TW201707821A - 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

本發明之接合體係將由銅、鎳或銀所成的金屬構件與由固相線溫度未達構成前述金屬構件的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金所成的鋁合金構件予以接合而成之接合體，鋁合金構件與金屬構件係被固相擴散接合，於鋁合金構件中之與金屬構件的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm以上。

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
本發明關於將由銅、鎳或銀所成的金屬構件與由固相線溫度未達構成前述金屬構件的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金所成的鋁合金構件予以接合而成之接合體、具備電源模組用基板與散熱器之附散熱器電源模組用基板、具備散熱器本體與金屬構件層之散熱器、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。
本案係以2015年4月16日在日本申請的特願2015-084029號及2016年2月24日在日本申請的特願2016-033201號為基礎，主張優先權，在此援用其內容。
於LED或電源模組等之半導體裝置中，具備 於由導電材料所成的電路層之上接合有半導體元件之構造。
於為了控制風力發電、電動汽車、油電混合車等而使用的大電力控制用之功率半導體元件中，發熱量多。因此，搭載大電力控制用的功率半導體元件之基板，例如具備由AlN(氮化鋁)、Al2O3(氧化鋁)等所成的陶瓷基板與在此陶瓷基板的一面上接合有導電性優異的金屬板而形成的電路層之電源模組用基板，係自以往以來廣泛使用。再者，作為電源模組用基板，亦有提供在陶瓷基板的另一面上形成有金屬層者。
例如，於專利文獻1所示的電源模組中，構造為具備：在陶瓷基板的一面及另一面上形成有由Al所成的電路層及金屬層之電源模組用基板，與在此電路層上經由焊材接合之半導體元件。
為於電源模組用基板之金屬層側，接合散熱器，經由散熱器將自半導體元件傳達至電源模組用基板側之熱散逸到外部之構成。
可是，如專利文獻1中記載之電源模組，以Al構成電路層及金屬層時，由於在表面上形成Al的氧化皮膜，而無法藉由焊材接合半導體元件或散熱器。
因此，以往例如如同專利文獻2中揭示，在電路層及金屬層的表面上，藉由無電解鍍敷等形成Ni鍍膜後，焊接半導體元件或散熱器。
又，專利文獻3中提案作為焊材之替代，使用含有氧 化銀粒子與由有機物所成的還原劑之氧化銀糊，接合電路層與半導體元件、金屬層與散熱器之技術。
然而，如專利文獻2中記載，於電路層及金屬層表面上形成有Ni鍍膜的電源模組用基板中，在接合半導體元件及散熱器的過程中，Ni鍍膜之表面係因氧化等而劣化，有經由焊材接合的半導體元件及與散熱器之接合可靠性降低之虞。此處，散熱器與金屬層之接合若不充分，則熱阻上升，有散熱特性降低之虞。又，於鍍Ni步驟中，為了不發生在不需要的區域上形成鍍Ni而電蝕等之困擾，亦有進行遮蔽處理。如此地，於進行遮蔽處理後進行鍍敷處理時，在電路層表面及金屬層表面上形成Ni鍍膜的步驟中，需要很多的勞力，有電源模組之製造成本大幅增加之問題。
又，如專利文獻3中記載，使用氧化銀糊接合電路層與半導體元件、金屬層與散熱器之時，由於Al與氧化銀糊的燒成體之接合性差，必須預先在電路層表面及金屬層表面上形成Ag基底層。藉由鍍敷形成Ag基底層時，有與鍍Ni同樣地需要很多的勞力之問題。
因此，專利文獻4中提案使電路層及金屬層成為Al層與Cu層的層合構造之電源模組用基板。於此電源模組用基板中，田於在電路層及金屬層之表面上配置Cu層，可使用焊材良好地接合半導體元件及散熱器。因此，層合方向的熱阻變小，可將自半導體元件所發生的熱高效率地往散熱器側傳達。
又，專利文獻5中提案金屬層及散熱器的一者以鋁或鋁合金構成，另一者以銅或銅合金構成，此等前述金屬層與前述散熱器經固相擴散接合之附散熱器電源模組用基板。於此附散熱器電源模組用基板中，由於金屬層與散熱器被固相擴散接合，熱阻小，散熱特性優異。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本發明專利第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]日本特開2014-160799號公報
[專利文獻5]日本特開2014-099596尊公報
可是，於內部形成有冷卻介質的流路等之複雜構造的散熱器中，有藉由固相線溫度比較低的鋁鑄物合金製造者。
此處，當將由固相線溫度低之鋁鑄物合金所成的鋁合金構件與由銅或銅合金所成的金屬構件如專利文獻5中記載地固相擴散接合時，確認在接合界面附近因相互擴散的不均衡所發生的克肯達孔洞(Kirkendall void)係多數發 生。如此的克肯達孔洞若存在於電源模組用基板與散熱器之間，則熱阻上升，有散熱特性降低之問題。
本發明係鑒於前述事態情況而完成者，目的在於提供良好地接合由固相線溫度比較低之鋁合金所成的鋁合金構件與由銅、鎳或銀所成的金屬構件，層合方向的熱阻低之接合體，具備此接合體的附散熱器電源模組用基板及散熱器、接合體的製造方法、附散熱器電源模組用基板的製造方法、散熱器的製造方法。
為了解決前述問題，本發明之一態樣的接合體係將由銅、鎳或銀所成的金屬構件與由固相線溫度未達構成前述金屬構件的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金所成的鋁合金構件予以接合而成之接合體，其特徵為：前述鋁合金構件與前述金屬構件係被固相擴散接合，於前述鋁合金構件中之與前述金屬構件的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm以上。
再者，於本發明中，金屬構件係以銅或銅合金、鎳或鎳合金、或銀或銀合金構成。
藉由此構成的接合體，於前述鋁合金構件中之與前述金屬構件的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm，故藉由此冷 硬層妨礙構成金屬構件的金屬元素之擴散移動，抑制克肯達孔洞之發生，可降低層合方向的熱阻。
本發明之一態樣的附散熱器電源模組用基板係具備絕緣層、形成在此絕緣層的一面上之電路層、形成在前述絕緣層的另一面上之金屬層、及配置在此金屬層之與前述絕緣層相反的面上之散熱器的附散熱器電源模組用基板，其特徵為：前述金屬層中之與前述散熱器的接合面係以銅、鎳或銀構成，前述散熱器中之與前述金屬層的接合面係以固相線溫度未達前述金屬層之構成前述接合面的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金構成，前述散熱器與前述金屬層係被固相擴散接合，於前述散熱器中之與前述金屬層的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm以上。
