器本體110。另外，Ti層115、散熱器本體110之中被固相擴散接合的各接合面是事先除去該面的傷痕而形成平滑。
在此，真空加熱爐內的壓力是設定於10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度是設定於400℃以上520℃以下，保持時間是設定於3小時以上24小時以下的範圍內為理想。另外，上述加熱溫度是設定於480℃以上520℃以下，保持時間是設定於18小時以上24小時以下的範圍內更理想，但並非限於此。
如此製造本實施形態的散熱器101。
若根據以上那樣構成的本實施形態的散熱器101，則因為藉由在散熱器本體110的一方的面接合由無氧銅的壓延板所構成的金屬板128來形成金屬構件層118，所以可藉由金屬構件層118來將熱擴展於面方向，可使放熱特性大幅度地提升。並且，可利用焊錫等來良好地接合其他的構件與散熱器101。
並且，散熱器本體110是以固相線溫度為未滿構成金屬構件層118的金屬元素(本實施形態是Cu)與Al的共晶溫度(548℃)之鋁合金所構成。具體而言，散熱 器本體110是以JIS H 2118：2006規定的模鑄用鋁合金的ADC5(固相線溫度535℃)所構成。因此，可構成具有流路等的複雜的構造的散熱器本體110。
而且，在散熱器本體110與金屬構件層118的接合部形成有Ti層115，且金屬構件層118與Ti層115、及Ti層115與散熱器本體110會分別被固相擴散接合。因此，可抑制藉由Ti層115而散熱器本體110的Al原子與金屬構件層118的Cu原子相互地擴散，可抑制在散熱器本體110與金屬構件層118的接合部產生液相而厚厚地形成硬且脆的金屬間化合物層。藉此，可取得散熱器本體110與金屬構件層118的接合可靠度良好的散熱器101。
並且，本實施形態是藉由Ti/金屬構件層接合工程S101來固相擴散接合成為Ti層115的鈦箔125與成為金屬構件層118的金屬板128之後，藉由散熱器本體/Ti接合工程S102來固相擴散接合Ti層115與散熱器本體110。因此，可比較自由地設定Ti/金屬構件層接合工程S101的鈦箔125與金屬板128的接合條件(溫度、時間)，可確實地固相擴散接合Ti層115與金屬構件層118。本實施形態是在金屬構件層118與Ti層115的接合界面形成有厚度t1為1μm≦t1≦8μm的範圍內的Cu-Ti層116，因此金屬構件層118與Ti層115會確實地接合。
並且，在散熱器本體/Ti接合工程S102中，可在散熱器本體110不溶融的低溫條件下固相擴散接合Ti層115 與散熱器本體110。
以上，說明有關本發明的實施形態，但本發明並非限於此，亦可在不脫離該發明的技術思想的範圍適當變更。
例如，上述的實施形態是說明有關接合由銅所構成的Cu層作為金屬構件層的情況，但亦可取代Cu層，接合由鎳或鎳合金所構成的Ni層、或由銀或銀合金所構成的Ag層。
在取代Cu層而形成Ni層時，錫焊性良好，可提升與其他的構件的接合可靠度。而且，藉由固相擴散接合來形成Ni層時，由於不需要在以無電解電鍍等來形成Ni電鍍膜時所被進行遮蔽處理，因此可降低製造成本。此情況，Ni層的厚度最好是1μm以上30μm以下。當Ni層的厚度未滿1μm時，恐有使與其他的構件的接合可靠度提升的效果變無之虞，當超過30μm時，Ni層成為熱阻體，恐有無法有效率地傳達熱之虞。並且，藉由固相擴散接合來形成Ni層時，固相擴散接合是可在與前述的實施形態同樣的條件下形成。上述Ni層的厚度是設為1μm以上15μm以下更理想，但並非限於此。
