TW201935640A - 附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法 - Google Patents

附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法 Download PDF

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TW201935640A
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layer
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substrate
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山﨑和彦
増山弘太郎
沼達也
石川雅之
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日商三菱綜合材料股份有限公司
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Abstract

一種附散熱器的功率模組用基板(10)，具備：功率模組用基板(20)，其係具備：絕緣基板(21)、形成在絕緣基板(21)的其中一方的面之電路層(22)、和形成在絕緣基板(21)的另一方的面之金屬層(23)；以及散熱器(40)，其係，介隔著接合層(30)被接合到與功率模組用基板(20)的金屬層(23)的絕緣基板(21)為相反側的面；其特徵為：接合層(30)為銀粒子的燒結體，乃是相對密度為60%以上90%以下的範圍內之多孔質體，厚度在10μm以上500μm以下的範圍內。

Description

附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法
本發明有關附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法。
本案係根據2017年11月6日在日本申請的特願2017-213917號申請案主張優先權，並援用其內容於此。
用在逆變器等的功率半導體元件，係作動時的發熱量大。為此，作為安裝功率半導體元件的基板，乃是被使用為功率模組用基板，其係具備：利用高耐熱性的陶瓷所製成的絕緣基板、形成在該絕緣基板的其中一方的面的電路層、以及形成在絕緣基板的另一方的面的金屬層。
在該功率模組用基板中，把功率半導體元件安裝到電路層，介隔著導熱材使散熱器接觸到金屬層，把在功率半導體元件產生出的熱散熱到散熱器。
作為導熱材，廣泛利用導熱性高的膏狀物。在介隔著該膏狀物，使功率模組用基板與散熱器接觸的情況下，藉由因功率半導體元件的ON/OFF等所引起的冷熱循環，在功率模組用基板產生翹曲的話，在功率模組用基板與膏狀物之間產生間隙，是有功率模組用基板與散熱器之間的導熱性下降之虞。
為此，檢討有把功率模組用基板的金屬層與散熱器，用焊料材來直接接合之情事。在專利文獻1記載有，把功率模組用基板與散熱器，用Sn-Ag系、Sn-In系、或者是Sn-Ag-Cu系等的各種焊料材來接合之附散熱器的功率模組用基板。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2014-222788號專利公報(A)
[發明欲解決之課題]
把功率模組用基板與散熱器用焊料材來接合之習知的附散熱器的功率模組用基板，係長期間負載在冷熱循環的話，因為藉由功率模組用基板與散熱器之間的線膨脹係數的差所產生的內部應力，焊料材破損，是有功率模組用基板與焊料材之間的導熱性部分下降的情況。產生該部分的導熱性下降的話，功率模組用基板與散熱器之間的熱阻增加，在功率模組用基板內熱變得容易積蓄，而且半導體元件的溫度增大，對功率模組用基板會有損傷，是有產生絕緣基板的破裂之可能性。
該發明係有鑑前述的情事而為之創作，其目的在於提供一種附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法，係可以長時間抑制冷熱循環的負載所致之熱阻的增加或絕緣基板的破裂的產生。

[解決課題之手段]
為了解決上述的課題，本發明的附散熱器的功率模組用基板，具備：功率模組用基板，其係具備：絕緣基板、形成在該絕緣基板的其中一方的面之電路層、和形成在前述絕緣基板的另一方的面之金屬層；以及散熱器，其係，介隔著接合層被接合到與前述功率模組用基板的前述金屬層的前述絕緣基板為相反側的面；其特徵為：前述接合層為銀粒子的燒結體，乃是相對密度為60%以上90%以下的範圍內之多孔質體，厚度在10μm以上500μm以下的範圍內。