藉由此構成之附散熱器電源模組用基板，於前述散熱器中之與前述金屬層的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm，故藉由此冷硬層妨礙構成金屬層的金屬元素之擴散移動，抑制克肯達孔洞之發生，熱阻低，散熱特性特別優異。
本發明之一態樣的散熱器係具備散熱器本體與前述金屬構件層之散熱器，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 未達構成前述金屬構件層的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金構成，於前述散熱器本體中之與前述金屬構件層的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm以上。
藉由此構成之散熱器，於前述散熱器本體中之與前述金屬構件層的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm以上，故藉由此冷硬層妨礙構成金屬構件層的金屬元素之擴散移動，抑制克肯達孔洞之發生，熱阻低，散熱特性特別優異。
本發明之一態樣之接合體的製造方法係將由銅、鎳或銀所成的金屬構件與由固相線溫度未達構成前述金屬構件的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金所成的鋁合金構件予以接合而成之接合體的製造方法，其特徵為：在接合前的前述鋁合金構件中，於與前述金屬構件的接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上，固相擴散接合該鋁合金構件與前述金屬構件。
藉由此構成之接合體的製造方法，在接合前的前述鋁合金構件中，於與前述金屬構件之接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm 以上，故於固相擴散接合時，可抑制構成金屬構件的金屬元素超出需要地擴散移動，能制克肯達孔洞之發生。
再者，藉由構成金屬構件的金屬元素，於固相擴散接合之際，構成金屬構件的金屬元素係擴散至冷硬層的一部分而形成擴散接合層，故接合後的冷硬層之厚度會比接合前的冷硬層之厚度更薄。
此處，於本發明之一態樣之接合體的製造方法中，較佳為藉由層合前述鋁合金構件與前述金屬構件，一邊在層合方向中加壓一邊通電加熱，而固相擴散接合前述鋁合金構件與前述金屬構件。
此時，由於將前述鋁合金構件與前述金屬構件一邊在層合方向中加壓一邊通電加熱，而可加快升溫速度，能以比較短時間進行固相擴散接合。藉此，例如即使在大氣中接合時，也接合面的氧化之影響小，可良好地接合前述鋁合金構件與前述金屬構件。
本發明之一態樣的附散熱器電源模組用基板的製造方法係具備絕緣層、形成在此絕緣層的一面上之電路層、形成在前述絕緣層的另一面上之金屬層、及配置在此金屬層之與前述絕緣層相反的面上之散熱器的附散熱器電源模組用基板的製造方法，其特徵為：前述金屬層中之與前述散熱器的接合面係以銅、鎳或銀構成，前述散熱器中之與前述金屬層的接合面係以固相線溫度未達前述金屬層之構成前述接合面的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金構成，在接合前的前述散熱器中，於與前述金屬層的接合 面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上，固相擴散接合該散熱器與前述金屬層。
藉由此構成之附散熱器電源模組用基板的製造方法，在接合前的前述散熱器中，於與前述金屬層之接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上，故於固相擴散接合時，可抑制構成金屬層的接合面之金屬元素超出需要地擴散移動，能抑制克肯達孔洞之發生。
因此，可製造層合方向的熱阻低、散熱特性優異之附散熱器電源模組用基板。
此處，於本發明之一態樣之附散熱器電源模組用基板的製造方法中，較佳為藉由層合前述散熱器與前述金屬層，一邊在層合方向中加壓一邊通電加熱，而固相擴散接合前述散熱器與前述金屬層。
此時，由於將前述散熱器與前述金屬層一邊在層合方向中加壓一邊通電加熱，而可加快升溫速度，能以比較短時間進行固相擴散接合。藉此，例如即使在大氣中接合時，也接合面的氧化之影響小，可良好地接合前述散熱器與前述金屬層。
本發明之一態樣的散熱器的製造方法係具備散熱器本體與前述金屬構件層之散熱器的製造方法，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未達構成前述金屬構件層的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金構成，在接合前的前述散熱器本體中，於與前述金屬構件層的接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上，固相擴散接合該散熱器本體與前述金屬構件層。
藉由此構成之散熱器的製造方法，於接合前的前述散熱器本體中，在與前述金屬構件層之接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上，故於固相擴散接合時，可抑制構成金屬構件的金屬元素超出需要地擴散移動，能制克肯達孔洞之發生。
因此，可製造層合方向的熱阻低、散熱特性優異之散熱器。
此處，於本發明之一態樣之散熱器的製造方法中，較佳為藉由層合前述散熱器本體與前述金屬構件層，一邊在層合方向中加壓一邊通電加熱，而固相擴散接合前述散熱器本體與前述金屬構件層。
此時，由於將前述散熱器本體與前述金屬構件層一邊在層合方向中加壓一邊通電加熱，而可加快升溫速度，能以比較短時間進行固相擴散接合。藉此，例如即使在大氣中接合時，也接合面的氧化之影響小，可良好地接合前述散熱器本體與前述金屬構件層。
依照本發明，可良好接合由固相線溫度比較低的鋁合金所成之鋁合金構件與由銅、鎳或銀所成的金屬構件，提供層合方向的熱阻低之接合體、具備此接合體的附散熱器電源模組用基板及散熱器、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。
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(鋁合金構件)
35‧‧‧冷硬層
101‧‧‧散熱器
110‧‧‧散熱器本體(鋁合金構件)
117‧‧‧金屬構件層
135‧‧‧冷硬層
圖1係具備本發明的第一實施形態之附散熱器電源模組用基板的電源模組之概略說明圖。
圖2係圖1中所示之附散熱器電源模組用基板的散熱器與金屬層(Cu層)之接合界面的剖面放大說明圖。
圖3係說明第一實施形態之附散熱器電源模組用基板的製造方法之流程圖。
圖4係第一實施形態之附散熱器電源模組用基板的製造方法之概略說明圖。
圖5係圖4中所示之附散熱器電源模組用基板的製造方法中，接合前的散熱器之接合面部分的剖面放大說明圖。
圖6係本發明之第二實施形態的散熱器之概略說明圖。
