TWI621226B - 電源模組用基板、附散熱片之電源模組用基板及電源模組 - Google Patents

電源模組用基板、附散熱片之電源模組用基板及電源模組 Download PDF

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TWI621226B
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長友義幸
寺伸幸
黒光祥郎
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Abstract

本發明係一種具備絕緣基板(11)、被形成在該絕緣基板(11)一方之面之電路層(12)、與被形成在前述絕緣基板(11)另一方之面之金屬層(13)之電源模組用基板(10)，其特徵為前述電路層(12)具有被接合在前述絕緣基板(11)之由鋁或鋁合金所構成之第1鋁層(12A)、與被固相擴散接合在該第1鋁層(12A)之由銅或銅合金所構成之第1銅層(12B)；前述金屬層(13)具有由鋁或鋁合金所構成之第2鋁層(13A)；前述電路層(12)的厚度t1與前述金屬層(13)第2鋁層(13A)的厚度t2之關係為t1<t2。

Description

電源模組用基板、附散熱片之電源模組用基板及電源模組
本發明係關於使用在控制大電流、高電壓的半導體裝置之電源模組用基板、附散熱片之電源模組用基板、及電源模組。
本申請書係針對2013年3月29日在日本被提出之特願2013-072677號、及2013年10月17日在日本被提出之特願2013-216802號主張優先權，在此援用其內容。
半導體元件之中也作電力供給用之電源半導體元件，由於發熱量比較高，所以，作為搭載此之基板，例如，係採用一電源模組用基板，具備：在由AlN(氮化鋁)、Al2O3(氧化鋁)、Si3N4(氮化矽)等所構成之絕緣基板一方之面側讓第一金屬板被接合而形成之電路層，與在絕緣基板另一方之面側讓第二金屬板被接合而形成之金屬層。
此類之電源模組基板，係在電路層之上，介著焊錫材 來搭載電源半導體元件等之半導體元件。
接著，在金屬層另一方面側，被接合供冷卻電源模組用基板用之散熱片。
例如，專利文獻1提議，將構成電路層及金屬層之第一金屬板及第二金屬板做成銅板，將這銅板利用DBC法直接接合在絕緣基板之電源模組用基板。此外，專利文獻1如第1圖所示，藉由在這電源模組用基板，採用有機系耐熱性接著劑來接合鋁製散熱片，而構成附散熱片之電源模組用基板。
此外，專利文獻2提議，採用鋁板作為構成電路層及金屬層之第一金屬板及第二金屬板之電源模組用基板。在此電源模組用基板之金屬層，藉由利用軟焊來接合散熱片，而構成附散熱片之電源模組用基板。
再者，專利文獻3提議，在絕緣基板一方之面接合金屬板做成電路層，在絕緣基板另一方之面利用鑄造法直接形成鋁製散熱片。接著，揭示使用鋁板、銅板作為構成電路層之金屬板。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平04-162756號公報
[專利文獻2]日本特許第3171234號公報
[專利文獻3]日本特開2002-076551號公報
不過，專利文獻1所記載之電源模組用基板及附散熱片之電源模組用基板，因為是在鋁製散熱片與絕緣基板之間配設銅板，所以無法在該銅板充分地緩和散熱片與絕緣基板之熱膨脹係數差異所引起之熱應變，而有在絕緣基板容易產生破裂等問題。又，專利文獻1記載，利用介在散熱片與金屬層之間之有機系耐熱性接著劑來緩和熱應變，但，問題在於該有機系耐熱性接著劑的介在會使熱電阻變高，因而，無法在散熱片側有效率地放散來自電路層上被搭載之電氣零件等發熱體的熱。
此外，因電路層及金屬層是由變形電阻比較高的銅板所構成，所以，在負荷冷熱循環時，有絕緣基板與銅板之間產生的熱應力會造成絕緣基板發生破裂之疑慮。
此外，專利文獻2所記載之電源模組用基板及附散熱片之電源模組用基板，係採用鋁板作為構成電路層之第一金屬板。
此處，由於鋁相較於銅，前者熱傳導率較低，因此，在採用鋁板作為構成電路層之第一金屬板之場合下，來自電路層上被搭載的電氣零件等發熱體的熱之擴展、放散會比銅還差。因此，利用電子零件的小型化或高輸出化，使電源密度上昇之場合下，會有不能將熱充分地放散之疑慮。因而，有使負荷電源循環時的耐久性降低之疑慮。此外，鋁因為表面被形成強固的氧化皮膜，所以無法在由鋁 板所構成的電路層上直接焊錫接合半導體元件，而有進行鍍鎳等之必要。
再者，專利文獻3所記載之附散熱片之電源模組用基板，係在絕緣基板直接接合鋁製散熱片，因而，有散熱片與絕緣基板之熱膨脹係數差異所引起之熱應力造成絕緣基板容易發生破裂之傾向。為了防止這傾向，專利文獻3方面，有必要降低設定散熱片之耐力。因此，散熱片自身的強度不足，操作處理非常困難。
此外，問題在於因為利用鑄造法來形成散熱片，所以，無法使散熱片的構造比較簡單、形成冷卻能力高的散熱片，而無法促進熱的放散。
本發明，有鑑於前述情事，其目的在於提供可促進放散來自被搭載在電路層上的電子零件等發熱體之熱，具有優良的電源循環特性，而且，能夠抑制冷熱循環負荷時絕緣基板發生破裂之、可信賴性高的電源模組用基板、附散熱片之電源模組用基板，以及電源模組。
本發明一樣態之電源模組用基板，係具備絕緣基板、被形成在該絕緣基板一方之面之電路層、與被形成在前述絕緣基板另一方之面之金屬層之電源模組用基板，其特徵為前述電路層具有被接合在前述絕緣基板之由鋁或鋁合金所構成之第1鋁層、與被固相擴散接合在該第1鋁層之由銅或銅合金所構成之第1銅層；前述金屬層具 有由鋁或鋁合金所構成之第2鋁層；前述電路層的厚度t1與前述金屬層第2鋁層的厚度t2之關係為t1<t2。
