TWI635583B - Substrate with heat sink power module and manufacturing method thereof - Google Patents

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TWI635583B
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Abstract

將散熱座的最大長度訂為L、散熱座的翹曲量訂為Z，使相對於金屬層使散熱座的接合面成為凹狀之變形所造成的翹曲量Z訂為正值，使接合面成為凸狀之變形所造成的翹曲量訂為負值，則於25℃下測定之最大長度L與翹曲量Z的比率Z/L，為-0.005以上0.005以下之範圍內，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時，比率Z/L仍為-0.005以上0.005以下之範圍內。

Description

附散熱座功率模組用基板及其製造方法
本發明係有關控制大電流、高電壓之半導體裝置中所用的附散熱座功率模組用基板及其製造方法。
本申請案基於2013年10月10日於日本申請之特願2013-212871號、及2014年1月8日於日本申請之特願2014-1719號及特願2014-1720號而主張優先權，其內容被援用於此。
作為功率模組，有使用一種在以氮化鋁為代表之陶瓷基板上接合鋁板，且在另一方的單側隔著鋁板接合鋁系散熱座而成之附散熱座功率模組用基板。
習知，附散熱座功率模組用基板，是以下述方式製造。首先，透過適合接合陶瓷基板與鋁板之硬銲材(brazing material)，在陶瓷基板的第一面及第二面層積鋁板，一面以規定壓力加壓，一面加熱至硬銲材熔融之溫度以上然後冷卻。如此一來，便將陶瓷基板與兩面的鋁板接合而製造出功率模組用基板。
接著，在功率模組用基板的第二面側的鋁 板，透過適合接合散熱座與該鋁板之硬銲材來層積散熱座，一面以規定壓力加壓，一面加熱至硬銲材熔融之溫度以上然後冷卻。如此一來，便將鋁板與散熱座接合而製造出附散熱座功率模組用基板。
如此構成之附散熱座功率模組用基板的第一面側上被接合的鋁板，會形成成為電路層，在該電路層上透過銲料材搭載功率元件等電子零件。
在製造這樣的附散熱座功率模組用基板時，當接合陶瓷基板與鋁板這樣熱膨脹係數相異的構件，會因為接合後的冷卻時之熱收縮而發生翹曲。
就該翹曲的因應措施而言，專利文獻1中記載了對晶片或端子、散熱板等做銲接等時於高溫時之翹曲量，以及對使陶瓷電路基板恢復室溫時之翹曲量做控制。
專利文獻2中，是一面使陶瓷基板彎折一面將電路用金屬板與金屬散熱板予以接合，以製造電路用金屬板呈凹面而具有翹曲之電路基板。一般而言，將散熱座與電路基板予以接合而成之模組，是以模組呈平面的方式來將散熱座予以接合而形成，並固定於固定零件來使用。鑑此，專利文獻2記載，在電路基板的電路用金屬板側形成呈凹面之翹曲，藉此，將電路基板予以平坦地固定時，在電路基板便會殘留壓縮應力，當組裝至模組時或於其實際使用下便能減低裂痕的發生、惡化。
專利文獻3中記載，金屬散熱板與金屬電路板的體積比及厚度比，是陶瓷電路基板與散熱座的銲料迴 焊時所產生之翹曲的主要支配性因素，藉由將該些構成訂定在適當的範圍，便能於加熱中實現較佳的翹曲形狀。
像這樣，在電路基板產生之翹曲，藉由將以陶瓷基板為中立軸(neutral axis)而形成金屬層之散熱座側的鋁板與散熱座的板厚加以調整，便能夠抑制。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2003-273289號公報
專利文獻2：日本特開平10-247763號公報
專利文獻3：日本特開2006-245437號公報
功率模組用基板所講求的，是減低翹曲以滿足作為功率模組之要求規格。即使如專利文獻1所記載，就功率模組用基板而言控制了翹曲，但就搭載電子零件後的功率模組而言仍必須減低翹曲。
