TW201943320A - 附散熱座絕緣電路基板的製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種具備絕緣電路基板、及被接合至此絕緣電路基板的前述金屬層側之散熱座的附散熱座絕緣電路基板的製造方法，前述金屬層，由鋁所構成，前述散熱座，和前述絕緣電路基板之接合面由固相線溫度650℃以下的鋁合金所構成，具備形成合金元素高濃度部之合金元素高濃度部形成工程(S02)、及將散熱座接合之散熱座接合工程(S03)，前述鎧裝材的前述芯材的厚度ta和硬銲材層的厚度tb之比tb/ta被訂為0.1以上0.3以下的範圍內。

Description

附散熱座絕緣電路基板的製造方法
本發明有關一種具備在絕緣層的一方的面形成電路層並且在前述絕緣層的另一方的面形成金屬層而成之絕緣電路基板、及被接合至此絕緣電路基板的前述金屬層側之散熱座(heatsink)的附散熱座絕緣電路基板的製造方法。
本申請案基於2018年3月27日於日本申請之特願2018-059917號而主張優先權，將其內容援用於此。
功率模組、LED模組及熱電模組中，會做成下述構造，即，在絕緣層的一方的面形成由導電材料所成的電路層而成之絕緣電路基板上，接合有功率半導體元件、LED元件及熱電元件。
例如，為了控制風力發電、電動車、混合動力汽車等而使用之大電力控制用的功率半導體元件，因動作時的發熱量多，作為搭載其之基板，以往便廣泛使用具備例如由氮化鋁或氮化矽等所成之陶瓷基板、及在此陶瓷基板的一方的面接合導電性優良的金屬板而形成之電路層的絕緣電路基板。作為絕緣電路基板，亦有人提供在陶瓷基板的另一方的面將金屬板接合而形成有金屬層者。
例如，專利文獻1中，揭示一種在陶瓷基板的一方的面及另一方的面形成由鋁板或銅板所成的電路層及金屬層而成之絕緣電路基板。
又，在絕緣電路基板的另一方的面側，接合有散熱座，而構成為將從半導體元件傳遞至絕緣電路基板側的熱透過散熱座往外部逸散。
作為散熱座的材料，係廣泛利用鋁合金、或例如專利文獻2所示般在以AlSiC為代表之碳化矽質構件中填充鋁或鋁合金而成之鋁基複合材料等的鋁系材料。
當將散熱座以固相線溫度較低的鋁合金來構成的情形下，能夠設計成構造相對較複雜的形狀，能夠使散熱特性提升。此外，當將散熱座以在碳化矽質構件中填充鋁或鋁合金而成之鋁基複合材料來構成的情形下，熱膨脹係數會變得近似於絕緣電路基板，可將負荷冷熱循環時之熱應變(thermal strain)抑制得較低。
作為將由鋁所成的金屬層與由鋁系材料所成的散熱座予以接合之手段，例如專利文獻3中提出一種方法，即，在由鋁所成的金屬層及散熱座之間，配設由銅或銅合金所成的接合材，而將金屬層與接合材、接合材與散熱座分別做固相擴散接合。
[先前技術文獻]
[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2000-281468號公報
[專利文獻3]日本特開2014-060215號公報
[發明所欲解決之問題]
不過，近來功率模組往小型化/薄型化進展，並且其使用環境也愈來愈嚴苛，來自半導體元件的發熱量變大，冷熱循環的條件變得嚴苛，比起以往更加需要接合可靠性優良，且散熱特性優良的附散熱座絕緣電路基板。
上述的絕緣電路基板中，藉由於金屬層使用變形阻力(deformation resistance)相對較小的金屬，例如純度99.99mass%以上的鋁(4N鋁)，便可藉由金屬層的變形來吸收負荷冷熱循環時之熱應變，而抑制絕緣層的破裂等。
當將金屬層以4N鋁來構成，將散熱座的接合面以例如ADC12等的鋁合金來構成，而將它們以專利文獻3記載的方法做固相擴散接合的情形下，因金屬層與散熱座的接合面之固相線溫度有很大差異，必須將固相擴散接合時的溫度條件訂為未滿鋁合金的固相線溫度，此外，純度高的4N鋁其擴散的活化能(activation energy)高，擴散現象不易產生，因此由固相線溫度高的4N鋁所成的金屬層之Al與接合材之Cu的固相擴散會變得不充分，而有金屬層與散熱座之接合可靠性降低之虞。
本發明有鑑於前述事態而研發，目的在於提供一種附散熱座絕緣電路基板的製造方法，即使當將金屬層以變形阻力相對較小的鋁來構成，將散熱座的接合面以固相線溫度相對較低的鋁合金來構成的情形下，仍能將金屬層與散熱座確實地做固相擴散接合。