在此構成之電源模組用基板，由於被配置在絕緣基板一方之面側之具有第1鋁層及第1銅層之電路層的厚度t1、與被配置在絕緣基板另一方之面側之金屬層第2鋁層的厚度t2之關係被設為t1<t2，所以，在讓該電源模組用基板負荷熱應力時，被形成比較厚的金屬層第2鋁層會變形，能夠抑制電源模組用基板發生翹曲。
此外，即使在將散熱片接合在該電源模組用基板的金屬層側之場合下，也能夠利用被形成足夠厚的第2鋁層之變形、來緩和絕緣基板與散熱片兩者熱膨脹係數差異所引起之熱應變。
再者，本發明之電源模組用基板，由於讓電路層在絕緣基板側具備由鋁及鋁合金所構成之第1鋁層，所以，能夠在負荷熱循環之場合下利用第1鋁層之變形來吸收絕緣基板與電路層兩者熱膨脹係數的差異所引起、發生之熱應力，可以抑制絕緣基板的破裂。
此外，由於電路層具備由銅或銅合金所構成之第1銅層，所以，能夠利用第1銅層將來自半導體元件等之熱朝面方向擴展、可以有效率地散熱。再者，能夠在電路層上將半導體元件等良好地焊錫接合。此外，第1銅層之變形電阻比較大，因而，在負荷電源循環之場合下，能夠抑制電路層表面變形，能抑制焊錫層發生龜裂等情事。
接著，第1鋁層與第1銅層是利用固相擴散接合而被 接合，因而，可確實地接合第1鋁層與第1銅層，能夠維持電路層之熱傳導性及導電性。
也可以將前述金屬層做成具有被接合在前述絕緣基板之前述第2鋁層、與被固相擴散接合在該第2鋁層之由銅或銅合金所構成之第2銅層之構成。
這場合下，位於絕緣基板另一方之面側之金屬層具備前述第2鋁層、與被固相擴散接合在該第2鋁層之第2銅層，因而，可以在將散熱片接合到該電源模組用基板之金屬層側時接合第2銅層與散熱片。
例如，在散熱片之接合面是由鋁或鋁合金所構成之場合下，可以利用固相擴散接合法來接合該第2銅層與散熱片。此外，例如，在散熱片之接合面是由銅或銅合金所構成之場合下，可以採用焊錫來接合該第2銅層與散熱片。
此外，由於金屬層具備由銅或銅合金所構成之第2銅層，所以，能夠利用第2銅層將熱朝面方向擴展、可以有效率地散熱。
再者，由於在絕緣基板與第2銅層之間形成變形電阻比較小的第2鋁層，所以，能夠利用第2鋁層之變形來緩和熱應力、抑制絕緣基板發生破裂。
接著，第2鋁層與第2銅層是利用固相擴散接合而被接合，因而，可確實地接合第2鋁層與第2銅層，能夠維持金屬層之熱傳導性。
前述電路層的厚度t1與前述金屬層第2鋁層的厚度t2之關係最好是t2/t1≧1.5。
此場合下，電路層的厚度t1、與金屬層第2鋁層的厚度t2之關係被設為t2/t1≧1.5，因而，能夠確實地抑制電源模組用基板發生翹曲。
本發明另一樣態之附散熱片之電源模組用基板，係具備前述電源模組用基板、與被接合在前述金屬層側之散熱片。
根據此構成之附散熱片之電源模組用基板，在散熱片與絕緣基板之間，介在具有由鋁或鋁合金所構成之第2鋁層之金屬層，該第2鋁層之厚度t2相對於電路層之厚度t1，被設為t1<t2。從而，能夠利用金屬層第2鋁層之變形來緩和絕緣基板與散熱片兩者熱膨脹係數的差異所引起之熱應變，能夠抑制絕緣基板之破裂。
本發明另一樣態之電源模組，係具備前述電源模組用基板、與被搭載在前述電路層上之電子零件。
根據此構成之電源模組，能夠將來自被搭載在電路層上的電子零件之熱有效率地放散，即使是電子零件的電源密度(發熱量)提高之場合下也能充分對應。此外，能夠使電源循環負荷時之耐久性提升。
根據本發明，能夠提供可促進放散來自被搭載在電路層上的電子零件等發熱體之熱，具有優良的電源循環特性，而且，能夠抑制冷熱循環負荷時絕緣基板發生破裂之、可信賴性高的電源模組用基板、附散熱片之電源 模組用基板、及電源模組。
1、101、201‧‧‧電源模組
3‧‧‧半導體元件(電子零件)
10、110、210、310‧‧‧電源模組用基板
11、111、211‧‧‧絕緣基板
12、112、212、312‧‧‧電路層
12A、112A、212A、312A‧‧‧第1鋁層
12B、112B、212B、312B‧‧‧第1銅層
13、113、213‧‧‧金屬層
13A、113A、213A‧‧‧第2鋁層
13B、113B‧‧‧第2銅層
40、140、240、340‧‧‧附散熱片之電源模組用基板
41、141、241、341‧‧‧散熱片
圖1係採用本發明第1實施型態之電源模組用基板之電源模組之概略說明圖。
圖2係圖1電路層之第1鋁層與第1銅層的接合界面之放大說明圖。
圖3係圖1金屬層之第2鋁層與第2銅層的接合界面之放大說明圖。
圖4係本發明第1實施型態之電源模組用基板及附散熱片之電源模組用基板之製造方法之流程圖。
圖5係顯示本發明第1實施型態之電源模組用基板及附散熱片之電源模組用基板之製造方法之說明圖。
圖6係使用本發明第2實施型態之附散熱片之電源模組用基板之電源模組之概略說明圖。
圖7係採用本發明第3實施型態之電源模組用基板之電源模組之概略說明圖。
圖8係本發明其他實施型態之附散熱片之電源模組用基板之概略說明圖。
圖9係本發明其他實施型態之附散熱片之電源模組用基板、第一鋁層與第一銅層之界面之概略說明圖。
圖10係本發明其他實施型態之附散熱片之電源模組用基板、第二鋁層與第二銅層之界面之概略說明圖。
圖11係圖9之第一金屬間化合物層與第一銅層之界面之放大說明圖。
圖12係圖10之第二金屬間化合物層與第二銅層之界面之放大說明圖。
圖13係銅與鋁之2元狀態圖。
以下，參照附圖說明本發明之實施型態。