根據這樣的構成之本發明的附散熱器的功率模組用基板，接合層係用銀粒子的燒結體構成的緣故，所以熔點高，難以熔解。而且，構成接合層的銀粒子的燒結體，乃是相對密度為60%以上90%以下的範圍內的多孔質體，而且厚度為10μm以上500μm以下的範圍內的緣故，在冷熱循環負載時，因功率模組用基板與散熱器之間的線膨脹係數的差所產生的內部應力被緩和，接合層難以破損。因此，本發明的附散熱器的功率模組用基板，係可以長時間抑制冷熱循環的負載所致之熱阻的增加或絕緣基板的破裂的產生。
在此，較佳的是，本發明的附散熱器的功率模組用基板中，前述金屬層，係用利用鋁或是鋁合金所製成的鋁板、或者是利用銅或是銅合金所製成的銅板所構成。
該情況下，金屬層係用利用鋁或是鋁合金所製成的鋁板、或者是利用銅或是銅合金所製成的銅板所構成的緣故，熱導電性高，可以有效率地使在安裝到電路層的半導體元件所產生出的熱傳遞到散熱器。
而且，較佳的是，本發明的附散熱器的功率模組用基板中，在前述金屬層係用前述鋁板所構成的情況下，在與前述鋁板的前述絕緣基板為相反側的面形成銀鍍覆層或是金鍍覆層。
該情況下，在與鋁板(金屬層)的絕緣基板為相反側的面形成銀鍍覆層或是金鍍覆層的緣故，金屬層與接合層(銀粒子的燒結體)的接合力變高。
本發明的附散熱器的功率模組用基板的製造方法，乃是上述的附散熱器的功率模組用基板的製造方法，其中，該附散熱器的功率模組用基板的製造方法，具備：糊狀接合材組成物層形成工序，其係在與功率模組用基板的前述金屬層的前述絕緣基板為相反側的面、及散熱器中至少其中一方的表面，形成以70質量%以上95質量%以下的範圍內的量含有平均粒徑為0.1μm以上1μm以下的範圍內的銀粒子之糊狀接合材組成物的層，該功率模組用基板具備絕緣基板、形成在該絕緣基板的其中一方的面之電路層、及形成在前述絕緣基板的另一方的面之金屬層；層疊工序，其係介隔著前述糊狀接合材組成物的層，層疊前述功率模組用基板與前述散熱器；以及加熱工序，其係以在層積方向1MPa以下的壓力下，用150℃以上300℃以下的溫度，加熱層疊了前述功率模組用基板與前述散熱器。
根據這樣的構成之本發明的附散熱器的功率模組用基板的製造方法，把功率模組用基板與散熱器，介隔著包含有平均粒徑為0.1μm以上1μm以下的範圍內的銀粒子為70質量%以上95質量%以下的範圍內的量之糊狀接合材組成物的層而層疊出的層積體，在層積方向上1MPa以下的壓力下，用150℃以上300℃以下的溫度加熱的緣故，不會讓銀粒子過於緻密化，而且可以確實燒結。經此，在功率模組用基板的金屬層與散熱器之間，可以產生出銀粒子的燒結體也就是相對密度為60%以上90%以下的範圍內之多孔質體之接合層。

[發明效果]
根據本發明，可以提供一種附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法，係可以長時間抑制冷熱循環的負載所致之熱阻的增加或絕緣基板的破裂的產生。
以下，有關本發明的實施方式，參閱添附的圖面說明之。
圖1為使用發明的一實施方式之附散熱器的功率模組用基板之功率模組的概略說明圖。
圖1中，功率模組1，具備：附散熱器的功率模組用基板10、以及介隔著焊料層2被接合到附散熱器的功率模組用基板10的其中一方側(於圖1中上側)的面之半導體元件3。在此，焊料層2，例如是Sn-Ag系、Sn-In系、或者是Sn-Ag-Cu系的焊料材(所謂的無鉛焊料材)。
附散熱器的功率模組用基板10，具備：功率模組用基板20、以及介隔著接合層30被接合的散熱器40。
功率模組用基板20，具有：絕緣基板21、形成在絕緣基板21的其中一方的面之電路層22、以及形成在絕緣基板21的另一方的面之金屬層23。
絕緣基板21，乃是防止電路層22與金屬層23之間的電性連接者，例如用AlN(氮化鋁)、Si3 N4 (氮化矽)、Al2 O3 (氧化鋁)等的絕緣性的高的陶瓷來構成。而且，絕緣基板21的厚度，係設定在0.2mm以上1.5mm以下的範圍內，在本實施方式中設定為0.635mm。
電路層22，係在絕緣基板21的其中一方的面(於圖1中上表面)，接合利用鋁或是鋁合金所製成的鋁板，或者是利用銅或是銅合金所製成的銅板，經此，所構成者。作為鋁板，可以使用純度99質量%以上的鋁(A1050、A1080等)及純度99.99質量%以上的高純度鋁(4N-Al)。作為銅板，可以使用無氧銅及純度99.9999質量%以上的高純度銅(6N-Cu)。電路層22的厚度係設定在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，在本實施方式中，設定為0.3mm。而且，在該電路層22，形成電路圖案，該其中一方的面(於圖1中上表面)，係作為搭載半導體元件3之搭載面22A。尚且，在本實施方式中，在電路層22的搭載面22A與焊料層2之間，也可以設有鎳鍍覆層(未圖示)。