[解決問題之技術手段]
為解決這樣的待解問題而達成前述目的，本發明之附散熱座絕緣電路基板的製造方法，係具備在絕緣層的一方的面形成電路層並且在前述絕緣層的另一方的面形成金屬層而成之絕緣電路基板、及被接合至此絕緣電路基板的前述金屬層側之散熱座(heatsink)的附散熱座絕緣電路基板的製造方法，其特徵為，前述金屬層，由鋁所構成，前述金屬層的厚度中央部的壓痕硬度為未滿50 mgf/μm2 ，前述散熱座，和前述絕緣電路基板之接合面由固相線溫度650℃以下的鋁合金所構成，具備：合金元素高濃度部形成工程，在前述金屬層當中和前述絕緣層相反側的區域，將芯材與在此芯材的兩面形成有硬銲材層而成之鎧裝材予以層積而加熱，將前述硬銲材層的合金元素擴散，藉此形成合金元素濃度比前述金屬層的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部；及散熱座接合工程，在前述金屬層與前述散熱座的接合面之間，將銅或銅合金所成的銅接合材予以層積，將前述金屬層與前述銅接合材、前述銅接合材與前述散熱座做固相擴散接合，藉此將散熱座接合；前述鎧裝材的前述芯材的厚度ta和硬銲材層的厚度tb之比tb/ta被訂為0.1以上0.3以下的範圍內。
按照此構成之附散熱座絕緣電路基板的製造方法，具備：合金元素高濃度部形成工程，在前述金屬層當中和前述絕緣層相反側的區域，形成合金元素濃度比前述金屬層的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部；及散熱座接合工程，在前述金屬層的合金元素高濃度部與前述散熱座的接合面之間，層積銅或銅合金所成之銅接合材，而將形成有合金元素高濃度部之金屬層與前述銅接合材、前述銅接合材與前述散熱座做固相擴散接合，藉此將散熱座接合；故能夠減小金屬層的合金元素高濃度部、與構成散熱座的接合面之鋁合金之固相線溫度的差異，即使在相對較低溫條件做固相擴散接合的情形下，仍能使金屬層(合金元素高濃度部)之Al與銅接合材之Cu、銅接合材之Cu與散熱座的接合面之Al充分地擴散，能夠將絕緣電路基板與散熱座確實地接合。
此外，金屬層，由鋁所構成，厚度中央部的壓痕硬度被訂為未滿50mgf/μm2 ，故對於附散熱座絕緣電路基板負荷冷熱循環時，金屬層會變形，藉此能夠減緩熱應變，能夠抑制絕緣層的破裂等之發生。
又，散熱座的接合面，由固相線溫度650℃以下的鋁合金所構成，故能夠構成符合要求的性能之散熱座。
又，前述合金元素高濃度部形成工程中，在前述金屬層當中和前述絕緣層相反側的面，將芯材與在此芯材的兩面形成有硬銲材層而成之鎧裝材予以層積而加熱，故會使前述硬銲材層的合金元素擴散，藉此能夠在前述金屬層當中和前述絕緣層相反側的區域，形成合金元素濃度比前述金屬層的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部。
藉由調整加熱條件來控制合金元素的擴散狀態，便可形成規定的厚度的合金元素高濃度部。
此外，前述鎧裝材的前述芯材的厚度ta和硬銲材層的厚度tb之比tb/ta被訂為0.1以上0.3以下的範圍內，故在前述金屬層當中和前述絕緣層相反側的區域，能夠確實地形成合金元素濃度比前述金屬層的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部。
本發明之附散熱座絕緣電路基板的製造方法中，較佳是，前述合金元素高濃度部，Si濃度被訂為2.0 mass%以上7.0mass%以下的範圍內，Mn濃度被訂為0.3 mass%以上1.5mass%以下的範圍內。在此情形下，能夠確實地減小金屬層的合金元素高濃度部、與構成散熱座的接合面之鋁合金之固相線溫度的差異，即使在相對較低溫條件做固相擴散接合的情形下，仍能將絕緣電路基板與散熱座更確實地接合。
此外，本發明之附散熱座絕緣電路基板的製造方法中，前述合金元素高濃度部形成工程，亦可構成為和在前述絕緣層形成前述金屬層之金屬層形成工程同時實施。
在此情形下，藉由同時實施在前述絕緣層形成前述金屬層之金屬層形成工程與前述合金元素高濃度部形成工程，可省略製造工程，效率良好地製造附散熱座絕緣電路基板。此外，能夠減低對絕緣層之熱負荷，能夠抑制絕緣層的劣化。