圖1係顯示本發明第1實施型態之電源模組用基板10、附散熱片之電源模組用基板40及電源模組1。
該電源模組1，係具備附散熱片之電源模組用基板40，與在此附散熱片之電源模組用基板40之一方側(圖1之上側)之面介著焊錫層2被接合之半導體元件(電子零件)3。
此處，焊錫層2，例如為錫-銀系、錫-銦系、或者錫-銀-銅系之焊錫材。
附散熱片之電源模組用40，係具備電源模組用基板10、與冷卻電源模組用基板10之散熱片41。
本實施型態之散熱片41，係具備和電源模組用基板10被接合之天板部42、與被層積配置在此天板部42之冷卻構件43。在冷卻構件43的內部，被形成讓冷卻媒體流通之流路44。
此處，天板部42與冷卻構件43，係形成利用固定螺絲45而被連結之構造。因此，在天板部42，有確 保即使將固定螺絲擰進也不易變形之剛性之必要。於是，本實施型態，係將散熱片41之天板部42由耐力為100N/mm2以上的金屬材料所構成，將其厚度做成2mm以上。又，本實施型態中，天板部42係由A6063合金(鋁合金)所構成。
電源模組用基板10，具備：絕緣基板11、被配設在此絕緣基板11一方之面(圖1之上面)之電路層12、與被配設於絕緣基板11另一方之面(圖1之下面)之金屬層13。
絕緣基板11，可以由防止電路層12與金屬層13之間的導電接續之、例如AlN(氮化鋁)、Si3N4(氮化矽)、Al2O3(氧化鋁)等絕緣性高的陶瓷所構成，本實施型態係由AlN(氮化鋁)所構成。此外，絕緣基板11的厚度被設定在例如0.2mm以上1.5mm以下之範圍內，本實施型態則被設定為0.635mm。
電路層12，如圖1所示，係具有被配設在絕緣基板11一方之面(圖1之上面)之第1鋁層12A、與被接合在此第1鋁層12A一方側之第1銅層12B。
本實施型態中，第1鋁層12A，係在絕緣基板11一方之面藉由接合純度為99.99mass%以上之鋁(所謂的4N鋁)之壓延板而被形成。
此外，第1銅層12B，係藉由讓無氧銅的壓延板固相擴散接合在第1鋁層12A而被形成。
金屬層13，如圖1所示，係具有被配設在絕 緣基板11另一方之面(圖1之下面)之第2鋁層13A、與被接合在此第2鋁層13A另一方側(圖1之下側)之第2銅層13B。
本實施型態中，第2鋁層13A，係在絕緣基板11另一方之面藉由接合純度為99.99mass%以上之鋁(所謂的4N鋁)之壓延板而被形成。
此外，第2銅層13B，係藉由讓無氧銅的壓延板固相擴散接合在第2鋁層13A而被形成。
以此方式，在本實施型態，電路層12與金屬層13是由分別讓鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)被固相擴散接合之接合體所構成。
此處，在被固相擴散接合之第1鋁層12A與第1銅層12B之接合界面及第2鋁層13A與第2銅層13B之接合界面，如圖2及圖3所示，分別形成金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)。
金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)，係藉由鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)之鋁原子、與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)之銅原子相互擴散而被形成，隨著從鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)向銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)，具有鋁原子的濃度漸次降低，並且，銅原子的濃度提高之濃度梯度。此處，金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)之厚度tc被設定 在1μm以上80μm以下之範圍內，最好是在5μm以上80μm以下之範圍內。
金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)，係以銅與鋁所構成之金屬間化合物構成，本實施型態，係做成複數金屬間化合物沿著接合界面層積之構造。
本實施型態方面，如圖2及圖3所示，做成3種金屬間化合物層積之構造，從鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)側向銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)側依序做成θ相16、η 2相17、ζ 2相18(參照圖13)。
此外，在金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)之接合界面，沿著接合界面讓氧化物19分散成層狀。又，在本實施型態，該氧化物19被設為氧化鋁(Al2O3)等之鋁氧化物。該氧化物19，係在金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)之界面被分斷之狀態下分散著，也存在著第1金屬間化合物層12C與第1銅層12B直接接觸之領域。
再者，本實施型態中，銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)的平均結晶粒徑被設在50μm以上200μm以下之範圍內；鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)的平均結晶粒徑則被設為500μm以上。