金屬層23，係在絕緣基板21的另一方的面(於圖1中下表面)，接合利用鋁或是鋁合金所製成的鋁板、或者是利用銅或是銅合金所製成的銅板，經此，所構成者。作為鋁板，可以使用純度99質量%以上的鋁(A1050、A1080等)及純度99.99質量%以上的高純度鋁(4N-Al)。作為銅板，可以使用無氧銅及純度99.9999質量%以上的高純度銅(6N-Cu)。金屬層23的厚度係設定在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，在本實施方式中，設定為0.3mm。
在本實施方式中，與金屬層23的絕緣基板21側為相反側的面，係作為介隔著接合層30接合散熱器40之接合面23A。尚且，在金屬層23用鋁板來構成的情況下，在接合面23A設有銀鍍覆層或是金鍍覆層(未圖示)者為佳。藉由設置銀鍍覆層或是金鍍覆層，金屬層23與接合層30之間的接合力變強，可以使附散熱器的功率模組用基板的可靠性更進一步提升。銀鍍覆層及金鍍覆層的厚度為0.05μm以上1μm以下的範圍內者為佳。尚且，也在金屬層23用銅板來構成的情況下，也可以在接合面23A設置銀鍍覆層或是金鍍覆層。
散熱器40，係用於冷卻前述的功率模組用基板20者。散熱器40，係該其中一方的面(於圖1中上表面)，作為介隔著接合層30與功率模組用基板20的金屬層23接合之頂板部41。在散熱器40的內部，具備流通冷卻媒體之流路42。尚且，除了設置流路42，也可以把散熱器40的頂板部41以外的面作為鰭片構造。
散熱器40，係利用鋁或是鋁合金或者是銅或是銅合金所構成。在本實施方式中，散熱器40係利用鋁合金所構成。作為鋁合金，可以使用A3003合金、A1100合金、A3003合金、A5052合金、A7N01合金、A6063合金。散熱器40的頂板部41的表面，也可以設有銀鍍覆層或是金鍍覆層(未圖示)。藉由設置銀鍍覆層或是金鍍覆層，散熱器40與接合層30之間的接合力變強，可以使附散熱器的功率模組用基板的可靠性更進一步提升。
接合層30，係用銀粒子的燒結體所構成。細微的銀粒子係用比較低溫來進行燒結，但是，其銀粒子的燒結體係提升熱的安定性，在用通常的功率半導體元件所產生的熱之下是不會熔解的。而且，構成接合層30之銀粒子的燒結體，乃是具有多數個氣孔之多孔質體，相對密度為60%以上90%以下的範圍內，較佳為62%以上90%以下，更佳為80%以上88%以下的範圍內。藉由該接合層30內的氣孔，接合層30，係與大量(bulk)的銀相比，彈性係數變低，在冷熱循環負載時，緩和因功率模組用基板20與散熱器40之間的線膨脹係數的差所產生的內部應力。為此，接合層30，係在冷熱循環負載時難以破損。相對密度未達60%的話，燒結體也就是接合層30的機械強度下降，在冷熱循環負載時，會有在接合層30產生破損之虞。另一方面，相對密度超過90%的話，接合層30的彈性係數係與大量的銀為同樣程度，是有冷熱循環負載時的接合層30所致之內部應力的緩和功能下降之虞。尚且，接合層30的相對密度，乃是相對於銀的真密度之接合層30的密度(實測值)的百分比。
接合層30，係厚度為10μm以上500μm以下的範圍內。接合層30的厚度未達10μm的話，冷熱循環負載時的接合層30內的內部應力的緩和能力下降，是有在接合層30產生破損之虞。另一方面，接合層30的厚度超過500μm的話，接合層30的機械強度下降，是有在冷熱循環負載時在接合層30產生破損之虞。
接合層30的理想上厚度為10μm以上100μm以下的範圍內的厚度，更佳為15μm以上50μm以下的範圍內的厚度。
接著，關於本實施方式之附散熱器的功率模組用基板的製造方法，參閱圖2說明之。
圖2，為本發明的一實施方式之附散熱器的功率模組用基板的製造方法的流程圖。本發明的一實施方式之附散熱器的功率模組用基板的製造方法，具備：糊狀接合材組成物層形成工序S01、層疊工序S02、以及加熱工序S03。
(糊狀接合材組成物層形成工序S01)
在糊狀接合材組成物層形成工序S01中，在與功率模組用基板的金屬層的絕緣基板為相反側的面及散熱器的中至少其中一方的表面，形成糊狀接合材組成物的層。作為形成糊狀接合材組成物的層之方法，係可以使用塗布法、浸漬法等的方法。後述的加熱工序S03中，藉由加熱糊狀接合材組成物層來產生接合層30。
糊狀接合材組成物，係包含：溶媒與銀粒子。
糊狀接合材組成物的溶媒，係在後述的加熱工序S03中，只要是可以蒸發去除的話，並沒有特別限制。作為溶媒，係例如，可以使用醇系溶媒、乙二醇系溶媒、醋酸系溶媒、碳化氫系溶媒、胺系溶媒。作為醇系溶媒的例子，舉例有：α-萜品醇、異丙基醇。作為乙二醇系溶媒的例子，舉例有：乙烯乙二醇、二乙烯乙二醇、聚乙烯乙二醇。作為醋酸系溶媒的例子，舉例有：乙酸丁基卡必醇(原文名：酢酸ブチルトールカルビテート)。作為碳化氫系溶媒的例子，舉例有：癸烷、十二烷、十四烷。作為胺系溶媒的例子，舉例有：己基胺、辛胺、十二胺。這些溶媒可以單獨使用1種，也可以組合2種以上使用。