又，本發明之附散熱座絕緣電路基板的製造方法中，亦可構成為，前述電路層，具備形成於前述絕緣層側之鋁層、及被層積於此鋁層之銅層，在此鋁層當中和前述絕緣層相反側的區域，形成有合金元素濃度比前述鋁層的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之第2合金元素高濃度部，前述合金元素高濃度部形成工程中，係形成前述合金元素高濃度部與前述第2合金元素高濃度部。
在此情形下，電路層是做成鋁層與銅層被層積而成之構造，故能夠將被搭載於電路層的發熱體的熱藉由銅層朝面方向擴散，能夠製造散熱特性優良的附散熱座絕緣電路基板。
此外，在鋁層與銅層之間形成有第2合金元素高濃度部，故能夠減小合金元素高濃度部及第2合金元素高濃度部、與構成散熱座的接合面之鋁及鋁合金之固相線溫度的差異，即使在相對較低溫條件做固相擴散接合的情形下，仍能使金屬層(合金元素高濃度部)之Al與銅接合材之Cu、銅接合材之Cu與散熱座的接合面之Al、鋁層(第2合金元素高濃度部)之Al與銅層之Cu充分地擴散，能夠將絕緣電路基板與散熱座確實地接合，並且能夠形成鋁層與銅層被層積而成之電路層。

[發明之功效]
按照本發明，可提供一種附散熱座絕緣電路基板的製造方法，即使當將金屬層以變形阻力相對較小的鋁來構成，將散熱座的接合面以固相線溫度相對較低的鋁合金來構成的情形下，仍能將金屬層與散熱座確實地做固相擴散接合。
以下參照所附圖面，說明本發明之實施形態。
圖1揭示藉由本發明實施形態之附散熱座絕緣電路基板的製造方法而製造出的附散熱座絕緣電路基板40，及使用了此附散熱座絕緣電路基板40之功率模組1。
圖1所示功率模組1，具備絕緣電路基板10、及在此絕緣電路基板10的一方的面(圖1中的上面)透過銲料層2而被接合之半導體元件3、及被接合至絕緣電路基板10的下側之散熱座41。接合有散熱座41之絕緣電路基板10，被訂為本實施形態中的附散熱座絕緣電路基板40。
半導體元件3，由Si等的半導體材料所構成。將絕緣電路基板10與半導體元件3接合之銲料層2，例如被訂為Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或是Sn-Ag-Cu系的銲料材(即所謂無鉛銲料材)。
絕緣電路基板10，如圖1所示，具備作為絕緣層之陶瓷基板11、及配設於此陶瓷基板11的一方的面(圖1中的上面)之電路層12、及配設於陶瓷基板11的另一方的面(圖1中的下面)之金屬層13。
陶瓷基板11，為防止電路層12與金屬層13之間的電性連接之物，由絕緣性高的氮化鋁(AlN)、氮化矽(Si3 N4 )、氧化鋁(Al2 O3 )等所構成。本實施形態中，由氮化鋁構成。陶瓷基板11的厚度，被設定在0.2mm以上1.5mm以下的範圍內，本實施形態中被設定為0.635mm。
電路層12，是藉由在陶瓷基板11的一方的面接合具有導電性之金屬板而形成。本實施形態中，如圖5所示，藉由接合鋁或鋁合金所成的鋁板22而形成電路層12。具體而言，作為構成電路層12之鋁板22，使用純度99mass%以上的鋁(2N鋁)或A3003或A6063等的鋁合金的壓延板。
在此電路層12，形成有電路圖樣，其一方的面(圖1中的上面)被訂為供半導體元件3搭載之搭載面。電路層12的厚度被設定在0.1mm以上2.0mm以下的範圍內，本實施形態中被設定為0.4mm。
金屬層13，如圖5所示，是在陶瓷基板11的另一方的面接合鋁所成的鋁板23，並且在鋁板23的另一方的面層積鎧裝(clad)材51而做加熱處理，藉此形成。
金屬層13的厚度中央部之壓痕(indentation)硬度被訂為未滿50mgf/μm2 。此壓痕硬度，為附散熱座絕緣電路基板40的25℃下之值。
作為構成金屬層13之鋁板23，能夠使用純度99mass%以上的鋁(2N鋁)、純度99.9mass%以上的鋁(3N鋁)、純度99.99mass%以上的鋁(4N鋁)等。
本實施形態中，作為構成金屬層13之鋁板23，使用純度99.99mass%以上的鋁(4N鋁)的壓延板。
如圖2所示，金屬層13的厚度t0被設定在0.2mm以上1.0mm以下的範圍內，本實施形態中被設定為0.4mm。
又，本實施形態中，在金屬層13當中和陶瓷基板11相反側的區域，形成有合金元素濃度比金屬層13的厚度中央部還高，且固相線溫度被訂為650℃以下之合金元素高濃度部13a。