圖7係圖6中所示之散熱器的散熱器本體與金屬構件層之接合界面的剖面放大說明圖。
圖8係說明第二實施形態之散熱器的製造方法之流程圖。
圖9係第二實施形態之散熱器的製造方法之概略說明圖。
圖10係具備本發明之另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11係顯示藉由通電加熱法進行固相擴散接合的狀況之概略說明圖。
圖12係顯示實施例中抽出Si相的輪廓之程序的說明圖。
[實施發明的形態]
(第一實施形態)
以下，參照所附的圖面說明本發明之實施形態。圖1中顯示使用本發明的第一實施形態之附散熱器電源模組用基板30的電源模組1。
此電源模組1具備：附散熱器電源模組用基板30，與在此附散熱器電源模組用基板30的一面(圖1中上面)上隔著焊層2接合之半導體元件3。
附散熱器電源模組用基板30具備電源模組用基板10 與接合於電源模組用基板10的散熱器31。
電源模組用基板10具備：構成絕緣層的陶瓷基板11，配設於此陶瓷基板11的一面(圖1中上面)上之電路層12，與配設於陶瓷基板11的另一面上金屬層13。
陶瓷基板11係以絕緣性及散熱性優異的Si3N4(氮化矽)、AlN(氮化鋁)、Al2O3(氧化鋁)等之陶瓷構成。於本實施形態中，陶瓷構件11係以散熱性特別優異的AlN(氮化鋁)構成。又，陶瓷基板11的厚度例如係設定在0.2mm~1.5mm之範圍內，於本實施形態中設定在0.635mm。
電路層12係如圖4所示，藉由在陶瓷基板11的一面上接合由鋁或鋁合金所成的鋁板22而形成。於本實施形態中，電路層12係藉由將純度為99質量%以上的鋁(2N鋁)之壓延板(鋁板22)接合於陶瓷基板11而形成。再者，成為電路層12的鋁板22之厚度係設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內，於本實施形態中設定在0.6mm。
金屬層13係如圖1所示，具有配設於陶瓷基板11的另一面上之Al層13A，與層合於此Al層13A中之與接合有陶瓷基板11的面相反側的面上對Cu層13B。
Al層13A係如圖4所示，於陶瓷基板11的另一面上，藉由接合由鋁或鋁合金所成的鋁板23A而形成。於本實施形態中，Al層13A係藉由將純度為99質量%以上的 鋁(2N鋁)之壓延板(鋁板23A)接合於陶瓷基板11而形成。所接合的鋁板23A之厚度係設定在0.1mm以上3.0mm以下之範圍內，於本實施形態中設定在0.6mm。
Cu層13B係如圖4所示，於Al層13A的另一面上，藉由接合由銅或銅合金所成的銅板23B而形成。於本實施形態中，Cu層13B係藉由接合無氧銅之壓延板(銅板23B)而形成。銅層13B之厚度係設定在0.1mm以上6mm以下之範圍內，於本實施形態中設定在1mm。
散熱器31係用於散逸電源模組用基板10側之熱，於本實施形態中如圖1所示，設有冷卻介質流通之流路32。此散熱器31係以固相線溫度未達構成金屬層13的接合面(Cu層13B)之Cu與Al的共晶溫度(548℃)之鋁合金鑄造材料所構成。具體而言，以JIS H 2118：2006規定之含有Si的壓鑄用鋁合金之ADC12(固相線溫度515℃)的鑄造材料所構成。再者，此ADC12係以1.5質量%~3.5質量%之範圍內含有Cu、以9.6質量%~12.0質量%之範圍內含有Si之鋁合金。上述鋁合金的鑄造材料中之Si含量較佳為1質量%~25質量%，惟不受此所限定。
於此散熱器31之與金屬層13(Cu層13B))的接合界面側，如圖2所示，形成分散有結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層35。上述Si相之結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)較佳為1.0以上2.0以下，更佳為1.0以上 1.5，結晶粒徑較佳為0.5μm以上10μm以下，更佳為1μm以上7μm以下，惟不受此所限定。
此冷硬層35係在形成構成散熱器31的鑄造材料之際，形成在鑄造材料的表層部分(鑄模附近部分)者，與鑄造材料的內部比較下，結晶粒徑較微細，縱橫比較小。
而且，附散熱器電源模組用基板30的冷硬層35之厚度(接合後之冷硬層的厚度)係設為50μm以上。冷硬層35之厚度較佳為100μm以上，更佳為200μm以上，惟不受此所限定。
此處，散熱器31與金屬層13(Cu層13B)係被固相擴散接合。
於金屬層13(Cu層13B)與散熱器31之接合界面，形成如圖2所示之金屬間化合物層38。即，於散熱器31的冷硬層35之上，層合金屬間化合物層38。
此金屬間化合物層38係藉由散熱器31的Al原子與Cu層13B的Cu原子相互擴散而形成。於此金屬間化合物層38中，具有隨著自散熱器31朝向Cu層13B，Al原子的濃度漸漸變低，而且Cu原子的濃度漸漸變高之濃度梯度。
此金屬間化合物層38係以由Cu與Al所成的金屬間化合物構成，於本實施形態中成為複數的金屬間化合物沿著接合界面層合之構造。此處，金屬間化合物層38之厚度係設定在1μm以上80μm以下之範圍內，較佳設定在5μm以上80μm以下之範圍內。
再者，此金屬間化合物層38係藉由Cu層13B的Cu擴散至散熱器31(冷硬層35)側而形成，於金屬間化合物層38之中分散有散熱器31中所含有的Si粒子。
於本實施形態中，金屬間化合物層38係成為層合有3種的金屬間化合物之構造，自散熱器31側朝向Cu層13B側，依順序地沿著散熱器31與Cu層13B之接合界面，層合θ相、η2相，更且層合ζ2相、δ相及γ2相中至少一個相而構成。
又，於此金屬間化合物層與Cu層13B之接合界面，氧化物係沿著接合界面層狀分散。再者，於本實施形態中，此氧化物係氧化鋁(Al2O3)等之鋁氧化物。再者，氧化物係在金屬間化合物層與Cu層13B之界面中以被分割之狀態分散，金屬間化合物層與Cu層13B直接接觸之區域亦存在。又，亦有氧化物在θ相、η2相或是ζ2相、δ相及γ2相中至少一個相之內部層狀分散之情況。
接著，參照圖3至圖5，說明本實施形態之附散熱器電源模組用基板30的製造方法。
(鋁板層合步驟S01)
首先，如圖4所示，於陶瓷基板11的一面上，隔著Al-Si系之焊材箔26層合成為電路層12的鋁板22。
又，於陶瓷基板11的另一面上，隔著Al-Si系之焊材箔26層合成為Al層13A的鋁板23A。再者，於本實施形態中，作為Al-Si系之焊材箔26，使用厚度10μm的 Al-8質量%Si合金箔。
(電路層及Al層形成步驟S02)
然後，於層合方向中加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))之狀態下，配置於真空加熱爐內，進行加熱，接合鋁板22與陶瓷基板11而形成電路層12。又，接合陶瓷基板11與鋁板23A而形成Al層13A。
此處，較佳為真空加熱爐內之壓力係設定在10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內，加熱溫度係設定在600℃以上650℃以下，保持時間係設定在30分鐘以上180分鐘以下之範圍內。
(Cu層(金屬層)形成步驟S03)