作為銀粒子，使用在平均粒徑為0.1μm以上1μm以下的範圍內者。銀粒子的平均粒徑未達0.1μm的話，難以加厚糊狀接合材組成物層的厚度，而且，後述的加熱工序S03中，銀粒子的燒結變得容易進行，會有所產生的接合層30的相對密度變得過高之虞。另一方面，銀粒子的平均粒徑超過1μm的話，後述的加熱工序S03中，銀粒子的燒結變得難以進行，會有所產生的接合層30的相對密度變得過低之虞。理想上銀粒子的平均粒徑的範圍，為0.2μm以上0.5μm以下。
銀粒子，係也可以被覆有用以防止氧化及凝聚的保護材料。作為保護材料，係可以使用碳元素數為2以上8以下的有機物。有機物為羧酸者為佳。作為羧酸的例子，舉例有：乙二醇酸、檸檬酸、蘋果酸、馬來酸、丙二酸、富馬酸、丁二酸、酒石酸。保護材料的含量，係以銀粒子為100質量%時，1質量%以下者為佳。
糊狀接合材組成物的銀粒子的含量，係以糊狀接合材組成物為100質量%時，為70質量%以上95質量%以下的範圍內的量。未達70質量%的話，糊狀接合材組成物的黏度變得過低，難以加厚糊狀接合材組成物層的厚度，而且，後述的加熱工序S03中，銀粒子的燒結變得難以進行，會有所產生的接合層30的相對密度變得過低之虞。另一方面，銀粒子的含量超過95質量%的話，糊狀接合材組成物的黏度變得過高，會有難以形成糊狀接合材組成物層之虞。糊狀接合材組成物的銀粒子的含量，係較佳為70質量%以上90質量%以下的範圍內的量，更佳為85質量%以上90質量%以下的範圍內的量。
糊狀接合材組成物層的厚度，係因糊狀接合材組成物的銀粒子的平均粒徑或含量而異的緣故，所以無法定為一致，但是，在利用後述的加熱工序S03的加熱所產生出的接合層的厚度為10μm以上500μm以下的範圍內的厚度者為佳。理想上，接合層的厚度為10μm以上100μm以下的範圍內之厚度。
(層疊工序S02)
在層疊工序S02中，把功率模組用基板と散熱器，介隔著在糊狀接合材組成物層形成工序S01所形成出的糊狀接合材組成物層，來層疊。介隔在層疊出的功率模組用基板與散熱器之間之糊狀接合材組成物層的厚度為均一者為佳。
(加熱工序S03)
在加熱工序S03中，加熱在層疊工序S02層疊出的功率模組用基板與散熱器之層積體。
層積體的加熱溫度，乃是150℃以上300℃以下，較佳為170℃以上270℃以下的溫度。加熱溫度未達150℃的話，糊狀接合材組成物層的銀粒子燒結變得困難，會有無法形成接合層之虞。另一方面，加熱溫度超過300℃的話，糊狀接合材組成物層的銀粒子的燒結會過剩進行，會有所產生的接合層的相對密度變得過高之虞。
層積體的加熱，係在層積方向為1MPa以下的壓力下進行。也可以不把層積體加壓在層積方向。在用超過1MPa的壓力加壓在層積方向的狀態下加熱層積體的話，銀粒子的燒結會進行過剩，會有所產生的接合層的相對密度變得過高之虞。
藉由如此加熱層積體，糊狀接合材組成物層內的銀粒子燒結，製造出本實施方式之附散熱器的功率模組用基板。
根據以上這般構成的本實施方式之附散熱器的功率模組用基板10，功率模組用基板20的金屬層23，係用利用鋁或是鋁合金所製成的鋁板所構成的緣故，可以把在安裝到電路層22的半導體元件3所產生出的熱更有效率傳遞到散熱器40。而且，接合層30，係用銀粒子的燒結體所構成的緣故，熔點高，難以熔解。更進一步，構成接合層30的銀粒子的燒結體，乃是相對密度為60%以上90%以下的範圍內的多孔質體，而且厚度為10μm以上500μm以下的範圍內的緣故，因冷熱循環負載時的功率模組用基板20與散熱器40之間的線膨脹係數的差所產生的內部應力被緩和，接合層30難以破損。因此，本實施方式之附散熱器的功率模組用基板10，係可以長時間抑制冷熱循環的負載所致之熱阻的增加或絕緣基板21的破裂的產生。
而且，根據本實施方式之附散熱器的功率模組用基板10的製造方法，把功率模組用基板20與散熱器40，介隔著包含有平均粒徑為0.1μm以上1μm以下的範圍內的銀粒子為70質量%以上95質量%以下的範圍內的量之糊狀接合材組成物的層而層疊出的層積體，在層積方向上1MPa以下的壓力下，用150℃以上300℃以下的溫度加熱的緣故，不會讓銀粒子過於緻密化，而且可以確實燒結。經此，在功率模組用基板20的金屬層23與散熱器40之間，可以產生出銀粒子的燒結體也就是相對密度為60%以上90%以下的範圍內之多孔質體之接合層30。
以上，說明了有關本發明的實施方式，但是，本發明不限定於此，在不逸脫其發明的技術的思想的範圍下可以適宜改變。
例如，在本實施方式的附散熱器的功率模組用基板10中，安裝半導體元件3到電路層22，但是，不限定於此，例如，也可以安裝LED等的半導體元件以外的電子零件。

[實施例]
說明有關為了確認本發明的有效性所進行的確認實驗的結果。
[本發明例1]
(1)功率模組用基板的製作