也就是說，本實施形態中的金屬層13中，於其厚度方向，會存在合金元素的濃度分布。
作為合金元素，較佳是使用Si，Mn等。本實施形態中，作為合金元素係含有Si及Mn，Si濃度被做成2.0mass%以上7.0mass%以下的範圍內，且Mn濃度被做成0.3mass%以上1.5mass%以下的範圍內之區域，成為合金元素高濃度部13a。
此外，合金元素高濃度部13a的厚度t1，較佳是訂為0.05mm以上0.3mm以下的範圍內。
散熱座41，為用來將前述的絕緣電路基板10冷卻之物，本實施形態中如圖1所示，被做成由熱傳導性良好的材質所構成之散熱板。
本實施形態中的散熱座41，是由Al-SiC複合材料(即所謂AlSiC)所構成，該Al-SiC複合材料由SiC所成之多孔質體與被含浸於此多孔質體之鋁合金所成的鋁材所構成。本實施形態中，作為被含浸於SiC所成的多孔質體之鋁材，使用ADC12(固相線溫度570℃)。
此外，本實施形態中，散熱座41，如圖3所示，在AlSiC所成的散熱座本體42的表面，形成有被含浸於多孔質體之鋁材(本實施形態中為ADC12)所成的表皮層43。
本實施形態中，散熱座本體42的厚度被訂為0.5mm以上5.0mm以下的範圍內，表皮層43的厚度ts較佳是訂為散熱座本體42的厚度的0.01倍以上0.1倍以下。
合金元素高濃度部13a的固相線溫度，與構成散熱座41的接合面(本實施形態中為表皮層43)之鋁合金的固相線溫度之溫度差，被訂為80℃以下的範圍內。
又，絕緣電路基板10的金屬層13與散熱座41，透過銅接合層32而被接合。
銅接合層32，由銅或銅合金所構成，本實施形態中如圖7所示，是藉由將無氧銅的壓延板所成的銅板52接合而形成。本實施形態中，如圖2所示，銅接合層32的厚度tc被訂為0.05mm以上5.0mm以下的範圍內。
金屬層13(合金元素高濃度部13a)與銅接合層32、及銅接合層32與散熱座41(表皮層43)，分別藉由固相擴散接合而被接合。
接下來、針對上述的本實施形態之附散熱座絕緣電路基板40的製造方法，參照圖4至圖7說明之。
(電路層及金屬層形成工程S01/合金元素高濃度部形成工程S02)
首先，如圖5所示，在陶瓷基板11的一方的面及另一方的面，透過硬銲材26，27來層積鋁板22、23。作為硬銲材26，27，較佳是使用Al-Si系硬銲材或Al-Si-Mg系硬銲材等。
此外，本實施形態中，在作為金屬層13之鋁板23的另一方的面側(圖5中的下側)，層積鎧裝材51。
此鎧裝材51，如圖6所示，具備芯材51a、及形成於此芯材51a的兩面之硬銲材層51b。本實施形態中，芯材51a由A3003合金所構成，硬銲材層51b由A4045合金所構成。
此外，鎧裝材51的芯材51a的厚度ta和硬銲材層51b的厚度tb之比tb/ta被訂為0.1以上0.3以下的範圍內。
又，將上述的鋁板22、陶瓷基板11、鋁板23、鎧裝材51，在於層積方向加壓之狀態下加熱，將陶瓷基板11與鋁板22、23接合而形成電路層12及金屬層13，並且使鎧裝材51的硬銲材層51b的合金元素朝芯材51a及鋁板23側擴散，藉此，在金屬層13當中和陶瓷基板11相反側的區域，會形成合金元素濃度比金屬層13的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部13a。
也就是說，本實施形態中，是將電路層及金屬層形成工程S01與合金元素高濃度部形成工程S02一起實施。
電路層及金屬層形成工程S01/合金元素高濃度部形成工程S02的接合條件，較佳是將環境訂為真空，將加壓荷重訂為0.1MPa以上3.5MPa以下的範圍內，將加熱溫度訂為560℃以上630℃以下的範圍內，將保持時間訂為15min以上60min以下的範圍內。為了控制合金元素的擴散狀態，較佳是在上述的範圍內調整接合溫度及保持時間。
依以上方式，便形成本實施形態之絕緣電路基板10。
(散熱座接合工程S03)
接下來，如圖7所示，在形成有合金元素高濃度部13a之金屬層13的另一方的面側(圖7中的下側)，透過作為銅接合材之無氧銅的壓延板所成的銅板52，將散熱座41層積。散熱座41，以表皮層43面向銅板52側之方式層積。
然後，將絕緣電路基板10、形成有合金元素高濃度部13a之絕緣電路基板10、銅板52、散熱座41，於層積方向加壓加熱，而將金屬層13的合金元素高濃度部13a與銅板52、銅板52與散熱座41(表皮層43)分別做固相擴散接合。