功率模組用基板與散熱座接合而成之附散熱座功率模組用基板中，於通常製造時，會以電路層為上側而發生凸狀的翹曲(電路層表面呈凸面之變形)。不過，當將附散熱座功率模組用基板隔著潤滑脂等而緊固於冷卻器時，從維持良好的附散熱座功率模組用基板與冷卻器之密合性的觀點看來，對於冷卻器側為凹狀翹曲(以電路層 為上側之凸狀翹曲)，不如對於冷卻器側為凸狀翹曲(電路層表面呈凹面之變形)來得理想。此外，即使緊固至冷卻器後，於半導體元件的銲接等熱處理過程中，理想是附散熱座功率模組用基板的翹曲變形仍少。
本發明係有鑑於此一事態而研發，目的在於提供一種減低附散熱座功率模組用基板製造時發生之翹曲，且能抑制於製造後的熱處理過程中發生翹曲之附散熱座功率模組用基板及其製造方法。
本發明之第一態樣，為一種附散熱座功率模組用基板，具備：功率模組用基板，係在陶瓷基板的第一面配設電路層，而在前述陶瓷基板的第二面配設由純度99%以上的鋁所構成之金屬層；及散熱座，接合至前述功率模組用基板的前述金屬層，由降伏應力比該金屬層還大的鋁合金所構成；將前述散熱座的最大長度訂為L、前述散熱座的翹曲量訂為Z，相對於前述金屬層使前述散熱座的接合面成為凹狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為正值，使前述接合面成為凸狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為負值，則於25℃下測定之前述最大長度L與前述翹曲量Z的比率Z/L，為-0.005以上0.005以下，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時，前述比率Z/L仍為-0.005以上0.005以下之範圍內。
針對接合有由降伏應力比金屬層還大的鋁合 金所構成之散熱座而成之附散熱座功率模組用基板而言，比率Z/L，於上述溫度設定時若為未滿-0.005或超過0.005的情形下，在將半導體元件等電子零件銲接至電路層之工程中，容易引發銲料或半導體元件的位置偏離。此外，可能招致半導體元件本身的破壞或因熱循環造成銲料接合部或基板的可靠性降低。
另一方面，比率Z/L，於上述溫度設定時落在-0.005以上0.005以下之範圍內的情形下，會減低附散熱座功率模組用基板製造時發生之翹曲，並抑制因製造後的熱處理過程所造成之功率模組用基板的翹曲變形，因此可提升半導體元件的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
此外，金屬層是由相對而言變形阻力(deformation resistance)小的純度99%以上的鋁所形成，故能夠減緩熱循環負荷時發生於陶瓷基板之熱應力，能夠抑制陶瓷基板發生破裂。
本發明之附散熱座功率模組用基板，較佳是，當使溫度從25℃至280℃變化的情形下，前述比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.005以下。
使溫度從25℃至280℃變化的情形下，比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L設計成0.005以下，則伴隨溫度變化之變形較小，藉此，可更進一步提升半導體元件的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
本發明第一態樣之附散熱座功率模組用基板之製造方法，係將前述功率模組用基板與前述散熱座層積，在使前述散熱座的前述接合面發生成為凹狀翹曲之變形的狀態下予以加熱，並在使發生前述變形的狀態下予以冷卻，藉此將前述功率模組用基板的前述金屬層與前述散熱座接合。
於散熱座與功率模組用基板之接合時，是將由相對於功率模組用基板的金屬層而言降伏應力高的材料所形成之散熱座與功率模組用基板層積，並相對於功率模組用基板的金屬層而言使散熱座的接合面呈凹狀而做成產生翹曲的狀態，以硬銲材會熔融之溫度以上保持規定時間後予以冷卻。如此一來，於散熱座的接合面，便會以沿著凹狀之形狀將硬銲材凝固，即使解除層積方向的加壓狀態後，仍能獲得散熱座的接合面呈凹狀翹曲，或雖為凸狀但翹曲量小之附散熱座功率模組用基板。在此情形下，能夠於各構件成為最大限度膨脹狀態的金屬層與散熱座之接合溫度域，使散熱座的接合面成為凹狀。