接著，於Al層13A的另一面側，層合成為Cu層13B的銅板23B。
然後，於層合方向中加壓(壓力3~35kgf/cm2(0.29~3.43MPa))之狀態下配置於真空加熱爐內，進行加熱，而固相擴散接合Al層13A與銅板23B，形成金屬層13。
此處，較佳為真空加熱爐內的壓力係設定在10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內，加熱溫度係設定在400℃以上548℃以下，保持時間係設定在5分鐘以上240分鐘以下之範圍內。
再者，Al層13A、銅板23B中被固相擴散接合的各 自之接合面，係預先去除該面的傷痕而成為平滑。
(散熱器準備步驟S04)
接著，準備接合的散熱器31。此時，如圖5所示，於散熱器31中之與金屬層13(Cu層13B)接合的接合面側，形成結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下之冷硬層35A，同時將此冷硬層35A的厚度設為80μm以上。冷硬層35A的厚度較佳為100μm以上，更佳為200μm以上，惟不受此所限定。
此處，於鑄造散熱器31時，藉由調整散熱器31的至少接合面附近之冷卻速度，可控制上述之冷硬層35A的厚度。此時，例如可將鑄造時的模具之溫度設為230℃以下，較宜為210℃以下。鑄造時的模具之溫度亦可設為140℃以上，較宜為160℃以上。
又，作為鑄造散熱器時之條件，例如可為壓入壓力400kg/cm2~600kg/cm2、熔液溫度650℃~750℃、液口速度30m/s~60m/s、套筒填充率40%~60%。環境係可為氮或氬等之惰性環境、氧環境、真空環境等。
另外，於鑄造後藉由調整表面的研削量，亦可控制冷硬層35A的厚度。
(金屬層/散熱器接合步驟S05)
接著，層合金屬層13(Cu層13B)與散熱器31，於層合方向中加壓(壓力5~35kgf/cm2(0.49~3.43 MPa))之狀態下，配置於真空加熱爐內，進行加熱，而固相擴散接合金屬層13(Cu層13B)與散熱器31。再者，金屬層13(Cu層13B)及散熱器31中被固相擴散接合的各自之接合面，係預先去除該面的傷痕而成為平滑。加壓時的壓力更佳為8~20kgf/cm2(0.78~1.96MPa)，惟不受此所限定。
此處，較佳為真空加熱爐內的壓力係設定在10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內，加熱溫度係設定在400℃以上520℃以下，保持時間係設定在0.25小時以上3小時以下之範圍內。更佳為真空加熱爐內的壓力係設定在10-5Pa以上10-4Pa以下之範圍內，加熱溫度係設定在480℃以上510℃以下，保持時間係設定在0.5小時以上2小時以下之範圍內，惟不受此所限定。
於此金屬層/散熱器接合步驟S05中，Cu層13B中的Cu原子係擴散至散熱器31的冷硬層35A側，如圖2所示，形成金屬間化合物層38及冷硬層35。
如此地，製造本實施形態之附散熱器電源模組用基板30。
(半導體元件接合步驟S06)
接著，於電路層12的一面(表面(圖1中上側))上，隔著焊材2層合半導體元件3，於還原爐內焊接。
如上述，製造本實施形態之電源模組1。
藉由成為如以上構成的本實施形態之附散熱 器電源模組用基板30，散熱器31係以固相線溫度未達構成金屬層13的接合面(Cu層13B)之Cu與Al的共晶溫度(548℃)之鋁合金所構成，具體而言以JIS H 2118：2006規定的壓鑄用鋁合金之ADC12(固相線溫度515℃)的鑄造材料所構成，故可構成具有流路32的複雜構造之散熱器31，可提高散熱性能。
而且，於本實施形態中，在散熱器31中之與金屬層13(Cu層13B)的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層35，將此冷硬層35的厚度設為50μm以上，故藉由此冷硬層35妨礙金屬層13(Cu層13B)的Cu原子之擴散移動，可抑制克肯達孔洞之發生。因此，即使將此附散熱器電源模組用基板30保持在高溫時，層合方向的熱阻也不上升，可抑制散熱特性之劣化。
再者，於本實施形態中，在金屬層13(Cu層13B)與散熱器31之接合界面，形成由Cu與Al的金屬間化合物層所成之金屬間化合物層38。由於此金屬間化合物層38係成為複數的金屬間化合物沿著接合界面層合之構造，可抑制脆弱的金屬間化合物大地成長。又，金屬間化合物層38內部的體積變動變小，抑制內部應變。
又，於本實施形態中，在Cu層13B與金屬間化合物層38之接合界面中，由於氧化物係沿著此等接合界面各自層狀分散，形成在散熱器31的接合面之氧化膜係被確 實地破壞，Cu與Al之相互擴散係充分地進行，Cu層13B與散熱器31確實地接合。
又，藉由本實施形態之附散熱器電源模組用基板30的製造方法，於散熱器準備步驟S04中，作為接合前的散熱器31，準備於散熱器31中之與金屬層13(Cu層13B)接合的接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層35A，同時將此冷硬層35A的厚度設為80μm以上之構成者，故於金屬層/散熱器接合步驟S05中，固相擴散接合散熱器31與金屬層13(Cu層13B)時，可抑制Cu層13B的Cu原子超出需要地擴散移動，能抑制克肯達孔洞之發生。
因此，可製造層合方向的熱阻低、散熱特性優異之附散熱器電源模組用基板30。
再者，於固相擴散接合時，當接合面有傷痕時，有在接合界面中發生間隙之虞，但於本實施形態中，由於Cu層13B(銅板23B)、散熱器31之接合面係在預先去除該面的傷痕而成為平滑後被固相擴散接合，故可抑制接合界面中發生間隙者，可確實地固相擴散接合。
再者，通常於表面研削由鑄造材料所成的散熱器31時，會去除表層上薄地形成之冷硬層，但於本實施形態中，在鑄造時形成厚的冷硬層，於表面研削中使冷硬層殘存。
於本實施形態中，冷硬層的厚度之上限係沒有特別的限制，但使用由鑄造材料所成之散熱器31時， 較佳為設在5000μm以下。藉由鑄造來製造散熱器31時，難以製造冷硬層的厚度超過5000μm者。
又，當散熱器31薄時，亦有散熱器31全體成變成冷硬層之情況。於此情況，亦可能達成與本實施形態同樣之作用效果。
(第二實施形態)
接著，說明本發明之第二實施形態的散熱器。圖6中顯示本發明之第二實施形態的散熱器101。
此散熱器101具備散熱器本體110與層合於散熱器本體110的一面(圖6中上側)上之由銅、鎳或銀所成之金屬構件層117。於本實施形態中，金屬構件層117係如圖9所示，藉由接合由無氧銅的壓延板所成之金屬板127而構成。
散熱器本體110係設有冷卻介質流通之流路111。此散熱器本體110係以固相線溫度未達構成金屬構件層117的金屬元素(本實施形態中為Cu)與Al之共晶溫度(548℃)的鋁合金所構成，具體而言，以JIS H 2118：2006規定之含有Si的壓鑄用鋁合金之ADC14(固相線溫度507℃)的鑄造材料所構成。再者，此ADC14係以16質量%~18質量%含有Si、以0.45質量%~0.65質量%之範圍內含有Mg之鋁合金。鋁合金中的Si含量較佳為1質量%~25質量%，惟不受此所限定。