本實施形態中，作為固相擴散條件，是將層積方向的荷重訂為0.6MPa以上3.5MPa以下的範圍內。接合溫度可為460℃以上540℃以下的範圍內，較佳為480℃以上520℃以下的範圍內。保持時間訂為30min以上240min以下的範圍內。
藉由以上這樣的工程，便製造本實施形態之附散熱座絕緣電路基板40。
(半導體元件接合工程S04)
接下來，在附散熱座絕緣電路基板40的電路層12，透過銲料材將半導體元件3層積，於還原爐內將附散熱座絕緣電路基板40的電路層12與半導體元件3接合。
依以上方式，便製造圖1所示之功率模組1。
按照被設計為以上這樣的構成之本實施形態之附散熱座絕緣電路基板40的製造方法，具備：合金元素高濃度部形成工程S02，在金屬層13當中和陶瓷基板11相反側的區域，形成合金元素濃度比金屬層13的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部13a；及散熱座接合工程S03，在金屬層13的合金元素高濃度部13a與散熱座41的接合面(本實施形態中為表皮層43)之間，層積銅或銅合金所成之銅板52，而將金屬層13的合金元素高濃度部13a與銅板52、銅板52與散熱座41做固相擴散接合，藉此將散熱座41接合；故能夠減小金屬層13的合金元素高濃度部13a、與構成散熱座41的接合面(本實施形態中為表皮層43)之鋁及鋁合金之固相線溫度的差異，即使在相對較低溫條件做固相擴散接合的情形下，仍能使金屬層13的合金元素高濃度部13a之Al與銅板52之Cu、銅板52之Cu與散熱座41的接合面之Al充分地擴散，能夠將絕緣電路基板10與散熱座41確實地接合。
此外，本實施形態中的附散熱座絕緣電路基板40，金屬層13由鋁(本實施形態中為4N鋁)所構成，金屬層13的厚度中央部之壓痕硬度被訂為未滿50mgf/μm2 ，故對於附散熱座絕緣電路基板40負荷冷熱循環時，會使金屬層13變形，藉此能夠減緩熱應變，能夠抑制陶瓷基板11的破裂等之發生。
又，散熱座41，由Al-SiC複合材料(即所謂AlSiC)所構成，該Al-SiC複合材料是由SiC所成的多孔質體與含浸於此多孔質體的鋁合金所成的鋁材所構成，具體而言作為被含浸於SiC所成的多孔質體之鋁材是使用ADC12(固相線溫度570℃)，故散熱座41的熱膨脹係數會和絕緣電路基板10的熱膨脹係數近似，能夠抑制於冷熱循環負荷時之熱應變的發生。
此外，本實施形態中，合金元素高濃度部形成工程S02是構成為，在金屬層13當中和陶瓷基板11相反側的面，將芯材51a與在此芯材51a的兩面形成有硬銲材層51b而成之鎧裝材51予以層積而加熱，而將硬銲材層51b的合金元素擴散，藉此形成合金元素高濃度部13a，故在金屬層13當中和陶瓷基板11相反側的區域，能夠確實地形成合金元素濃度比金屬層13的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部13a。
又，本實施形態中，合金元素高濃度部形成工程S02中使用的鎧裝材51的芯材51a的厚度ta和硬銲材層51b的厚度tb之比tb/ta被訂為0.1以上0.3以下的範圍內，故在金屬層13當中和陶瓷基板11相反側的區域，能夠確實地形成合金元素濃度比金屬層13的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部13a。
此外，本實施形態中，金屬層13的合金元素高濃度部13a的固相線溫度、與構成散熱座41的接合面(本實施形態中為表皮層43)之鋁合金的固相線溫度之溫度差被訂為0℃以上80℃以下的範圍內，故散熱座接合工程S03中即使以相對較低溫條件做固相擴散接合的情形下，能夠使金屬層13(合金元素高濃度部13a)之Al與銅板52之Cu、銅板52之Cu與散熱座41的接合面之Al充分地擴散，能夠將絕緣電路基板10與散熱座41確實地做固相擴散接合。
以上雖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。
例如，本實施形態中，作為陶瓷基板11雖舉氮化鋁(AlN)為例來說明，但不限定於此，亦可為由氧化鋁(Al2 O3 )、氮化矽(Si3 N4 )等其他的陶瓷所構成之物。此外，亦可使用絕緣樹脂等。