在絕緣基板接合電路層與金屬層，製作出功率模組用基板。絕緣基板的材質為氮化鋁(AlN)。電路層的材質為無氧銅。金屬層的材質為A1050。絕緣基板的尺寸為40mm×40mm，電路層的尺寸為37mm×37mm，金屬層的尺寸為37mm×37mm。
絕緣基板與電路層，係使用利用Ag-27.4質量%Cu-2.0質量%Ti所製成的活性銲料，在10-3 Pa的真空中，以850℃加熱10分鐘，藉此而接合。
絕緣基板與金屬層，係使用利用Al-7.5質量%Si所製成的銲料箔(厚度100μm)，在用12kgf/cm2 (1.2MPa)加壓在層積方向的狀態下，在10-3 Pa的真空中，以650℃加熱30分鐘，藉此而接合。
(2)糊狀接合材組成物的調製
準備乙烯乙二醇(EG)與平均粒徑0.5μm的銀粉。以EG為15質量份、銀粉為85質量份的比例，使用揉合機揉合而調製出糊狀接合材組成物。揉合機所致之揉合，係以2000rpm的旋轉速度轉5分鐘，進行了3回。
(3)附散熱器的功率模組用基板
作為散熱器，準備了50mm×60mm、厚度5mm的A3003合金製，在內部具有冷卻媒體的流路之鋁板。
首先，對以上述(1)製作出的功率模組用基板的金屬層的接合面、以及在準備好的散熱器的頂板部分別施以銀鍍覆，形成了厚度為0.1μm～0.5μm之銀鍍覆層。接著，在散熱器的銀鍍覆層的表面，塗布用(2)所調製出的糊狀接合材組成物，形成了糊狀接合材組成物層。糊狀接合材組成物層的厚度，係決定為利用加熱所產生的接合層的厚度為100μm之厚度。接著，在散熱器的糊狀接合材組成物層之上，搭載功率模組用基板的金屬層的銀鍍覆層，層疊了功率模組用基板與散熱器。接著，把功率模組用基板與散熱器的層積體投入到加熱器，在大氣環境氣體中，以加熱溫度為250℃，不進行朝層積方向的加壓的接合條件下加熱60分鐘，製造出附散熱器的功率模組用基板。
[本發明例2～9及比較例1～11]
把功率模組用基板的電路層及金屬層的材質與鍍覆層的種類、糊狀接合材組成物的接合材的種類、溶媒與接合材的配合量、散熱器的鍍覆層的種類，變更成如下述的表1所表示，把接合功率模組用基板與散熱器之際的接合條件、接合層的厚度，變更成如下述的表2所表示，除此以外，是與本發明例1同樣，製造出了附散熱器的功率模組用基板。尚且，作為比較例11的糊狀接合材組成物的接合材所用的SAC焊料，乃是Sn-Ag-Cu系焊料材。
[評量]
關於以本發明例1～9及比較例1～11所製造出的附散熱器的功率模組用基板，利用下述的方法測定出接合層的厚度與相對密度，而且，對附散熱器的功率模組用基板，利用下述的方法進行冷熱循環試驗，測定出冷熱循環後的基板的破裂與冷熱循環前後的熱阻變化率。其結果表示於表2。
(接合層的厚度)
使用測微計(比長儀)，事先測量出功率模組用基板與散熱器的厚度，再測量出接合後的附散熱器的功率模組用基板全體的厚度。把從附散熱器的功率模組用基板全體的厚度減去了事先測量出的功率模組用基板與散熱器的厚度後所得的值，作為接合層的厚度。
(接合層的相對密度)
從附散熱器的功率模組用基板，選取了接合層。計測選取出的接合層的尺寸，求出了從計測出的尺寸與利用上述的方法測定出的接合層的厚度所選取出的接合層的體積。接著，把該選取出的接合層，用硝酸熔解掉。從得到的熔解液的體積與銀濃度，求出在選取出的接合層所包含的銀的質量。
接著，使用選取出的接合層的體積與銀的質量，利用下述的式子算出了接合層的相對密度。
接合層的相對密度(%)=｛(銀的質量/接合層的體積)/銀的真密度｝×100
(冷熱循環試驗)
冷熱循環試驗，係以下述的條件來進行。評量了3000次循環後的絕緣基板的破裂的有無。其結果表示於表2。
評量裝置：ESPEC股份有限公司製TSB-51
液相：Fluorinert
溫度條件：-40℃×5分　←→　125℃×5分
(熱阻的測定)
把加熱器晶片安裝到附散熱器的功率模組用基板的電路層，在散熱器的流路使冷卻媒體[乙烯乙二醇：水=9：1(質量比)]流通。接著，用100W的電力加熱加熱器晶片。使用熱電耦，測定出加熱器晶片的溫度、以及流通在散熱器的冷卻媒體的溫度。接著，加熱器晶片的溫度與冷卻媒體的溫度差除以電力所得出的值為熱阻。在冷熱循環試驗的前後，熱阻的變化率為5%以下者判定為「A」，超過5%者判定為「B」。把該判定結果表示於表2。尚且，以下表示測定條件。
溫度差：80℃
溫度範圍：55℃～135℃(用IGBT元件內的溫度感測二極體測定)
通電時間：6秒
冷卻時間：4秒
(接合層的構造)
把附散熱器的功率模組用基板，沿層積方向切斷，把接合層的切斷面，使用SEM(掃描型電子顯微鏡)觀察之。
於圖3，表示用本發明例9製造出的附散熱器的功率模組用基板的接合層的剖面的SEM照片。從圖3的SEM照片，確認到接合層為銀粒子的燒結體，為具有多數個氣孔之多孔質體。尚且，關於用本發明例1～8製造出的附散熱器的功率模組用基板的接合層也是同樣，確認到為銀粒子的燒結體，為具有多數個氣孔之多孔質體。