藉由該製造方法製造出的附散熱座功率模組用基板，能夠減低附散熱座功率模組用基板製造時發生之翹曲變形，且能抑制製造後的熱處理過程中之翹曲變形，可提升元件銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。如此一來，構造的自由度會增大，更能有助於功率模組全體的薄化。
本發明之第二態樣，為一種附散熱座功率模 組用基板，具備：功率模組用基板，係在陶瓷基板的一方之面配設電路層，而在前述陶瓷基板的另一方之面配設由純度99%以上的鋁所構成之金屬層；及散熱座，接合至前述功率模組用基板的前述金屬層，由線膨脹率15×10-6/K以上22×10-6/K以下的銅或銅合金所構成；將前述散熱座的最大長度訂為L、前述散熱座的翹曲量訂為Z，相對於前述金屬層使前述散熱座的前述接合面成為凹狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為正值，使接合面成為凸狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為負值，則於25℃下測定之前述最大長度L與前述翹曲量Z的比率Z/L，為-0.015以上0.01以下，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時，前述比率Z/L仍為-0.015以上0.01以下之範圍內。
針對接合有由線膨脹率15×10-6/K以上22×10-6/K以下的銅或銅合金所構成之散熱座而成之附散熱座功率模組用基板而言，比率Z/L，於上述溫度設定時若為未滿-0.015或超過0.01的情形下，在將半導體元件等電子零件銲接至電路層之工程中，容易引發銲料或半導體元件的位置偏離。此外，可能招致半導體元件本身的破壞或因熱循環造成銲料接合部或基板的可靠性降低。
另一方面，比率Z/L，於上述溫度設定時落在-0.015以上0.01以下之範圍內的情形下，會減低附散熱座功率模組用基板製造時發生之翹曲，並抑制因製造後的熱處理過程所造成之功率模組用基板的翹曲變形，因此 可提升半導體元件的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
此外，金屬層是由相對而言變形阻力小的純度99%以上的鋁所形成，故能夠減緩熱循環負荷時發生於陶瓷基板之熱應力，能夠抑制陶瓷基板發生破裂。
又，金屬層的變形阻力小所帶來的應力減緩效果，會藉由散熱座以線膨脹率比形成金屬層之鋁還低的銅或銅合金來形成，而進一步提高。此外，基於具有高熱傳導性之銅的特性，能夠使其發揮優良的散熱特性。
本發明之附散熱座功率模組用基板，較佳是，當使溫度從25℃至280℃變化的情形下，前述比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.015以下。
使溫度從25℃至280℃變化的情形下，比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.015以下，藉此，伴隨溫度變化之變形較小，故可更進一步提升半導體元件的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
本發明第二態樣之附散熱座功率模組用基板之製造方法，係將前述功率模組用基板與前述散熱座層積，在使前述散熱座的前述接合面發生成為凹狀翹曲之變形的狀態下予以加熱，並在使發生前述變形的狀態下予以冷卻，藉此將前述功率模組用基板的前述金屬層與前述散熱座接合。