此處，如圖1所示，電路層12之厚度t1、與 金屬層13第2鋁層13A之厚度t2之關係，設為t1<t2。
本實施型態中，電路層12之厚度t1被設定在0.10mm≦t1≦3.6mm之範圍內；金屬層13第2鋁層13A之厚度t2被設定在0.15mm≦t2≦5.4mm之範圍內；電路層12之厚度t1、與金屬層13第2鋁層13A之厚度t2之關係則被設為t2/t1≧1.5。
以下，參照圖4及圖5說明前述構成之電源模組用基板10、及附散熱片之電源模組用基板40之製造方法。
首先，如圖5所示，在絕緣基板11一方之面(圖5之上面)及另一方之面(圖5之下面)，介著鋁-矽系焊料材25、26層積第1鋁板22A、第2鋁板23A。接著，藉由加壓‧加熱後冷卻，將絕緣基板11、與第1鋁板22A、及與第2鋁板23A接合，在絕緣基板11形成第1鋁層12A及第2鋁層13A(鋁層形成步驟S01)。又，該軟焊之溫度係被設定在例如640℃~650℃。
其次，在第1鋁層12A之一方側(圖5之上側)配置第1銅板22B。此外，在第2鋁層13A之另一方側(圖5之下側)，介著第2銅板23B，層積散熱片41之天板部42。接著，將此等配置在真空加熱爐50中，朝層積方向加壓(例如在3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下之壓力下加壓)，於真空氛圍下進行加熱處理。本實施型態，係將加熱溫度設定在例如400℃以上548℃未滿、將保持時間設定在例如5分鐘以上240分鐘以下。又，加熱溫度最好是 設在鋁與銅的共晶溫度-5℃以上、共晶溫度未滿之範圍。此外，被固相擴散接合之接合面，最好事先除去該面的傷痕而做成平滑。
藉此，形成被固相擴散接合在第1鋁層12A之第1銅層12B及被固相擴散接合在第2鋁層13A之第2銅層13B(銅層形成步驟S02)。再者，將第2銅層13B與天板部42利用固相擴散接合加以接合(散熱片接合步驟S03)。
其次，在天板部42的另一方側介著潤滑油層積冷卻構件43，利用固定螺絲45來連結天板部42與冷卻構件43(冷卻器連結步驟S04)。
接著，在電路層12一方之面，利用焊錫來接合半導體元件3(半導體元件接合步驟S05)。
如此作法，製造本實施型態之電源模組用基板10、附散熱片之電源模組用基板40及電源模組1。
根據做成以上之類構成之本實施型態之電源模組用基板10，由於被配置在絕緣基板11一方之面側之電路層12的厚度t1、與被配置在絕緣基板11另一方之面側之金屬層13第2鋁層13A的厚度t2之關係被設為t1<t2，所以，在讓該電源模組用基板10負荷熱應力時，藉由被形成比較厚的金屬層13第2鋁層13A變形，能夠抑制電源模組用基板10發生翹曲。
特別是，本實施型態中，電路層12的厚度t1、與金屬層13第2鋁層13A的厚度t2之關係被設為t2/t1≧1.5，因而，能夠確實地抑制電源模組用基板10發生翹曲。
此外，本實施型態中，電路層12是在絕緣基板11側具備第1鋁層12A，因而，能夠藉由在負荷熱循環之場合下將絕緣基板11與電路層12兩者熱膨脹係數的差異所引起而發生之熱應力利用第1鋁層12A之變形而予以吸收，抑制絕緣基板11之破裂。特別是，本實施型態中，第1鋁層12A是藉由接合純度99.99mass%以上的4N鋁的壓延板而構成，因而，變形電阻較小，能夠吸收熱應力、確實地抑制絕緣基板11的破裂。
再者，由於電路層12具備第1銅層12B，所以，能夠利用第1銅層12B將來自半導體元件3的熱朝面方向擴展、可以有效率地散熱。
此外，能夠在電路層12(第1銅層12B)上良好地焊錫接合半導體元件3。再者，第1銅層12B之變形電阻比較大，因而，在負荷電源循環之場合下，能夠抑制電路層12表面變形，能抑制焊錫層2發生龜裂等情事。特別是，本實施型態方面，由於第1銅層12B是藉由接合無氧銅的壓延板而被構成，所以，熱傳導率優、能夠使散熱特性確實地提升。
接著，第1鋁層12A與第1銅層12B是利用固相擴散接合而被接合，因而，可確實地接合第1鋁層12A與第1銅層12B，能夠維持電路層12之熱傳導性及導電性。
此外，由於金屬層13具有被接合在絕緣基板11之第2鋁層13A、與被固相擴散接合在此第2鋁層13A之第2銅層13B，所以，可讓電源模組用基板10所負荷 之熱應力藉由第2鋁層13A變形而被緩和，能夠抑制絕緣基板11產生破裂。再者，由於可以利用第2銅層13B讓熱朝面方向擴展，而可以使散熱特性提升。此外，第2鋁層13A與第2銅層13B是利用固相擴散接合而被接合，因而，可確實地接合第2鋁層13A與第2銅層13B，能夠維持金屬層13之熱傳導性。
接著，本實施型態，係在鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)之間形成金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)。因此，鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)中的鋁往銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)側、銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)中的銅往鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)側，分別充分地相互擴散，讓鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)可確實地接合，接合可信賴性優異。