取代Cu層而形成Ag層時，例如使用含氧化銀粒子及由有機物所構成的還原劑之氧化銀膏來接合其他的構件時，由於氧化銀被還原的銀與Ag層會成為同種的金屬彼此間的接合，因此可使接合可靠度提升。而且，因為形成有熱傳導率良好的Ag層，所以可將熱擴展於面方 向而有效率地傳達。此情況，Ag層的厚度是最好設為1μm以上20μm以下。
當Ag層的厚度未滿1μm時，使與其他的構件的接合可靠度提升的效果恐有變無之虞，當超過20μm時，未見使接合可靠度提升的效果，招致成本的增加。並且，藉由固相擴散接合來形成Ag層時，固相擴散接合是可在與前述的實施形態同樣的條件下形成。上述Ag層的厚度是1μm以上10μm以下更理想，但並非限於此。
而且，第一實施形態是將金屬層13設為具有Al層13A及Cu層13B者進行說明，但並非限於此，如圖10所示般，亦可以銅或銅合金來構成金屬層全體。在此圖10所示的附散熱器電源模組用基板230中，是在陶瓷基板11的另一方的面(在圖10中，下側)銅板會藉由DBC法或活性金屬硬焊法等來接合，形成由銅或銅合金所構成的金屬層213。然後，此金屬層213與Ti層235、Ti層235與散熱器31會分別被固相擴散接合。另外，在圖10所示的電源模組用基板210中，電路層212也藉由銅或銅合金所構成。
並且，在第一實施形態中，說明藉由接合純度99mass%的鋁板來形成電路層者，但並非限於此，亦可為使用其他的鋁或鋁合金、銅或銅合金等的其他的金屬來構成者。
又，亦可將電路層設為Al層及Cu層的2層構造者。這是在圖10所示的電源模組用基板也同樣。
並且，在第一實施形態中分別進行電路層及Al層形成工程S02及Cu層(金屬層)形成工程S03及Ti/金屬層接合工程S04，但並非限於此，亦可總括起來進行。亦即，在陶瓷基板的一方的面隔著Al-Si系的硬焊材箔26來層疊鋁板22，在另一方的面從陶瓷基板側層疊Al-Si系的硬焊材箔26、鋁板23A、第1鈦箔25、銅板23B、第2鈦箔45，且在層疊方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))的狀態下，保持時間30分鐘以上180分鐘以下，加熱(600℃以上643℃以下)，藉此可製造電源模組用基板10。
[實施例]
以下，說明有關為了確認本發明的效果而進行的確認實驗的結果。
(實施例1)
準備表1所示的鋁板(50mm×50mm×厚度5mm)及金屬板(40mm×40mm)。並且、準備純度99mass%、厚度10μm的鈦箔。
在本發明例1~6中是以表1所示的條件來固相擴散接合表1的金屬板與鈦箔。然後，以表1所示的條件來將接合鈦箔的金屬板與鋁板予以固相擴散接合。
另外，在比較例1，2中是同時實施金屬板、鈦箔及鋁板的接合。
剖面觀察如此被製造的接合體之金屬板與Ti層的接合部，測定構成金屬板的金屬元素與Ti的金屬間化合物層的厚度。並且，測定鋁板與金屬板的接合部的接合率。將評價的具體的程序顯示於以下。
(剖面觀察及構成金屬板的金屬元素與Ti的金屬間化合物層的厚度的測定)
使用“Cross section polisher”(JEOL Ltd.製 SM-09010)，以離子加速電壓：5kV，加工時間：14小時，自遮蔽板的突出量：100μm來離子蝕刻接合體的剖面。其次，藉由EPMA(JEOL Ltd.製 JXA-8530F)，以倍率2000倍的視野(縱45μm；橫60μm)來5視野觀察金屬板與Ti層的接合部，進行Ti的匹配(mapping)。求取金屬間化合物層的面積，以測定視野的寬度的尺寸來除該面積而算出厚度，將5視野的平均設為金屬間化合物層的厚度。