而且，於此散熱器本體110之與金屬構件層 117的接合界面側，如圖7所示，形成分散有結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層135。上述Si相之結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)較佳為1.0以上2.0以下，更佳為1.0以上1.5，結晶粒徑較佳為0.5μm以上10μm以下，更佳為1μm以上7μm以下，惟不受此所限定。
此冷硬層135係在形成構成散熱器本體110的鑄造材料之際，形成在鑄造材料之表層部分(鑄模附近部分)者，與鑄造材料的內部比較下，結晶粒徑較微細，縱橫比較小。
此冷硬層135的厚度係設為50μm以上。冷硬層135的厚度較佳為100μm以上，更佳為200μm以上，惟不受此所限定。
此處，散熱器本體110與金屬構件層117係被固相擴散接合。
於散熱器本體110與金屬構件層117之接合界面，形成如圖7所示之金屬間化合物層138。此金屬間化合物層138係藉由散熱器本體110的Al原子與金屬構件層117的Cu原子相互擴散而形成。於此金屬間化合物層138中，具有隨著自散熱器本體110朝向金屬構件層117，Al原子的濃度漸漸變低，而且Cu原子的濃度漸漸變高之濃度梯度。
此金屬間化合物層138係以由Cu與Al所成的金屬間化合物構成，於本實施形態中成為複數的金屬間 化合物沿著接合界面層合之構造。此處，金屬間化合物層138的厚度係設定在1μm以上80μm以下之範圍內，較佳設定在5μm以上80μm以下之範圍內。
再者，此金屬間化合物層138係藉由金屬構件層117的Cu擴散至散熱器本體110(冷硬層135)側而形成，於金屬間化合物層138之中分散有散熱器本體110中所含有的Mg粒子。
於本實施形態中，金屬間化合物層138係成為層合有3種的金屬間化合物之構造，自散熱器本體110側朝向金屬構件層117側，依順序地沿著散熱器本體110與金屬構件層117之接合界面，層合θ相、η2相，更且層合ζ2相、δ相及γ2相中至少一個相而構成。
又，於此金屬間化合物層138與金屬構件層117之接合界面，氧化物係沿著接合界面層狀分散。再者，於本實施形態中，此氧化物係氧化鋁(Al2O3)等之鋁氧化物。再者，氧化物係在金屬間化合物層138與金屬構件層117之界面中以被分割之狀態分散，金屬間化合物層138與金屬構件層117直接接觸之區域亦存在。又，亦有氧化物在θ相、η2相或是ζ2相、δ相及γ2相中至少一個相之內部層狀分散之情況。
接著，參照圖8及圖9，說明本實施形態之散熱器101的製造方法。
(散熱器本體準備步驟S101)
首先，準備接合的散熱器本體110。此時，於散熱器本體110中之與金屬構件層117接合的接合面側，與第一實施形態所說明的散熱器31(參照圖5)同樣地，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上。此冷硬層的厚度較佳為100μm以上，更佳為200μm以上，惟不受此所限定。
此處，於鑄造散熱器本體110，藉由調整散熱器本體110的至少接合面附近之冷卻速度，可控制上述之冷硬層的厚度。此時，例如可將鑄造時的模具之溫度設為230℃以下，較宜為210℃以下。鑄造時的模具之溫度亦可設為140℃以上，較宜為160℃以上。又，作為鑄造散熱器時之條件，例如可為壓入壓力400kg/cm2~600kg/cm2、熔液溫度650℃~750℃、液口速度30m/s~60m/s、套筒填充率40%~60%。環境係可為氮或氬等之惰性環境、氧環境、真空環境等。
另外，於鑄造後藉由調整表面的研削量，亦可控制冷硬層的厚度。
(散熱器本體/金屬構件層接合步驟S102)
接著，如圖9所示，層合散熱器本體110與成為金屬構件層117的金屬板127，於層合方向中加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))之狀態下，配置於真空加熱爐內，進行加熱，而固相擴散接合金屬板127與散熱 器本體110。再者，金屬板127、散熱器本體110中被固相擴散接合的各自之接合面，係預先去除該面的傷痕而成為平滑。加壓時的壓力更佳為8~20kgf/cm2(0.78~1.96MPa)，惟不受此所限定。
此處，較佳為真空加熱爐內的壓力係設定在10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內，加熱溫度係設定在400℃以上520℃以下，保持時間係設定在0.25小時以上3小時以下之範圍內。更佳為真空加熱爐內的壓力設定在10-5Pa以上10-4Pa以下之範圍內，加熱溫度係設定在480℃以上510℃以下，保持時間係設定在0.5小時以上2小時以下之範圍內，惟不受此所限定。
於此散熱器本體/金屬構件層接合步驟S102中，金屬板127中的Cu原子係擴散至散熱器本體110的冷硬層側，如圖7所示，形成金屬間化合物層138與冷硬層135。
如此地，製造本實施形態之散熱器101。
藉由成為如以上構成的本實施形態之散熱器101，由於藉由在散熱器本體110的一面側，接合由無氧銅的壓延板所成之金屬板127而形成金屬構件層117，可經由金屬構件層117使熱在面方向中擴展，可大幅提高散熱特性，可使用焊料等良好地接合其他構件與散熱器101。
又，散熱器本體110係以固相線溫度未達構成金屬構件層117的金屬元素(Cu)與Al之共晶溫度 (548℃)的鋁合金所構成，具體而言以JIS H 2118：2006規定的壓鑄用鋁合金之ADC14(固相線溫度507℃)的鑄造材料所構成，故可可構成具有流路等的複雜構造之散熱器本體110。
而且，於本實施形態中，在散熱器本體110中之與金屬構件層117的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比(長徑/短徑)為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層135，將此冷硬層135的厚度設為50μm以上，故藉由此冷硬層135妨礙金屬構件層117的Cu原子之擴散移動，可抑制克肯達孔洞之發生。因此，即使將此散熱器101保持在高溫時，層合方向的熱阻也不上升，可抑制散熱特性之劣化。
又，於本實施形態中，在金屬構件層117與散熱器本體110之接合界面由於成為與第一實施形態之Cu層13B與散熱器31之接合界面同樣的構成，故可達成與第一實施形態同樣之作用效果。
於本實施形態中，冷硬層的厚度之上限係沒有特別的限制，但使用由鑄造材料所成之散熱器本體110時，較佳為設在5000μm以下。藉由鑄造來製造散熱器本體110時，難以製造冷硬層的厚度超過5000μm者。
又，當散熱器本體110薄時，亦有散熱器本體110變成冷硬層之情況。於此情況，亦可能達成與本實施形態同樣之作用效果。
以上，說明本發明之實施形態，惟本發明不 受此所限定，於不脫離本發明的技術思想之範圍內可適宜變更。