此外，作為散熱座雖舉例散熱板為例來說明，但不限定於此，亦可為具備供冷卻媒體流通的流路之冷卻器等。
又，本實施形態，雖說明散熱座為由使ADC12所成的鋁材含浸於SiC的多孔質體而成之Al-SiC複合材料(即所謂AlSiC)所構成之物，但不限定於此，只要散熱座的接合面是由固相線溫度為650℃以下的鋁合金所構成，則其材質或構造不限定。
又，本實施形態中，雖說明電路層為由鋁或鋁合金所構成之物，但不限定於此，亦可將電路層由銅或銅合金等其他的金屬來構成，或做成鋁或鋁合金所成的鋁層與銅或銅合金所成的銅層所層積而成之構造。
又，本實施形態中，雖說明鎧裝材是層積於金屬層而藉由加熱處理來形成合金元素高濃度部，但針對合金元素高濃度部形成工程的手段並無特別限制。
此外，亦可如圖8所示，亦可做成為下述的絕緣電路基板110、附散熱座絕緣電路基板140，即，電路層112具備形成於作為絕緣層之陶瓷基板11側的鋁層112A、及層積於此鋁層112A的銅層112B，在此鋁層112A的和陶瓷基板11相反側的區域，形成有合金元素濃度比鋁層112A的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之第2合金元素高濃度部112C。
此附散熱座絕緣電路基板140中，亦具備金屬層13、鋁接合層31、銅接合層32、散熱座41。
圖8所示之附散熱座絕緣電路基板140，是依以下方式製造。
(鋁層及金屬層形成工程S101/合金元素高濃度部形成工程S102)
首先，如圖10所示，在陶瓷基板11的一方的面(圖10中的上面)，透過硬銲材126將作為鋁層之鋁板122A層積，又在鋁板122A的一方的面，將鎧裝材51層積。
又，在陶瓷基板11的另一方的面(圖10中的下面)，透過硬銲材127將作為金屬層13之鋁板23層積，又在鋁板23的另一方的面將鎧裝材51層積。
作為鋁層112A之鋁板122A、及作為金屬層13之鋁板23，例如由純度99.99mass%以上的鋁(4N鋁)、純度99mass%以上的鋁(2N鋁)所構成。
此外，硬銲材126、127，由Al-Si-Mg系合金所構成。
然後，將上述的鎧裝材51、鋁板122A、硬銲材126、陶瓷基板11、硬銲材127、鋁板23、鎧裝材51，在於層積方向加壓之狀態下加熱，將陶瓷基板11與鋁板122A、23接合而形成鋁層112A及金屬層13。
又，藉由使鎧裝材51的硬銲材層51b的合金元素朝芯材51a及鋁板122A側擴散，在鋁層112A當中和陶瓷基板11相反側的區域，會形成合金元素濃度比鋁層112A的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之第2合金元素高濃度部112C。
此外，藉由使鎧裝材51的硬銲材層51b的合金元素朝芯材51a及鋁板23側擴散，在金屬層13當中和陶瓷基板11相反側的區域，會形成合金元素濃度比金屬層13的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部13a。
接合條件，較佳是將環境訂為真空，將加壓荷重訂為0.1MPa以上3.5MPa以下的範圍內，將加熱溫度訂為600℃以上640℃以下的範圍內。
(銅層形成工程S103/散熱座接合工程S104)
接下來，如圖11所示，在形成有第2合金元素高濃度部112C之鋁層112A的一方的面(圖11中的上側)將作為銅層112B之銅板122B層積。此外，在形成有合金元素高濃度部13a之金屬層13的另一方的面側(圖11中的下側)，透過作為銅接合材之無氧銅的壓延板所成的銅板52，將散熱座41層積。散熱座41，以表皮層43面向銅板52側之方式層積而形成層積體。
然後，將此層積體於層積方向加壓加熱，而將鋁層112A(第2合金元素高濃度部112C)與銅板122B、金屬層13(合金元素高濃度部13a)與銅板52、銅板52與散熱座41(表皮層43)分別做固相擴散接合。本實施形態中，作為固相擴散條件，是將層積方向的荷重訂為0.6MPa以上3.5MPa以下的範圍內。接合溫度可為460℃以上540℃以下的範圍內，較佳為480℃以上520℃以下的範圍內。保持時間較佳是訂為30min以上240min以下的範圍內。
藉由以上這樣的工程，便製造圖8所示之附散熱座絕緣電路基板140。

[實施例]