使用由銅所構成的金屬板時，將Ti濃度為19at%以上67at%以下的領域設為金屬間化合物層。
使用由鎳所構成的金屬板時，將Ti濃度為25at%以上67at%以下的領域設為金屬間化合物層。
使用由銀所構成的金屬板時，將Ti濃度為50at%以上67at%以下的領域設為金屬間化合物層。
(接合率評價)
接合體的鋁板與金屬板的接合部的接合率是利用超音 波探傷裝置(Hitachi Power Solutions Co.，Ltd.製 FineSAT200)來評價，由以下的式來算出。在此，所謂初期接合面積是在接合前應接合的面積，鋁板的面積(50mm×50mm)。在二值化處理超音波探傷像的畫像中，剝離是以白色部來表示，因此將此白色部的面積設為剝離面積。
接合率(%)={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積)×100
將以上的評價的結果顯示於表1。
比較例1是同時實施金屬板、鈦箔及鋁板的接合，且將接合溫度設定成未滿鋁板的固相線溫度。在如此的比較例1中，金屬板與鈦箔(Ti層)未被充分地接合。
比較例2是同時實施金屬板、鈦箔及鋁板的接合，且將接合溫度設定成鋁板的固相線溫度以上。在如此的比較例2中，鋁板的一部分會溶融，接合率會大幅度降低。另外，在比較例2中，由於鋁板的一部分會溶融，因此無法測定金屬間化合物的層的厚度。
相對於此，本發明例1~6是在接合金屬板與鈦箔(Ti層)之後，接合Ti層與鋁板。在如此的本發明例1~6中，可在比較高溫條件下固相擴散接合金屬板與鈦箔(Ti層)，可確實地接合金屬板與Ti層。並且，可在未滿固相線溫度的溫度條件下確實地接合鋁板與Ti層。
(實施例2)
準備表2所示的鋁板(50mm×50mm×厚度5mm)及金屬板(40mm×40mm)。並且，準備純度99mass%、厚度10μm的鈦箔。
在本發明例11~17中是以表2所示的條件來固相擴散接合表2的金屬板與鈦箔。然後，以表2所示的條件來將接合鈦箔的金屬板與鋁板予以固相擴散接合。
剖面觀察如此被製造的接合體之金屬板與Ti層的接合部，測定構成金屬板的金屬元素與Ti的金屬間化合物層的厚度。厚度的測定方法是與實施例1同樣。
並且，第1Al-Ti-Si層及第2Al-Ti-Si層的Si濃度是如其次般求取。
在層疊方向機械切斷接合體，且將所取得的剖面予以機械研磨至厚度約30μm，作為剖面試料。然後，使4kV的氬離子從上下(層疊方向及垂直的面)以4度的角度來射入至接合界面附近，以濺射至剖面試料中開孔為止薄片化。孔的緣會形成邊緣狀而成為電子線可透過的厚度0.1μm程度，因此以TEM及EDS來測定此部分。TEM及EDS的測定是以FEI公司製Titan ChemiSTEM(附EDS檢測器)，加速電壓：200kV，射束直徑：5nm，倍率：1萬倍來進行。
在TEM及EDS，測定是從Ti層側往鋁板側(鋁構件側)進行Si的線分析，將最初出現的Si的峰值設為第1Al-Ti-Si層的Si濃度，且將從該峰值離鋁板側150nm之處設為第2Al-Ti-Si層的Si濃度。
並且，測定冷熱循環試驗後的鋁板與金屬板的接合部的接合率。冷熱循環試驗是使用ESPEC CORP.製冷熱衝擊試驗機TSB-51，對於各接合體，以液相(氟系不活性液體(3M公司製“Fluorinert”))，重複4000次-40℃、5分鐘及150℃、5分鐘的循環。接合率的測定方法是與實施例1同樣。
第2Al-Ti-Si層的Si濃度為0.6at%~9.6at%的本發明例12~16是可取得初期的接合率及冷熱循環後的接合率高，且接合可靠度佳的接合體。