例如，於上述實施形態中，作為金屬構件層，說明接合由銅所成的Cu層之情況，但亦可代替Cu層，接合由鎳或鎳合金所成的Ni層或由銀或銀合金所成的Ag層。
形成Ni層代替Cu層時，焊接性變良好，可提高與其他構件的接合可靠性。再者，藉由固相擴散接合形成Ni層時，由於不需要藉由無電解鍍敷等形成Ni鍍膜時進行的遮蔽處理，可減低製造成本。此時，Ni層的厚度宜設為1μm以上30μm以下。Ni層的厚度未達1μm時，有使與其他構件的接合可靠性之效果消失之虞，超過30μm時，有Ni層成為熱阻體而無法有效率地傳達熱之虞。又，藉由固相擴散接合形成Ni層時，關於Al層與Ni之固相擴散接合，可將接合溫度設定在400℃以上520℃以下，但其他條件可為與前述實施形態之同樣條件而形成。
形成Ag層代替Cu層時，例如使用含有氧化銀粒子與由有機物所成的還原劑之氧化銀糊來接合其他構件時，氧化銀糊的氧化銀若因還原劑還原成銀，則接合的Ag層係同種的金屬彼此接合，故可提高接合可靠性。再者，由於形成熱傳導率良好的Ag層，可使熱在面方向中擴展及有效率地傳達。此時，Ag層的厚度宜設為1μm以上20μm以下。Ag層的厚度未達1μm時，有使與其他構件的接合可靠性之效果消失之虞，超過20μm時，看不到 接合可靠性提高之效果，導致成本的增加。又，藉由固相擴散接合形成Ag層時，Al層與Ag之固相擴散接合的條件係將接合溫度設定在400℃以上520℃以下，其他係可用與前述實施形態同樣之條件形成。
再者，於第一實施形態中，說明具有Al層13A與Cu層13B者作為金屬層13，惟不受此所限定，如圖10所示，亦可以銅或銅合金構成金屬層全體。於此圖10所示的附散熱器電源模組用基板230中，銅板係藉由DBC法或活性金屬焊接法等接合於陶瓷基板11的另一面(圖10中下側)，形成由銅或銅合金所成之金屬層213。然後，固相擴散接合此金屬層213與散熱器31。再者，於圖10所示的電源模組用基板210中，電路層212亦藉由銅或銅合金構成。圖10所示的電源模組201具備：附散熱器電源模組用基板230，與在此附散熱器電源模組用基板230的一面(圖10中上面)上隔著焊層2接合之半導體元件3。
於第一實施形態中，說明藉由接合純度99質量%的鋁板而形成者作為電路層，惟不受此所限定，亦可以純度99.99質量%以上的純鋁、或其他的鋁或鋁合金、銅或銅合金等之其他金屬所構成。又，電路層亦可為Al層與Cu層的2層構造者。此係在圖10所示的電源模組用基板210中亦同樣。
於第一實施形態的金屬層/散熱器接合步驟S05中，說明層合金屬層13(Cu層13B)與散熱器31， 於層合方向中加壓之狀態下配置於真空加熱爐內，進行加熱之構成，於第二實施形態的散熱器本體/金屬構件層接合步驟S102中，說明層合由散熱器本體110與成為金屬構件層117的金屬板127，於層合方向中加壓(壓力5~35kgf/cm2(0.49~3.43MPa))之狀態下配置於真空加熱爐內，進行加熱之構成，惟不受此所限定，如圖11所示，於固相擴散接合鋁合金構件301(散熱器31、散熱器本體110)與金屬構件302(金屬層13、金屬構件層117)之際，亦可採用通電加熱法。
進行通電加熱時，如圖11所示，層合鋁合金構件301與金屬構件302，隔著碳板311、311，藉由一對的電極312、312在層合方向中加壓此等之層合體，同時對於鋁合金構件301及金屬構件302進行通電。如此的話，藉由焦耳熱加熱碳板311、311及鋁合金構件301與金屬構件302，而固相擴散接合鋁合金構件301與金屬構件302。
於上述的通電加熱法中，由於直接通電加熱鋁合金構件301及金屬構件302，故可使升溫速度例如成為30~100℃/min之比較快速，可以短時間進行固相擴散接合。藉此，接合面的氧化之影響小，例如亦可於大氣環境中接合。又，藉由鋁合金構件301及金屬構件302之電阻值或比熱，亦可能在此等鋁合金構件301及金屬構件302中產生溫度差之狀態下進行接合，可縮小熱膨脹之差，謀求熱應力之減低。
此處，於上述的通電加熱法中，一對的電極312、312造成的加壓荷重較佳為設在30kgf/cm2以上100kgf/cm2以下(2.94MPa以上9.81MPa以下)之範圍內。上述加壓荷重更佳為設在50kgf/cm2以上80kgf/cm2以下(4.90MPa以上7.85MPa以下)，惟不受此所限定。
又，採用通電加熱法時，鋁合金構件301及金屬構件302的表面粗糙度較佳為算術平均粗糙度Ra係設在0.3μm以上0.6μm以下，而且最大高度Rz係設在1.3μm以上2.3μm以下之範圍內。於通常的固相擴散接合中，接合面的表面粗糙度小者為佳，但於通電加熱法之情況中，接合面的表面粗糙度若過小，則界面接觸電阻降低，難以局部地加熱接合界面，故較佳為設在上述之範圍內。
再者，於第一實施形態的金屬層/散熱器接合步驟S05中亦可使用上述的通電加熱法，但當時由於陶瓷基板11為絕緣體，故例如有以由於碳所成的夾具等將碳板311、311短路之必要。接合條件係與上述鋁構件301和銅構件302之接合同樣。
關於金屬層13(Cu層13B)與散熱器31之表面粗糙度，係與上述鋁構件301及銅構件302之情況同樣。
[實施例]
以下，說明為了確認本發明之效果而進行的確認實驗之結果。
(試驗片之製作)
研削表1中所示之鋁合金板(50mm×50mm，厚度5mm)的一面直到成為表1記載之冷硬層的厚度為止，於其面上，藉由上述實施形態中記載之方法固相擴散接合表1中所示的金屬板(40mm×40mm，厚度係參照表1)。
於本發明例1-5及比較例1-3中，在層合方向中以15kgf/cm2(1.47MPa)之荷重按壓鋁合金板與金屬板，於真空加熱爐中在500℃、180min之條件下實施固相擴散接合。
於本發明例6-10中，藉由圖11中所示的通電加熱法固相擴散接合鋁合金板與金屬板。再者，將電極造成的加壓荷重設為15kgf/cm2(1.47MPa)，將加熱溫度(銅板溫度)設為510℃，將在加熱溫度的保持時間設為5min，將升溫速度設為80℃/min。又，將接合環境設為大氣環境。
(接合前的鋁合金板中之冷硬層的厚度)
於接合前進行鋁板之觀察，如以下地測定在接合面側所形成之冷硬層的厚度。
首先，使用EPMA(日本電子股份有限公司製JXA-8530F)，對鋁板的表面，於視野360μm□、加速電壓15kV、Si等高(contour)水準0~1000之條件下，實施Si的面分析，得到圖12(a)所示的Si分布影像。
將所得之Si分布影像轉換成8位元灰階，得到如圖 12(b)所示的Si分布影像。
接著，根據Kapur-Sahoo-Wong(Maximum Entropy)thresholding mrthod(Kapur,JN；Sahoo,PK；Wong,ACK(1985)、“A New Method for Gray-LeveI Picture Thresholding Using the Entropy of the Histogram”,Graphical Models and Image Processing 29(3)：273-285參照)，如圖12(c)所示，將Si分布影像予以2值化。
隨後，如圖12(d)所示，自經2值化的影像，藉由橢圓近似抽出Si相的輪廓。