於散熱座與功率模組用基板之接合時，是將 由線膨脹率15×10-6/K以上22×10-6/K以下的銅或銅合金所形成之散熱座與功率模組用基板層積，並相對於功率模組用基板的金屬層而言使散熱座的接合面呈凹狀而做成產生翹曲的狀態，以未滿銅與鋁之共晶溫度加熱規定時間後予以冷卻。如此一來，即使解除層積方向的加壓狀態後，仍能獲得散熱座的接合面呈凹狀翹曲，或雖為凸狀但翹曲量小之接合體。在此情形下，能夠於各構件成為最大限度膨脹狀態的金屬層與散熱座之接合溫度域，使散熱座的接合面成為凹狀。
藉由該製造方法製造出的附散熱座功率模組用基板，能夠減低附散熱座功率模組用基板製造時發生之翹曲變形，且能抑制製造後的熱處理過程中之翹曲變形，可提升元件銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。如此一來，構造的自由度會增大，更能有助於功率模組全體的薄化。
本發明之第三態樣，為一種附散熱座功率模組用基板，具備：功率模組用基板，係在陶瓷基板的一方之面配設電路層，而在前述陶瓷基板的另一方之面配設由純度99%以上的鋁所構成之金屬層；及散熱座，接合至前述功率模組用基板的前述金屬層，由線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的材料所構成；將前述散熱座的最大長度訂為L、前述散熱座的翹曲量訂為Z，相對於前述金屬層使前述散熱座的接合面成為凹狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為正值，使前述接合面成為凸狀之變形所造成的 前述翹曲量訂為負值，則於25℃下測定之前述最大長度L與前述翹曲量Z的比率Z/L，為-0.002以上0.002以下，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時，前述比率Z/L仍為-0.002以上0.002以下之範圍內。
針對接合有由線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的材料所構成之散熱座而成之附散熱座功率模組用基板而言，比率Z/L，於上述溫度設定時若為未滿-0.002或超過0.002的情形下，在將半導體元件等電子零件銲接至電路層之工程中，容易引發銲料或半導體元件的位置偏離。此外，可能招致半導體元件本身的破壞或因熱循環造成銲料接合部或基板的可靠性降低。
另一方面，比率Z/L，於上述溫度設定時落在-0.002以上0.002以下之範圍內的情形下，會減低附散熱座功率模組用基板製造時發生之翹曲，並抑制因製造後的熱處理過程所造成之功率模組用基板的翹曲變形，因此可提升半導體元件的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
此外，金屬層是由相對而言變形阻力小的純度99%以上的鋁所形成，故能夠減緩熱循環負荷時發生於陶瓷基板之熱應力，能夠抑制陶瓷基板發生破裂。
又，金屬層的變形阻力小所帶來的應力減緩效果，會藉由散熱座以線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的低熱膨脹材料來形成，而進一步提高。
作為形成散熱座之線膨脹率7×10-6/K以上 12×10-6/K以下的材料，能夠使用AlSiC系複合材料、Al石墨複合材料、Cu-W系合金、或Cu-Mo系合金。
舉例來說，AlSiC系複合材料，主要為在由碳化矽(SiC)所構成之多孔體中浸含以鋁(Al)為主成分的金屬而形成之鋁與碳化矽的複合體，是一種兼具碳化矽的低熱膨脹性及鋁的高熱傳導性之材料。
Al石墨複合材料，其構成為在碳質構件(石墨)中浸含鋁(Al)，如同AlSiC系複合材料般，是一種低熱膨脹且高熱傳導的材料。Cu-W系合金，是一種兼具具有低熱膨脹性的鎢(W)、及具有高熱傳導性的銅(Cu)這兩種特性之材料。Cu-Mo系合金，是一種藉由鉬(Mo)的含有量而線膨脹率及熱傳導率可變之材料。
像這樣，藉由以低熱膨脹且高熱傳導率的材料來形成散熱座，便能使其減緩熱應力，同時發揮優良的散熱特性。