使用銀粒子的平均粒徑比本發明的範圍還小的糊狀接合材組成物製造出的比較例1的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度比本發明的範圍還高。此乃是，因為銀粒子細微，推測出銀粒子的燒結變得容易進行的緣故。另一方面，使用銀粒子的平均粒徑比本發明的範圍還大的糊狀接合材組成物製造出的比較例2的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度比本發明的範圍還低。此乃是，推測出銀粒子間的間隙變大的緣故。
使用銀粒子的含量比起本發明的範圍為較少的糊狀接合材組成物製造出的比較例3的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度比本發明的範圍還低。此乃是，因為相對地溶媒的量變多，推測出在銀粒子間變得容易形成間隙的緣故。另一方面，在使用了銀粒子的含量比本發明的範圍還多的糊狀接合材組成物之比較例4中，無法讓糊狀接合材組成物層，形成在散熱器的頂板部。此乃是，推測出糊狀接合材組成物的黏度變得過高的緣故。
在層積體的加熱溫度比本發明的範圍還低的比較例5中，無法形成接合層。此乃是，銀粒子沒有燒結的緣故。另一方面，以層積體的加熱溫度比本發明的範圍還高的接合條件所製造出的比較例6的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度變得比本發明的範圍還高。推測出此乃是，銀粒子的燒結過剩地進行的緣故。更進一步，以在層積方向賦予比本發明的範圍還大的壓力之接合條件所製造出的比較例7的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度變得比本發明的範圍還高。推測出此乃是，在銀粒子彼此強力緊接的狀態下進行燒結的緣故。
相對於此，糊狀接合材組成物的銀粒子的平均粒徑與含量為本發明的範圍、層積體的加熱溫度與賦予在層積方向的壓力為本發明的範圍之本發明例1～9中，得到的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度落在本發明的範圍。
而且，接合層的相對密度比本發明的範圍還大的比較例1、6、7，係熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層的彈性係數係與大量的銀為同樣程度，接合層所致之內部應力的緩和功能下降，在冷熱循環負載時接合層破損的緣故。另一方面，接合層的相對密度比本發明的範圍還低的比較例2、3也還是熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層的機械強度下降，於冷熱循環負載時，在接合層產生了破損的緣故。
而且，接合層的厚度比本發明的範圍還薄的比較例8係熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層所致之內部應力的緩和功能下降，在冷熱循環負載時接合層破損的緣故。另一方面，接合層的厚度比本發明的範圍還厚的比較例9也還是熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層的機械強度下降，在冷熱循環負載時接合層破損的緣故。
而且，在取代銀粒子而使用了銅粒子之比較例10中，以350℃的加熱溫度是無法形成接合層。另一方面，在取代銀粒子而使用了SAC焊料粒子之比較例11中，可以形成了接合層；但是，製造出的附散熱器的功率模組用基板，係熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層(SAC焊料)係耐熱性低，在高溫時機械性的強度下降的結果，經由在冷熱循環負載時因為在功率模組用基板與散熱器之間的線膨脹係數的差所產生的內部應力，接合層發生了破損的緣故。
相對於此，於接合層的相對密度與厚度在本發明的範圍內的發明例1～9中，熱阻變化率小，在冷熱循環後的絕緣基板沒有產生破裂。
從以上，根據本發明例，確認到了可以提供可以長時間抑制冷熱循環的負載所致之熱阻的增加或絕緣基板的破裂的產生之附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法。
[本發明例10]
(1)功率模組用基板的製作
在絕緣基板接合電路層與金屬層，製作出功率模組用基板。絕緣基板的材質為氮化矽(Si3 N4 )。電路層的材質為無氧銅。金屬層的材質為純度99.9999質量%以上的高純度銅(6N-Cu)。絕緣基板的尺寸為40mm×40mm，電路層的尺寸為37mm×37mm，金屬層的尺寸為37mm×37mm。