根據已抽出Si相的輪廓之影像，使用由橢圓近似所求得的長徑及短徑，自下述式算出縱橫比及結晶粒徑。
縱橫比=長徑/短徑
結晶粒徑=長徑
然後，於360μm2的面積內，求得滿足縱橫比2.5以下且結晶粒徑為15μm以下之條件(以下，僅表示條件)的粒子之個數與不滿足前述條件的粒子之個數，求得滿足條件的個數/不滿足條件的個數。
以上述之測定方法，自鋁板表面朝向板內部在每10μm進行測定，將滿足條件的個數/不滿足條件的個數為3以上之部分定義為冷硬層，求得厚度。
表1中顯示評價結果。
(接合後之鋁合金板與金屬板的接合界面中之冷硬層的厚度)
進行經固相擴散接合的鋁合金板與金屬板之接合體的剖面觀察，如以下地測定在接合界面所形成之冷硬層的厚度。
使用EPMA(日本電子股份有限公司製JXA-8530F)，觀察接合體的接合界面，求得往鋁合金板內部成長之Al與金屬板的金屬元素(Cu、Ni、Ag)之金屬間化合物的厚度，自接合前之冷硬層的厚度扣除前述Al與金屬板的金屬元素(Cu、Ni、Ag)之金屬間化合物的厚度，將所得之厚度當作接合後之冷硬層的厚度。
再者，金屬間化合物的厚度係在接合體的厚度方向中線分析接合界面，Al的濃度係在使用銅作為金屬板時為65at%~70at%，在使用鎳作為金屬板時為55at%~80at%，在使用銀作為金屬板時為20at%~45at%之範圍，被視為金屬間化合物，測定其厚度。
表1中顯示評價結果。
(熱循環試驗)
接著，於如此所製造的接合體中，實施熱循環試驗。使用冷熱衝撃試驗機ESPEC公司製TSB-51，對於試驗片(附散熱器電源模組)，在液相(Fluorinert)中，實施4000次的於-40℃ 5分鐘且於150℃ 5分鐘之熱循環。
然後，如以下地評價熱循環試驗前的接合體之層合方向的熱阻及熱循環試驗後的接合體之層合方向的熱阻。
(熱阻之測定)
將加熱器晶片(13mm×10mm×0.25mm)焊接於金屬板之表面，將鋁合金板焊接接合於冷卻器。接著，以100W之電力將加熱器晶片加熱，使用熱電偶，實測加熱器晶片的溫度。又，實測流通冷卻器的冷卻介質(乙二醇：水=9：1)之溫度。然後，將加熱器晶片的溫度與冷卻介質的溫度差除以電力，將所得之值當作熱阻。
再者，將不形成冷硬層而固相擴散接合有鋁合金板與銅板的比較例1之熱循環前的熱阻當作基準1，以與此比較例1的比率評價熱阻。表1中顯示評價結果。
於不形成冷硬層而固相擴散接合有鋁合金板與金屬板(銅板)的比較例1中，確認熱阻大於本發明例。又，比較使用鎳作為金屬板的比較例2與本發明例4及9，確認比較例2的熱阻變大。同樣地比較使用銀作為金屬板的比較例3與本發明例5及10，確認比較例3的熱阻變大。推測此等係因為形成克肯達孔洞。
相對於其，於接合前之冷硬層的厚度及接合後之冷硬層的厚度在本發明之範圍內的本發明例中，確認熱阻小於比較例。推測藉由使適當厚度的冷硬層介於之間存在，而抑制構成金屬板的金屬元素之擴散，抑制克肯達孔洞之發生。
又，於採用通電加熱法的本發明例6-10中，即使在大氣中接合，也良好地接合鋁合金板與金屬板。
由以上之結果確認，依照本發明，可良好地接合由固相線溫度比較低的鋁合金所成之鋁合金構件與由銅、鎳或銀所成之金屬構件，得到層合方向的熱阻低之接合體。
[產業上的利用可能性]
依照本發明，可良好地接合由固相線溫度比較低的鋁合金所成之鋁合金構件與由銅、鎳或銀所成之金屬構件，提供層合方向的熱阻低之接合體、具備此接合體的附散熱器電源模組用基板及散熱器、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。
1‧‧‧電源模組
2‧‧‧焊層
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
30‧‧‧附散熱器電源模組用基板
31‧‧‧散熱器
32‧‧‧流路

Claims (9)

  1. 一種接合體，其係將由銅、鎳或銀所成的金屬構件與由固相線溫度未達構成前述金屬構件的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金所成的鋁合金構件予以接合而成之接合體，其特徵為：前述鋁合金構件與前述金屬構件係被固相擴散接合，於前述鋁合金構件中之與前述金屬構件的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm以上。
  2. 一種附散熱器電源模組用基板，其係具備絕緣層、形成在此絕緣層的一面上之電路層、形成在前述絕緣層的另一面上之金屬層、及配置在此金屬層之與前述絕緣層相反側的面上之散熱器的附散熱器電源模組用基板，其特徵為：前述金屬層中之與前述散熱器的接合面係以銅、鎳或銀構成，前述散熱器中之與前述金屬層的接合面係以固相線溫度未達前述金屬層之構成前述接合面的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金構成，前述散熱器與前述金屬層係被固相擴散接合，於前述散熱器中之與前述金屬層的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層， 前述冷硬層的厚度為50μm以上。
  3. 一種散熱器，其係具備散熱器本體與前述金屬構件層之散熱器，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未達構成前述金屬構件層的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金構成，於前述散熱器本體中之與前述金屬構件層的接合界面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，前述冷硬層的厚度為50μm以上。
  4. 一種接合體的製造方法，其係將由銅、鎳或銀所成的金屬構件與由固相線溫度未達構成前述金屬構件的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金所成的鋁合金構件予以接合而成之接合體的製造方法，其特徵為：在接合前的前述鋁合金構件中，於與前述金屬構件的接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上，固相擴散接合該鋁合金構件與前述金屬構件。
  5. 如請求項4之接合體的製造方法，其中藉由層合前述鋁合金構件與前述金屬構件，一邊往層合方向加壓一邊通電加熱，而固相擴散接合前述鋁合金構件與前述金屬構件。
  6. 一種附散熱器電源模組用基板的製造方法，其係具 備絕緣層、形成在此絕緣層的一面上之電路層、形成在前述絕緣層的另一面上之金屬層、及配置在此金屬層之與前述絕緣層相反側的面上之散熱器的附散熱器電源模組用基板的製造方法，其特徵為：前述金屬層中之與前述散熱器的接合面係以銅、鎳或銀構成，前述散熱器中之與前述金屬層的接合面係以固相線溫度未達前述金屬層之構成前述接合面的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金構成，在接合前的前述散熱器中，於與前述金屬層的接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上，固相擴散接合該散熱器與前述金屬層。