此外，本實施型態，係在銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)與金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)之接合界面，讓氧化物19沿著該等接合界面分別分散成層狀。因此，可確實地破壞在鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)表面被形成之氧化膜，使銅與鋁之相互擴散可充分進行，讓鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)可確實地接合，而在電路層12及金屬層13沒有 發生剝離之疑慮。
此外，本實施型態中，金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)，係被做成讓複數金屬間化合物沿著接合界面層積之構造，因而，能夠抑制造成脆弱的金屬間化合物大量成長之情事。
此外，本實施型態，在從鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)向銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)側依序分別層積著θ相16、η 2相17、ζ 2相18之金屬間化合物，因而，使金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)內部之體積變動變小，可抑制內部變形。
亦即，未固相擴散之場合，例如，液相被形成之場合，使金屬間化合物必要以上發生、金屬間化合物層其體積的變動變大，使金屬間化合物層發生內部變形。但是，固相擴散之場合下，由於使脆弱的金屬間化合物層不會大量成長，讓金屬間化合物被形成層狀，所以，可以抑制其內部變形。
此外，因為藉由銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)中的銅、與鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)中的鋁分別相互擴散，可以從銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)側、向鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)側，讓各個組成所適合的金屬間化合物被形成層狀，所以能夠使接合界面的特性安定下來。
再者，本實施型態中，鋁層(第1鋁層12A、 第2鋁層13A)的平均結晶粒徑被設為500μm以上；銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)的平均結晶粒徑則被設在50μm以上200μm以下之範圍內。因此，在鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)不會蓄積過量的變形等，而使疲勞特性提高。從而，在冷熱循環負荷時，對電源模組用基板10所發生的熱應力之可信賴性提升。
再者，在本實施型態，金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)之厚度tc被設定在1μm以上80μm以下，最好是在5μm以上80μm以下之範圍內。從而，銅與鋁之相互擴散充分地進行，能夠將銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)與鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)強固地接合，而且，可抑制脆弱金屬間化合物必要以上地成長，讓接合界面的特性安定下來。
此外，本實施型態之附散熱片之電源模組用基板40，係在散熱片41的天板部42與絕緣基板11之間，介在具有第2鋁層13A之金屬層13，此第2鋁層13A的厚度t2相對於電路層12的厚度t1，被設為t1<t2。從而，能夠利用金屬層13第2鋁層13A之變形來緩和絕緣基板11與散熱片41兩者熱膨脹係數的差異所引起之熱應變，能夠抑制絕緣基板11之破裂。
再者，本實施型態中，金屬層13具有第2銅層13B，此第2銅層13B與散熱片41的天板部42被固相擴散接合，因而，能夠將電源模組用基板10側的熱有效率地往散熱片41側傳達，能夠使散熱特性大幅地提升。
此外，根據本實施型態之電源模組1，能夠將來自被搭載在電路層12上的半導體元件3之熱有效率地放散，即使是半導體元件3的電源密度(發熱量)提高之場合下也能充分對應。此外，能夠使電源循環負荷時之耐久性提升。
其次，參照圖6說明本發明之第2實施型態。
圖6所示之電源模組101，係具備附散熱片之電源模組用基板140，與在此附散熱片之電源模組用基板140一方側(圖6之上側)之面介著第1焊錫層102被接合之半導體元件(電子零件)3。此處，第1焊錫層102，被設為例如錫-銀系、錫-銦系、錫-銻係、或者錫-銀-銅系之焊錫材。
附散熱片之電源模組用基板140，係具備電源模組用基板110、與冷卻電源模組用基板110之散熱片141。
電源模組用基板110，係具備：絕緣基板111、被配設在此絕緣基板111一方之面(圖6之上面)之電路層112、與被配設在絕緣基板111另一方之面(圖6之下面)之金屬層113。