另一方面，第2Al-Ti-Si層的Si濃度為0.3at%的本發 明例11，初期的接合率與本發明例12~14作比較，若干降低。
並且，第2Al-Ti-Si層的Si濃度為11.9at%的本發明例17，因為Si濃度高，所以接合界面變硬，接合可靠度若干降低。
[產業上的利用可能性]
若根據本發明的接合體、附散熱器電源模組用基板、散熱器、及其製造方法，則可良好地接合由鋁合金所構成的鋁構件與由銅、鎳或銀所構成的金屬構件。因此，本發明的接合體、附散熱器電源模組用基板、及散熱器是合適於為了控制風力發電、電動車、混合動力車等而被使用的大電力控制用的功率半導體元件。
1‧‧‧電源模組
2‧‧‧焊錫層
3‧‧‧半導體元件
10‧‧‧電源模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
13A‧‧‧Al層
13B‧‧‧Cu層(金屬構件)
15‧‧‧第1Ti層
30‧‧‧基板
31‧‧‧散熱器(鋁構件)
32‧‧‧流路
35‧‧‧第2Ti層(Ti層)

Claims (6)

  1. 一種接合體，係接合由鋁合金所構成的鋁構件與由銅、鎳或銀所構成的金屬構件之接合體，其特徵為：前述鋁構件係以固相線溫度為未滿構成前述金屬構件的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成，在前述鋁構件與前述金屬構件的接合部係形成有Ti層，且前述鋁構件與前述Ti層、及前述Ti層與前述金屬構件係分別被固相擴散接合。
  2. 一種附散熱器電源模組用基板，係具備：絕緣層、及形成於此絕緣層的一方的面的電路層、及形成於前述絕緣層的另一方的面的金屬層、及被接合於此金屬層的散熱器，其特徵為：前述金屬層係與前述散熱器的接合面為以銅、鎳、或銀所構成，前述散熱器係以固相線溫度為未滿構成前述金屬層的前述接合面的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成，在前述金屬層與前述散熱器的接合部係形成有Ti層，且前述金屬層與前述Ti層、及前述Ti層與前述散熱器係分別被固相擴散接合。
  3. 一種散熱器，係具備：散熱器本體、及被接合於前述散熱器本體的金屬構件層，其特徵為：前述金屬構件層係由銅、鎳、或銀所構成，前述散熱器本體係以固相線溫度為未滿構成前述金屬構件層的金屬元素與鋁的共晶溫度之鋁合金所構成， 在前述散熱器本體與前述金屬構件層的接合部係形成有Ti層，且前述散熱器本體與前述Ti層、及前述Ti層與前述金屬構件層係分別被固相擴散接合。
  4. 一種接合體的製造方法，係請求項1記載的接合體的製造方法，其特徵為具備：Ti/金屬構件接合工程，其係將成為前述Ti層的Ti材與前述金屬構件予以固相擴散接合；及鋁構件/Ti接合工程，其係將接合有前述Ti材的金屬構件與前述鋁構件予以固相擴散接合。
  5. 一種附散熱器電源模組用基板的製造方法，係請求項2記載的附散熱器電源模組用基板的製造方法，其特徵為具備：Ti/金屬層接合工程，其係將成為前述Ti層的Ti材與前述金屬層予以固相擴散接合；及散熱器/Ti接合工程，其係將接合有前述Ti材的金屬層與前述散熱器予以固相擴散接合。
  6. 一種散熱器的製造方法，係請求項3記載的散熱器的製造方法，其特徵為具備：Ti/金屬構件層接合工程，其係將成為前述Ti層的Ti材與前述金屬構件層予以固相擴散接合；及散熱器本體/Ti接合工程，其係將接合有前述Ti材的金屬構件層與前述散熱器本體予以固相擴散接合。
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