  7. 如請求項6之附散熱器電源模組用基板的製造方法，其中藉由層合前述散熱器與前述金屬層，一邊往層合方向加壓一邊通電加熱，而固相擴散接合前述散熱器與前述金屬層。
  8. 一種散熱器的製造方法，其係具備散熱器本體與前述金屬構件層之散熱器的製造方法，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未達構成前述金屬構件層的金屬元素與鋁之共晶溫度的鋁合金構成，在接合前的前述散熱器本體中，於與前述金屬構件層 的接合面側，形成分散有結晶粒的縱橫比為2.5以下且結晶粒徑為15μm以下的Si相之冷硬層，同時將此冷硬層的厚度設為80μm以上，固相擴散接合該散熱器本體與前述金屬構件層。
  9. 如請求項8之散熱器的製造方法，其中藉由層合前述散熱器本體與前述金屬構件層，一邊往層合方向加壓一邊通電加熱，而固相擴散接合前述散熱器本體與前述金屬構件層。
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017102026A1 (de) * 2016-02-05 2017-08-10 Waters Technologies Corporation Kalorimeter mit diffusionsverschweisstem Block
WO2018155014A1 (ja) * 2017-02-23 2018-08-30 日本碍子株式会社 絶縁放熱基板
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
JP7048304B2 (ja) * 2017-12-22 2022-04-05 上村工業株式会社 耐熱用パワーモジュール基板及び耐熱用めっき皮膜
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
JP6911805B2 (ja) * 2018-03-27 2021-07-28 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法
JP7159620B2 (ja) * 2018-05-30 2022-10-25 富士電機株式会社 半導体装置、冷却モジュール、電力変換装置及び電動車両
JP7167642B2 (ja) * 2018-11-08 2022-11-09 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
TW202027978A (zh) * 2018-11-28 2020-08-01 日商三菱綜合材料股份有限公司 接合體、附散熱片的絕緣電路基板、及散熱片
KR20240091000A (ko) * 2018-12-21 2024-06-21 닛폰 하츠죠 가부시키가이샤 접합 방법 및 접합체
JP2021076297A (ja) * 2019-11-08 2021-05-20 日本電産株式会社 熱伝導部材
US11828546B2 (en) 2019-11-21 2023-11-28 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Heat exchange compound module
EP4062159A1 (en) * 2019-11-21 2022-09-28 TA Instruments-Waters LLC Isothermal calorimeter
JP2022048812A (ja) * 2020-09-15 2022-03-28 Ｄｏｗａメタルテック株式会社 放熱部材およびその製造方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04288983A (ja) 1991-01-21 1992-10-14 Hakusan Seisakusho:Kk アルミニウム材と銅材との圧接方法
JP3171234B2 (ja) 1997-03-26 2001-05-28 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付セラミック回路基板
JP3922166B2 (ja) 2002-11-20 2007-05-30 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並びにパワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP4322081B2 (ja) 2003-09-26 2009-08-26 国立大学法人 新潟大学 アルミニウム合金ダイカスト部材の接合方法
JP4737116B2 (ja) 2007-02-28 2011-07-27 株式会社日立製作所 接合方法
JP5020889B2 (ja) 2008-05-26 2012-09-05 株式会社豊田中央研究所 Ａｌ合金ダイカスト鋳物およびその製造方法
JP5355320B2 (ja) * 2009-09-10 2013-11-27 日産自動車株式会社 アルミニウム合金鋳物部材及びその製造方法
JP5629130B2 (ja) 2010-06-07 2014-11-19 株式会社Uacj 金属材料の接合方法
JP3171234U (ja) 2011-08-09 2011-10-20 正宜 田辺 簡易温室
JP5991102B2 (ja) 2012-09-14 2016-09-14 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、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
EP2911192B1 (en) 2012-10-16 2021-05-05 Mitsubishi Materials Corporation Substrate for power module with heat sink, power module with heat sink, and method for producing substrate for power module with heat sink
JP6307832B2 (ja) 2013-01-22 2018-04-11 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、ヒートシンク付パワーモジュール
TWI604574B (zh) 2013-03-14 2017-11-01 三菱綜合材料股份有限公司 接合體、電源模組用基板及附散熱片之電源模組用基板

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