本實施型態中，絕緣基板111係由AlN(氮化鋁)所構成。此外，絕緣基板111的厚度被設定在例如0.2mm以上1.5mm以下之範圍內，本實施型態則被設定為0.635mm。
電路層112，如圖6所示，係具有被配設在絕 緣基板111一方之面(圖6之上面)之第1鋁層112A、與被接合在此第1鋁層112A一方側之第1銅層112B。
本實施型態中，第1鋁層112A，係在絕緣基板111一方之面藉由接合純度為99.99mass%以上之鋁(所謂的4N鋁)之壓延板而被形成。
此外，第1銅層112B，係藉由讓無氧銅的壓延板固相擴散接合在第1鋁層112A而被形成。
金屬層113，如圖1所示，係具有被配設在絕緣基板111另一方之面(圖6之下面)之第2鋁層113A、與被接合在此第2鋁層113A另一方側(圖6之下側)之第2銅層113B。
本實施型態中，第2鋁層113A，係在絕緣基板111另一方之面藉由接合純度為99.99mass%以上之鋁(所謂的4N鋁)之壓延板而被形成。
此外，第2銅層113B，係藉由讓無氧銅的壓延板固相擴散接合在第2鋁層113A而被形成。
此類之本實施型態，與第1實施型態同樣地，讓電路層112與金屬層113是由各個鋁層(第1鋁層112A、第2鋁層113A)與銅層(第1銅層112B、第2銅層113B)被擴散接合之接合體所構成的。
接著，本實施型態之電源模組用基板110，電路層112之厚度t1、與金屬層113第2鋁層113A之厚度t2之關係，被設為t1<t2。
本實施型態中，電路層112之厚度t1被設定在0.1mm ≦t1≦3.6mm之範圍內；金屬層113第2鋁層113A之厚度t2被設定在0.15mm≦t2≦5.4mm之範圍內；電路層112之厚度t1、與金屬層113第2鋁層113A之厚度t2之關係則被設為t2/t1≧1.5。
此外，本實施型態之散熱片141設定是由銅或銅合金所構成之散熱板。
該散熱片141、與電源模組用基板110之金屬層113，是介著第2焊錫層108而被接合著。此外，第2焊錫層108，與上述第1焊錫層102同樣地，能夠採用例如錫-銀係、錫-銦系、錫-銻系、或者錫-銀-銅系等各種焊錫材。
做成以上之類的構成的本實施型態之附散熱片之電源模組用基板140，與第1實施型態同樣地，能夠抑制絕緣基板111的破裂或電源模組用基板110的翹曲等。
再者，本實施型態方面，金屬層113具有第2銅層113B，因而，能夠將由銅或銅合金所構成的散熱片141介著焊錫層108加以接合。
此外，電路層112具有第1銅層112B、金屬層113具有第2銅層113B，因而，能夠確保電源模組用基板110全體的剛性，在熱循環負荷時使電源模組用基板110不易變形、抑制第2焊錫層108發生龜裂。
其次，參照圖7說明本發明之第3實施型態。
圖7所示之電源模組201，係具備附散熱片之電源模組用基板240，與在此附散熱片之電源模組用基板240一方側(圖7之上側)之面介著焊錫層202被接合之半導體元件(電子零件)3。此處，焊錫層202，例如為錫-銀系、錫-銦系、或者錫-銀-銅系之焊錫材。
附散熱片之電源模組用基板240，係具備電源模組用基板210、與冷卻電源模組用基板210之散熱片241。
電源模組用基板210，係具備：絕緣基板211、被配設在此絕緣基板211一方之面(圖7之上面)之電路層212、與被配設在絕緣基板211另一方之面(圖7之下面)之金屬層213。
本實施型態中，絕緣基板211係由AlN(氮化鋁)所構成。此外，絕緣基板211的厚度被設定在例如0.2mm以上1.5mm以下之範圍內，本實施型態則被設定為0.635mm。
電路層212，如圖7所示，係具有被配設在絕緣基板211一方之面(圖7之上面)之第1鋁層212A、與被接合在此第1鋁層212A一方側之第1銅層212B。
本實施型態中，第1鋁層212A，係在絕緣基板211一方之面藉由接合純度為99.99mass%以上之鋁(所謂的4N鋁)之壓延板而被形成。此外，第1銅層212B，係藉由讓無氧銅的壓延板固相擴散接合在第1鋁層212A而被形成。
金屬層213，如圖7所示，係由被配設在絕緣基板211另一方之面(圖7之下面)之第2鋁層213A所構成。
本實施型態中，金屬層213(第2鋁層213A)，係在絕緣基板211另一方之面藉由接合純度為99.99mass%以上之鋁(所謂的4N鋁)之壓延板而被形成。
接著，本實施型態之電源模組用基板210，電路層212之厚度t1、與金屬層213第2鋁層213A之厚度t2之關係，被設為t1<t2。
本實施型態中，電路層212之厚度t1被設定在0.1mm≦t1≦3.6mm之範圍內；金屬層213(第2鋁層213A)之厚度t2被設定在0.15mm≦t2≦5.4mm之範圍內；電路層212之厚度t1、與金屬層213(第2鋁層213A)之厚度t2之關係則被設為t2/t1≧1.5。
此外，本實施型態之散熱片241，係由鋁或鋁合金所構成的冷卻器，具有跟金屬層213接合之天板部242、與讓冷卻液流通之流路244。
該散熱片241，係在電源模組用基板210之金屬層213(第2鋁層213A)，利用軟焊而被接合起來。
做成以上之類的構成的本實施型態之附散熱片之電源模組用基板240，與第1、2實施型態同樣地，能夠抑制絕緣基板211的破裂或電源模組用基板210的翹曲等。
再者，本實施型態，金屬層213是由第2鋁層213A 所構成的，因而，能夠跟由鋁或鋁合金所構成之散熱片241、利用軟焊良好地接合。
以上，說明了本發明之實施型態，但本發明並不以此為限，在不逸脫其發明之技術思想的範圍可以進行適當的變更。