以下說明為確認本發明的有效性而進行之確認實驗。
在氮化鋁(AlN)所成的陶瓷基板(40mm× 40mm×厚度0.635mm)的一方的面形成純度99.99mass%以上的鋁(4N鋁)所成的電路層(37mm×37mm×厚度0.4mm)，並且在陶瓷基板的另一方的面形成表1所示材質及厚度的金屬層(37mm×37mm)。陶瓷基板與作為電路層及金屬層之鋁板的接合，是使用Al-7.5mass%Si-0.01mass%Mg硬銲材箔(厚度15μm)。
此外，在作為金屬層之鋁板的和陶瓷基板相反側的面，層積表1所示構造之鎧裝材。
然後，依表1所示條件做加熱處理。
然後，在金屬層，將使具有表1記載的固相線溫度之鋁含浸於SiC的多孔質體而成之Al-SiC複合材料(即所謂AlSiC)所成的散熱座(50mm×60mm×厚度5.0mm/表皮層厚度0.1mm)，透過銅接合材(無氧銅的壓延：37mm×37mm×厚度1.0mm)而層積，於層積方向以21MPa加壓，以490℃保持150min，將形成有合金元素高濃度部之金屬層與銅接合材、銅接合材與散熱座做固相擴散接合。
表2中散熱座的材質由4N-Al所構成者，是使用純度99.99mass%以上(4N-Al)的鋁板(50mm×60mm×厚度5.0mm)。
對得到的附散熱座絕緣電路基板，依以下這樣的手續針對各項目進行評估。
(壓痕硬度的測定)
對於附散熱座絕緣電路基板的金屬層，藉由奈米壓痕法測定壓痕硬度。測定，是在金屬層的厚度方向中央部的10處進行，取其平均值。壓痕硬度，是使用稱為
Berkovich壓頭之稜間角114.8°以上115.1°以下的三角錐鑽石壓頭，計測將試驗荷重訂為5000mgf而施加負荷時之荷重-位移的相關，藉由壓痕硬度＝37.926×10-3 ×(荷重[mgf]÷位移[μm]2 )的式子求出。
(合金元素高濃度部的有無)
觀察沿著厚度方向的截面，電子探針微分析儀(Electron probe microanalyzer；EPMA)(日本電子製JXA-8800RL)，在加速電壓1.5kV、探針徑50μm、照射電流5.0×10-8A的條件下實施EPMA所致之定量分析，確認有無合金元素濃度比金屬層的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部。
(接合狀態)
使用超音波探傷裝置(株式會社日立電力解決方案製FineSAT200)，測定構成散熱座的鋁(AlSiC的情形下為被含浸的鋁)與構成鋁接合層的鋁當中，具有固相線溫度較高的鋁的構件與銅接合材之界面的超音波探傷像，由以下式子算出接合率。
所謂初始接合面積，係指接合前的應接合面積，亦即銅接合材的面積。
(接合率)={(初始接合面積)-(剝離面積)}/(初始接合面積)
對超音波探傷像做二元值化(binarization)處理而得之圖像中，剝離係以接合層內的白色部分表示，故將該白色部面積作為剝離面積。
將接合率為90%以上的情形評估為「○」，接合率未滿90%的情形評估為「×」。
(陶瓷破裂)
對於附散熱座絕緣電路基板，進行-40℃←→150℃的冷熱循環共3000循環，於冷熱循環後藉由超音波探傷裝置觀察陶瓷基板，將未發現破裂者評估為「○」，發生了破裂者評估為「×」。
金屬層的壓痕硬度為50mgf/μm2 以上之比較例1，2，6中，於冷熱循環負荷後發現了陶瓷破裂。推測是因為金屬層相對較硬，因此當負荷了冷熱循環時金屬層不容易變形，而無法減緩熱應變的緣故。
鎧裝材的芯材的厚度ta和硬銲材層的厚度tb之比tb/ta被訂為未滿0.1之比較例3，5中，接合率未滿90%，接合狀態不充分。未在鎧裝材使用芯材之比較例4中，接合率未滿90%，接合狀態不充分。
未使用鎧裝材，而未形成合金元素高濃度部之比較例7中，接合率未滿90%，接合狀態不充分。
相對於此，金屬層的壓痕硬度被訂為未滿50mgf/μm2 ，鎧裝材的芯材的厚度ta和硬銲材層的厚度tb之比tb/ta被訂為0.1以上0.3以下的範圍內之實施例1-6中，接合率為90%以上，接合狀態良好。此外，於冷熱循環負荷後未發現陶瓷破裂。推測是因為金屬層相對較軟，因此當負荷了冷熱循環時金屬層會變形，而能夠減緩熱應變的緣故。
由以上可確認，按照本發明，可提供一種附散熱座絕緣電路基板的製造方法，即使當將金屬層以變形阻力相對較小的鋁來構成，將散熱座的接合面以固相線溫度相對較低的鋁合金來構成的情形下，仍能將金屬層與散熱座確實地做固相擴散接合。