分別在電路層與絕緣基板之間及絕緣基板與金屬層之間，配設利用Ag-27.4質量%Cu-2.0質量%Ti所製成的活性銲料。接著，依照電路層、絕緣基板、金屬層的順序層疊，在把所得到的層積體用49kPa(0.5kgf/cm2 )的壓力加壓在層積方向的狀態下，在10-3 Pa的真空中，以850℃加熱10分鐘而接合，製作出功率模組用基板。
(2)糊狀接合材組成物的調製
與本發明例1同樣，調製出包含乙烯乙二醇(EG)15質量份、以及平均粒徑0.5μm的銀粉85質量份之糊狀接合材組成物。
(3)附散熱器的功率模組用基板的製造
準備了50mm×60mm×5mmt的A3003合金製、在內部具有冷卻媒體的流路之鋁板，作為散熱器。
首先，對以上述(1)製作出的功率模組用基板的金屬層的接合面、以及在準備好的散熱器的頂板部分別施以銀鍍覆，形成了厚度為0.1～0.5μm之銀鍍覆層。接著，在散熱器的銀鍍覆層的表面，塗布用(2)所調製出的糊狀接合材組成物，形成了糊狀接合材組成物層。糊狀接合材組成物層的厚度，係決定為利用加熱所產生的接合層的厚度為50μm之厚度。接著，在散熱器的糊狀接合材組成物層之上，搭載功率模組用基板的金屬層的銀鍍覆層，層疊了功率模組用基板與散熱器。接著，把功率模組用基板與散熱器的層積體投入到加熱器，在大氣環境氣體中，以加熱溫度為200℃，不進行朝層積方向的加壓的接合條件下加熱60分鐘，製造出附散熱器的功率模組用基板。
[本發明例11～18及比較例12～21]
把功率模組用基板的電路層的材質、糊狀接合材組成物的接合材的種類、溶媒與接合材的配合量、散熱器的鍍覆層的種類，變更成如下述的表3所表示，把接合功率模組用基板與散熱器之際的接合條件、接合層的厚度，變更成如下述的表4所表示，除此以外，是與本發明例10同樣，製造出了附散熱器的功率模組用基板。尚且，在本發明例11中，在金屬層沒有形成了鍍覆層。
[評量]
關於以本發明例10～18及比較例12～24製造出的附散熱器的功率模組用基板，與本發明例1同樣，測定了接合層的厚度與相對密度、附散熱器的功率模組用基板的冷熱循環試驗後的熱阻變化率與基板破裂。其結果表示於表4。
而且，關於以本發明例10～18製造出的附散熱器的功率模組用基板，係與本發明例1同樣，觀察了接合層的構造。
於圖4，表示用本發明例17製造出的附散熱器的功率模組用基板的接合層的剖面的SEM照片。從圖4的SEM照片，確認到接合層為銀粒子的燒結體，為具有多數個氣孔之多孔質體。尚且，關於用本發明例10～16、18製造出的附散熱器的功率模組用基板的接合層也是同樣，確認到為銀粒子的燒結體，為具有多數個氣孔之多孔質體。
使用銀粒子的平均粒徑比本發明的範圍還小的糊狀接合材組成物製造出的比較例12的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度比本發明的範圍高。此乃是，因為銀粒子細微，推測出銀粒子的燒結變得容易進行的緣故。另一方面，使用銀粒子的平均粒徑比本發明的範圍還大的糊狀接合材組成物製造出的比較例13的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度比本發明的範圍還低。此乃是，推測出銀粒子間的間隙變大的緣故。
使用銀粒子的含量比起本發明的範圍為較少的糊狀接合材組成物製造出的比較例14的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度比本發明的範圍還低。此乃是，因為相對地溶媒的量變多，推測出在銀粒子間變得容易形成間隙的緣故。
以層積體的加熱溫度比本發明的範圍還高的接合條件所製造出的比較例15的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度變得比本發明的範圍還高。推測出此乃是，銀粒子的燒結過剩地進行的緣故。更進一步，以在層積方向賦予比本發明的範圍還大的壓力之接合條件所製造出的比較例16的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度變得比本發明的範圍還高。推測出此乃是，在銀粒子彼此強力緊接的狀態下進行燒結的緣故。
相對於此，糊狀接合材組成物的銀粒子的平均粒徑與含量為本發明的範圍、層積體的加熱溫度與賦予在層積方向的壓力為本發明的範圍之本發明例10～18中，得到的附散熱器的功率模組用基板，係接合層的相對密度落在本發明的範圍。
而且，接合層的相對密度比本發明的範圍還大的比較例12、15、16，係熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層的彈性係數係與大量的銀為同樣程度，接合層所致之內部應力的緩和功能下降，在冷熱循環負載時接合層破損的緣故。另一方面，接合層的相對密度比本發明的範圍還低的比較例13、14也還是熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層的機械強度下降，於冷熱循環負載時，在接合層產生了破損的緣故。