本發明之附散熱座功率模組用基板，較佳是，當使溫度從25℃至280℃變化的情形下，前述比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.002以下。
使溫度從25℃至280℃變化的情形下，比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.002以下，藉此，伴隨溫度變化之變形較小，故可更進一步提升半導體元件的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
本發明第三態樣之附散熱座功率模組用基板 之製造方法，係將前述功率模組用基板與前述散熱座層積，在使前述散熱座的前述接合面發生成為凹狀翹曲之變形的狀態下予以加熱，並在使發生前述變形的狀態下予以冷卻，藉此將前述功率模組用基板與前述散熱座接合。
該製造方法中，當將散熱座與功率模組用基板例如藉由硬銲來接合的情形下，是將由低熱膨脹的材料所形成之散熱座與功率模組用基板層積，並相對於功率模組用基板的金屬層而言使散熱座的接合面呈凹狀而做成產生翹曲的狀態，以硬銲材會熔融之溫度以上保持規定時間後予以冷卻。如此一來，於散熱座的接合面，便會以沿著凹狀之形狀將硬銲材凝固，即使解除層積方向的加壓狀態後，仍能獲得散熱座的接合面呈凹狀翹曲，或雖為凸狀但翹曲量小之接合體。在此情形下，能夠於各構件成為最大限度膨脹狀態的金屬層與散熱座之接合溫度域，使散熱座的接合面成為凹狀。
藉由該製造方法製造出的附散熱座功率模組用基板，能夠減低附散熱座功率模組用基板製造時發生之翹曲變形，且能抑制製造後的熱處理過程中之翹曲變形，可提升元件銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。如此一來，構造的自由度會增大，更能有助於功率模組全體的薄化。
按照本發明，能夠減低附散熱座功率模組用 基板製造時發生之翹曲，且能抑制於製造後的熱處理過程中發生翹曲。
10‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
20‧‧‧電子零件
21‧‧‧銲料接合層
30‧‧‧散熱座
30a‧‧‧接合面
100‧‧‧附散熱座功率模組用基板
110‧‧‧加壓板
110a‧‧‧凹面
110b‧‧‧凸面
111‧‧‧支柱
112‧‧‧治具
113‧‧‧螺帽
114‧‧‧頂板
115‧‧‧彈推手段
P‧‧‧功率模組
[圖1]圖1為本發明之附散熱座功率模組用基板示意截面圖。
[圖2]圖2為本發明之製造方法中，散熱座與功率模組用基板的接合工程說明截面圖。
[圖3]圖3為使用了本發明之附散熱座功率模組用基板的功率模組的一實施形態示意截面圖。
[圖4]圖4為本發明之製造方法中，將散熱座與功率模組用基板的層積體配置於加壓裝置內的狀態示意截面圖。
以下參照圖面，說明本發明第一態樣之第1實施形態。圖1揭示本實施形態之附散熱座功率模組用基板100。附散熱座功率模組用基板100，是由功率模組用基板10、及與功率模組用基板10接合之散熱座30所構成。
附散熱座功率模組用基板100，如圖1及圖2所示，具備：功率模組用基板10，係在陶瓷基板11的一方之面配設有電路層12，在另一方之面配設有由純度 99%以上的鋁所構成之金屬層13；及散熱座30，接合至功率模組用基板10的金屬層13。
該附散熱座功率模組用基板100，當將散熱座30的最大長度訂為L、散熱座30的翹曲量訂為Z，相對於金屬層13使散熱座30的接合面30a成為凹狀之變形(即電路層12表面呈凹狀之變形)所造成的翹曲量Z訂為正值，使接合面30a成為凸狀之變形(即電路層12表面呈凸狀之變形)所造成的翹曲量Z訂為負值的情形下，最大長度L與翹曲量Z的比率Z/L於25℃下為-0.005以上0.005以下，而當加熱至280℃時，及當該加熱後冷卻至25℃時，比率Z/L仍為-0.005以上0.005以下之範圍內。有關比率Z/L，詳細後述之。
對於該附散熱座功率模組用基板100，如圖3所示，更在功率模組用基板10的表面搭載半導體晶片等電子零件20，藉此製造出功率模組P。