[產業利用性]
按照本發明，可提供一種附散熱座絕緣電路基板的製造方法，即使當將金屬層以變形阻力相對較小的鋁來構成，將散熱座的接合面以固相線溫度相對較低的鋁合金來構成的情形下，仍能將金屬層與散熱座確實地做固相擴散接合。
10‧‧‧絕緣電路基板
11‧‧‧陶瓷基板(絕緣層)
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
13a‧‧‧合金元素高濃度部
32‧‧‧銅接合層
40‧‧‧附散熱座絕緣電路基板
41‧‧‧散熱座
43‧‧‧表皮層(接合面)
51‧‧‧鎧裝材
51a‧‧‧芯材
51b‧‧‧硬銲材層
52‧‧‧銅板(銅接合材)
[圖1]具備藉由本發明實施形態之附散熱座絕緣電路基板的製造方法而製造出的附散熱座絕緣電路基板之功率模組的概略說明圖。
[圖2]圖1所示附散熱座絕緣電路基板中的金屬層與散熱座之接合界面的擴大說明圖。
[圖3]圖1所示附散熱座絕緣電路基板中使用的散熱座的概略說明圖。
[圖4]本發明實施形態之附散熱座絕緣電路基板的製造方法示意流程圖。
[圖5]本發明實施形態之附散熱座絕緣電路基板的製造方法示意說明圖。
[圖6]本發明實施形態之附散熱座絕緣電路基板的製造方法中使用的鎧裝材的截面說明圖。
[圖7]本發明實施形態之附散熱座絕緣電路基板的製造方法示意說明圖。
[圖8]具備藉由本發明另一實施形態之附散熱座絕緣電路基板的製造方法而製造出的附散熱座絕緣電路基板之功率模組的概略說明圖。
[圖9]圖8所示附散熱座絕緣電路基板的製造方法示意流程圖。
[圖10]圖8所示附散熱座絕緣電路基板的製造方法示意說明圖。
[圖11]圖8所示附散熱座絕緣電路基板的製造方法示意說明圖。

Claims (4)

  1. 一種附散熱座絕緣電路基板的製造方法，係具備在絕緣層的一方的面形成電路層並且在前述絕緣層的另一方的面形成金屬層而成之絕緣電路基板、及被接合至此絕緣電路基板的前述金屬層側之散熱座(heatsink)的附散熱座絕緣電路基板的製造方法，其特徵為， 前述金屬層，由鋁所構成，前述金屬層的厚度中央部的壓痕硬度為未滿50mgf/μm2 ， 前述散熱座，和前述絕緣電路基板之接合面由固相線溫度650℃以下的鋁合金所構成， 具備：合金元素高濃度部形成工程，在前述金屬層當中和前述絕緣層相反側的區域，將芯材與在此芯材的兩面形成有硬銲材層而成之鎧裝材予以層積而加熱，將前述硬銲材層的合金元素擴散，藉此形成合金元素濃度比前述金屬層的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之合金元素高濃度部；及 散熱座接合工程，在前述金屬層與前述散熱座的接合面之間，將銅或銅合金所成的銅接合材予以層積，將前述金屬層與前述銅接合材、前述銅接合材與前述散熱座做固相擴散接合，藉此將散熱座接合； 前述鎧裝材的前述芯材的厚度ta和硬銲材層的厚度tb之比tb/ta被訂為0.1以上0.3以下的範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之附散熱座絕緣電路基板的製造方法，其中，前述合金元素高濃度部，Si濃度被訂為2.0mass%以上7.0mass%以下的範圍內，Mn濃度被訂為1.0mass%以上1.5mass%以下的範圍內。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之附散熱座絕緣電路基板的製造方法，其中，前述合金元素高濃度部形成工程，和在前述絕緣層形成前述金屬層之金屬層形成工程係同時實施。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之附散熱座絕緣電路基板的製造方法，其中，前述電路層，具備形成於前述絕緣層側之鋁層、與被層積於此鋁層之銅層，在此鋁層當中和前述絕緣層相反側的區域，形成有合金元素濃度比前述鋁層的厚度中央部還高，且固相線溫度被設為650℃以下之第2合金元素高濃度部， 前述合金元素高濃度部形成工程中，形成前述合金元素高濃度部與前述第2合金元素高濃度部。
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