而且，接合層的厚度比本發明的範圍還薄的比較例17係熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層所致之內部應力的緩和功能下降，在冷熱循環負載時接合層破損的緣故。另一方面，接合層的厚度比本發明的範圍還厚的比較例18也還是熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層的機械強度下降，在冷熱循環負載時接合層破損的緣故。
在取代銀粒子而使用了SAC焊料粒子之比較例19中，製造出的附散熱器的功率模組用基板，係熱阻變化率大，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層(SAC焊料)係耐熱性低，在高溫時機械性的強度下降的結果，經由在冷熱循環負載時因為在功率模組用基板與散熱器之間的線膨脹係數的差所產生的內部應力，接合層發生了破損的緣故。
而且，在加熱溫度為140℃之比較例20中，在冷熱循環後的絕緣基板沒有產生破裂，但是，熱阻變化率變大。推測出此乃是，接合層的相對密度是58%為稍低，接合層的機械的強度為稍低的緣故，在冷熱循環負載時，在接合層產生部分的破裂，作為接合層整體雖然沒有破損，但是，接合層的熱阻上升。另一方面，在加熱溫度為320℃之比較例21中，熱阻變化率變小了，但是，在冷熱循環後的絕緣基板產生了破裂。推測出此乃是，接合層的相對密度是92%為稍高，接合層所致之內部應力的緩和功能為稍稍下降的緣故，在接合層沒有產生破裂或破損，但是，緩和因為功率模組用基板與散熱器之間的線膨脹係數的差所產生的內部應力之作用下降，基板破裂。
相對於此，於接合層的相對密度與厚度在本發明的範圍內的發明例10～18中，熱阻變化率小，在冷熱循環後的絕緣基板沒有產生破裂。
從以上，根據本發明例，確認到了可以提供可以長時間抑制冷熱循環的負載所致之熱阻的增加或絕緣基板的破裂的產生之附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法。

[產業上的可利用性]
根據本發明，可以提供一種附散熱器的功率模組用基板及附散熱器的功率模組用基板的製造方法，係可以長時間抑制冷熱循環的負載所致之熱阻的增加或絕緣基板的破裂的產生。
1‧‧‧功率模組
2‧‧‧焊料層
3‧‧‧半導體元件
10‧‧‧附散熱器的功率模組用基板
20‧‧‧功率模組用基板
21‧‧‧絕緣基板
22‧‧‧電路層
22A‧‧‧搭載面
23‧‧‧金屬層
23A‧‧‧接合面
30‧‧‧接合層
40‧‧‧散熱器
41‧‧‧頂板部
42‧‧‧流路
[圖1]為使用本發明的一實施方式之附散熱器的功率模組用基板之功率模組的概略說明圖。
[圖2]為本發明的一實施方式之附散熱器的功率模組用基板的製造方法的流程圖。
[圖3]為用本發明例9製造出的附散熱器的功率模組用基板的接合層的剖面SEM照片。
[圖4]為用本發明例17製造出的附散熱器的功率模組用基板的接合層的剖面SEM照片。

Claims (4)

  1. 一種附散熱器的功率模組用基板，具備：功率模組用基板，其係具備：絕緣基板、形成在該絕緣基板的其中一方的面之電路層、和形成在前述絕緣基板的另一方的面之金屬層；以及散熱器，其係，介隔著接合層被接合到與前述功率模組用基板的前述金屬層的前述絕緣基板為相反側的面；其特徵為： 前述接合層為銀粒子的燒結體，乃是相對密度為60%以上90%以下的範圍內之多孔質體，厚度在10μm以上500μm以下的範圍內。
  2. 如請求項1的附散熱器的功率模組用基板，其中， 前述金屬層，係用利用鋁或是鋁合金所製成的鋁板、或者是利用銅或是銅合金所製成的銅板所構成。
  3. 如請求項2的附散熱器的功率模組用基板，其中， 前述金屬層，係用前述鋁板所構成，在與前述鋁板的前述絕緣基板為相反側的面形成銀鍍覆層或是金鍍覆層。
  4. 一種如請求項1的附散熱器的功率模組用基板的製造方法，其中， 該附散熱器的功率模組用基板的製造方法，具備： 糊狀接合材組成物層形成工序，其係在與功率模組用基板的前述金屬層的前述絕緣基板為相反側的面、及散熱器中至少其中一方的表面，形成以70質量%以上95質量%以下的範圍內的量含有平均粒徑為0.1μm以上1μm以下的範圍內的銀粒子之糊狀接合材組成物的層，該功率模組用基板具備絕緣基板、形成在該絕緣基板的其中一方的面之電路層、及形成在前述絕緣基板的另一方的面之金屬層； 層疊工序，其係介隔著前述糊狀接合材組成物的層，層疊前述功率模組用基板與前述散熱器；以及 加熱工序，其係以在層積方向1MPa以下的壓力下，用150℃以上300℃以下的溫度，加熱層疊了前述功率模組用基板與前述散熱器。
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