例如，說明了作為鋁層(第1鋁層、第2鋁層)之鋁板，採用純度99.99mass%以上之4N鋁之壓延板，但並不受限定於此，以其他的鋁或鋁合金所構成之鋁板亦可。同樣地，說明了作為銅層(第1銅層、第2銅層)之銅板，是採用無氧銅的壓延板，但並不受限定於此，以其他的銅或銅合金所構成之銅板亦可。
此外，說明作為絕緣基板是採用由AlN所構成之陶瓷基板，但並不受限定於此，採用例如由Si3N4或Al2O3等所構成之陶瓷基板亦可。
再者，說明用軟焊來接合絕緣基板與第1鋁層及第2鋁層，但並不受限於此，適用例如過渡液相接合法(Transient Liquid Phase Bonding)、金屬導電漿料法、鑄造法等亦可。
此外，散熱片之構造等，並不受限定於本實施型態，也可以是例如其他構造之散熱板、冷卻器等。
此外，在上述實施型態之電源模組用基板，說明了電路層12具備被形成在絕緣基板11一方之面之第1鋁層12A、與使此第1鋁層12A之一方側接合第1銅板22B之第1銅層12B之場合，但並非限定於此。
例如圖8之電源模組用基板310所示，電路層312具備被形成在絕緣基板11一方之面之第1鋁層312A、與被接合在此第1鋁層312A之一方側之第1銅層312B；此第1銅層312B，也可以是由具有接合半導體元件等的模墊(die pad)332、與用作外部端子的引線(lead)部333之銅板所形成之構成。此電源模組用基板310，係讓模墊332與第1鋁層312A固相擴散接合。此處，第1鋁層312A之厚度，最好是在0.1mm以上1.0mm以下。此外，第1銅層312B之厚度，最好是在0.1mm以上6.0mm以下。
此外，圖8所示之附散熱片之電源模組用基板340，係把由鋁或鋁合金所構成之散熱片341在電源模組用基板310之金屬層13側利用固相擴散接合而被接合起來。
此外，上述實施型態，說明了在鋁層(第1鋁層12A、第2鋁層13A)與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)之接合界面，形成金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)，從鋁層側(第1鋁層12A、第2鋁層13A)向銅層側(第1銅層12B、第2銅層13B)依序層積θ相16、η 2相17、ζ 2相18而構成之場合，但並非限定於此。
具體而言，也可以在鋁層(第1鋁層、第2鋁層)與銅層(第1銅層、第2銅層)之接合界面，從鋁層(第1鋁層、第2鋁層)側向銅層(第1銅層、第2銅層)側依序使鋁的比率降低之方式層積由複數之銅及鋁所構成之金屬間化合物。
此外，如圖9、10所示，也可以在鋁層(第1鋁層412A、第2鋁層413A)與銅層(第1銅層412B、第2銅層413B)之接合界面，設置從鋁層(第1鋁層412A、第2鋁層413A)側向銅層(第1銅層412B、第2銅層413B)側依序、沿著前述接合界面層積θ相416、η 2相417，再層積ζ 2相418、δ相414、及γ 2相415之中至少一相而構成之金屬間化合物層(第1金屬間化合物層412C、第2金屬間化合物層413C)(參照圖13)。
此外，上述實施型態，說明了在金屬間化合物層(第1金屬間化合物層12C、第2金屬間化合物層13C)與銅層(第1銅層12B、第2銅層13B)之接合界面，讓氧化物19沿著接合界面層狀地分散之場合，也可以做成例如圖11、12所示，沿著金屬間化合物層(第1金屬間化合物層412C、第2金屬間化合物層413C)與銅層(第1銅層412B、第2銅層413B)之界面，讓氧化物419在ζ 2相418、δ相414、或γ 2相415之內部層狀地分散之構成。又，此氧化物419被設為氧化鋁(Al2O3)等之鋁氧化物。
[實施例] (實施例1)
以下說明供確認本發明的有效性而進行之比較實驗。
如表1所示，將絕緣基板、電路層第1鋁層之鋁板及 第1銅層之銅板、金屬層第2鋁層之鋁板及第2銅層之銅板加以接合來製作電源模組用基板。
電路層之尺寸為37mm×37mm、絕緣基板之尺寸為40mm×40mm、金屬層之尺寸為37mm×37mm。
表2所示之「TLP」，係藉由在絕緣基板的表面使銅固著成1.0mg/cm2，在朝層積方向以5kgf/cm2加壓之狀態下、在10-3Pa之真空中，以600℃加熱30分鐘，而將鋁板與絕緣基板接合。
表2所示之「鋁-矽焊料」，係藉由採用由鋁-7.5質量%矽所構成之焊料材箔(厚度100μm)，在朝層積方向以12kgf/cm2加壓之狀態下、在10-3Pa之真空中，以650℃加熱30分鐘，而將鋁板與絕緣基板接合。
表2所示之「活性金屬焊料」，則是藉由採用由銀-27.4質量%銅-2.0質量%鈦所構成之活性焊料材，在10-3Pa之真空中，以850℃加熱10分鐘，而將銅板與絕緣基板接合。
表2所示之「DBC」，則藉由在氮氣氛圍中以1075℃加熱10分鐘，來將銅板與絕緣基板接合。
第1銅層與第1鋁層、第2銅層與第2鋁層之固相擴散接合，是用真空爐，於爐內壓力3×10-3Pa、加熱溫度535℃、保持時間60分鐘、加壓壓力12kgf/cm2(1.17MPa)之條件下實施。
在上述電源模組用基板的金屬層的另一方面側接合散熱片。散熱片，為A3003合金的鋁板(60mm× 70mm×5mm)。
針對金屬層僅由第2鋁層所構成之電源模組用基板，係採用鋁-矽焊料箔，在以3.0kgf/cm2加壓之狀態下、在真空中，以610℃加熱之接合。
針對金屬層是由第2鋁層及第2銅層所構成之電源模組用基板，係在上述固相擴散接合時，將散熱片與第2銅層固相擴散接合。
用以此方式得到之附散熱片之電源模組用基板，來實施冷熱循環試驗。評價結果顯示於表2。又，每500循環便實施觀察，以確認絕緣基板破裂的時點下之循環數進行評價。以下顯示測定條件。
評價裝置：ESPEC(股)公司製TSB-51
液相：Fluorinert
溫度條件：-40℃×5分←→125℃×5分
再者，在該等電源模組用基板電路層之一方面側將IGBT元件焊錫接合。又，焊錫接合，係使用錫-銀-銅系焊錫，於氫還原氛圍中、300℃下接合。
採用這樣做法得到之電源模組，實施電源循環試驗。評價結果顯示於表2。又，以負荷電源循環10萬回後的熱電阻率的上昇率來評價。
熱電阻上昇率，係以以下方式來測定。藉由使IGBT通電來加熱，採用IGBT元件內的溫度感應二極體來實測IGBT元件的溫度。此外，實測流通過散熱片之冷卻媒體(次乙基乙二醇ethylene glycol：水=9：1)的溫 度。接著，以依照IGBT的溫度與冷卻媒體的溫度差而規格化之數值作為熱電阻上昇率。以下顯示測定條件。
溫度差：80℃
溫度範圍：55℃~135℃(用IGBT元件內的溫度感應二極體來測定)
通電時間：6秒
冷卻時間：4秒
電路層的厚度t1被形成比金屬層第2鋁層的厚度t2還要厚之比較例1方面，在冷熱循環試驗之3000循環以下看到絕緣基板破裂。再者，於電源循環試驗也看到熱電阻上昇。
電路層的厚度t1被形成與金屬層第2鋁層的厚度t2相同之比較例2方面，在冷熱循環試驗之2000循環以下看到絕緣基板破裂。再者，於電源循環試驗也看到熱電阻上昇。
僅由第1鋁層構成電路層之比較例3、4方面，冷熱循環試驗的結果良好，但是，在電源循環試驗看到大的熱電阻上昇。
僅由第1銅層構成電路層之比較例5、6方面，在冷熱循環試驗之1000循環以下看到絕緣基板破裂。
相對於此，本發明例1-8方面，即使在冷熱循環試驗之3000循環以上也沒看到絕緣基板破裂。此外，在電源循環試驗，也確認可以抑制熱電阻的上昇。
從以上的結果，根據本發明例，確認能夠提供可促進放散來自被搭載在電路層上的電子零件等發熱體之熱，具有優良的電源循環特性，而且，能夠抑制冷熱循環負荷時絕緣基板發生破裂之、可信賴性高的電源模組用基板、附散熱片之電源模組用基板、電源模組。
(實施例2)
其次，如上述第2實施型態及圖6所示，將電源模組用基板的金屬層與散熱片介著第2焊錫層予以接合，針對該第2焊錫層之接合率進行評價。
如表3所示，將絕緣基板、電路層第1鋁層之鋁板及第1銅層之銅板、金屬層第2鋁層之鋁板及第2銅層之銅板加以接合來製作電源模組用基板。
電路層之尺寸為37mm×37mm、絕緣基板之尺寸為40mm×40mm、金屬層之尺寸為37mm×37mm。
又，表4所示之「TLP」、「鋁-矽焊料」，係與上述 實施例1及表2同樣的接合方法。
接著，在上述電源模組用基板的金屬層的另一方面側，介著焊錫材接合散熱片。作為散熱片，與上述實施例1同樣地，採用A3003合金之鋁板(60mm×70mm×5mm)。
藉由採用錫-銻系焊錫，於H2氛圍下以200℃保持5分鐘後，以300℃保持10分鐘來進行錫焊，之後置換成N2氛圍、進行冷卻，接合散熱片。又，在散熱片的接合面，在形成鎳鍍膜後，實施錫焊。再者，比較例11，在金屬層的接合面，也在形成鎳鍍膜後，實施錫焊。
用以此方式得到之附散熱片之電源模組用基板，來實施冷熱循環試驗。冷熱循環條件，與上述實施例1同樣，負荷3000回的冷熱循環。
接著，在接合初期及3000回的冷熱循環負荷後，測定第2焊錫層之接合率。評價結果顯示於表4。
由鋁板構成電路層及金屬層之比較例11方面，冷熱循環後的接合率大幅降低。推測是因為冷熱循環造成第2焊錫層發生龜裂的緣故。
相對於此，本發明例11-14方面，冷熱循環後的接合率並無大幅降低。根據本發明例11-14，確認能夠抑制第2焊錫層發生龜裂。
[產業上利用可能性]
根據本發明，能夠促進放散來自被搭載在電路層上的電子零件等發熱體之熱、具有優良的電源循環特性，而且，能抑制冷熱循環負荷時絕緣基板發生破裂、能夠提高可信賴性。從而，本發明有產業上利用可能性。

Claims (5)

  1. 一種電源模組用基板，係具備絕緣基板、被形成在該絕緣基板一方之面之電路層、與被形成在前述絕緣基板另一方之面之金屬層，其特徵為：前述電路層具有被接合在前述絕緣基板之一方之面的由鋁或鋁合金所構成之第1鋁層、與被固相擴散接合在該第1鋁層之中，與前述絕緣基板相反側之面的由銅或銅合金所構成之第1銅層；前述金屬層具有由鋁或鋁合金所構成之第2鋁層；前述電路層的厚度t1與前述金屬層第2鋁層的厚度t2之關係為t1<t2；於前述第1鋁層與前述第1銅層之間，被形成複數之金屬間化合物層積之金屬間化合物層。
  2. 如申請專利範圍第1項之電源模組用基板，其中前述金屬層具有：被接合在前述絕緣基板之另一方之面的前述第2鋁層、與被固相擴散接合在該第2鋁層之中，與前述絕緣基板相反側之面的由銅或銅合金所構成之第2銅層；於前述第2鋁層與前述第2銅層之間，被形成複數之金屬間化合物層積之金屬間化合物層。
  3. 如申請專利範圍第1或2項記載之電源模組用基板，其中前述電路層的厚度t1與前述金屬層第2鋁層的厚度t2之關係為t2/t1≧1.5。
  4. 一種附散熱片之電源模組用基板，其特徵為具備：申請專利範圍第1至3項任一項記載之電源模組用基板、與被接合在前述金屬層側之散熱片。
  5. 一種電源模組，其特徵為具備：申請專利範圍第1至3項任一項記載之電源模組用基板、與被搭載在前述電路層上之電子零件。
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