附散熱座功率模組用基板100的製造工程中，首先製造功率模組用基板10，然後將該功率模組用基板10硬銲至散熱座30的頂板。以下，僅將接合至金屬層13的頂板(散熱板)當作散熱座30來圖示說明之。
功率模組用基板10，具備陶瓷基板11，及層積於陶瓷基板11之電路層12、金屬層13。在功率模組用基板10的電路層12的表面銲接電子零件20。在金屬層13的表面安裝有散熱座30。
陶瓷基板11，例如是由AlN(氮化鋁)、 Si3N4(氮化矽)等氮化物系陶瓷，或Al2O3(氧化鋁)等氧化物系陶瓷形成為厚度0.2~1.5mm，較佳為厚度0.635mm。
電路層12，是使用純度99質量%以上的鋁，更具體而言依JIS規格為1000系列的鋁，特別是使用1N90(純度99.9質量%以上：即3N鋁)或1N99(純度99.99質量%以上：即4N鋁)來形成。此外，除鋁以外亦能使用鋁合金、銅或銅合金。
金屬層13，是使用純度99質量%以上的鋁，更具體而言依JIS規格為1000系列的鋁，特別是使用1N99(純度99.99質量%以上：即4N鋁)來形成。
電路層12及金屬層13，係由純度99.99%以上的鋁(即4N鋁)的壓延板所構成之鋁板所構成，其厚度設定為0.2mm~3.0mm，較佳是電路層12的厚度為0.6mm，金屬層13的厚度為2.1mm。
該些電路層12及金屬層13，例如是藉由硬銲而接合至陶瓷基板11。作為硬銲材，係使用Al-Si系、Al-Ge系、Al-Cu系、Al-Mg系或Al-Mn系等合金。
構成功率模組P之電子零件20，是在形成於電路層12表面之Ni鍍覆(未圖示)上，使用Sn-Ag-Cu系、Zn-Al系、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Sb系或Pb-Sn系等銲料材而接合。圖3中的符號21，表示該銲料接合層。此外，電子零件20與電路層12的端子部之間，是藉由鋁所構成之打線(bonding wire，未圖示)來連接。
本實施形態中，接合至功率模組用基板10之散熱座30，係由降伏應力比金屬層13還高的鋁合金所構成，例如是使用A3003、A5052、A6063、A7075等來形成，A6063的鋁合金尤佳。當金屬層13是由4N鋁所構成的情形下，散熱座30較佳是使用A1050合金等。
作為散熱座30，係包括板狀之散熱板(頂板)、內部有冷媒流通之冷卻器、形成有鰭片之液冷/空冷散熱器、以及熱管(heat pipe)等以藉由熱逸散而降低溫度為目的之金屬零件。
說明附散熱座功率模組用基板100之製造方法。首先，作為電路層12及金屬層13，分別備妥99.99質量%以上之純鋁壓延板。將該些純鋁壓延板，在陶瓷基板11的一方之面及另一方之面分別隔著硬銲材予以層積，藉由加壓、加熱，製造出在陶瓷基板11的一方之面及另一方之面以硬銲接合有純鋁壓延板之功率模組用基板10。該硬銲溫度設定為600℃~655℃。
接下來，欲將散熱座30接合至如此構成之功率模組用基板10，首先，如圖4所示，使用由二片加壓板110及設於其四隅的支柱111所構成之治具(加壓裝置)112，在加壓板110間配置散熱座30及功率模組用基板10。
治具112的二片加壓板110，是在不鏽鋼鋼材的表面層積碳板而成之物，各個加壓板110的相對向之面110a、110b，係形成為曲率半徑R為1000mm以上 6000mm以下之具有曲面的凹面或凸面，以便將散熱座30的與功率模組用基板10之接合面30a做成凹狀。也就是說，在相對向之各加壓板110的凹面110a及凸面110b間，是以散熱座30和凹面110a相接的狀態，來配置功率模組用基板10及散熱座30。該些凹面110a及凸面110b的曲率半徑R為1000mm以上6000mm以下，故會減低附散熱座功率模組用基板100於製造時發生之翹曲，能夠抑制功率模組P於製造時的熱處理過程所造成之功率模組P的翹曲變形。
在治具112的支柱111的兩端刻有螺旋，在該螺旋緊固有螺帽113以便夾住加壓板110。在被支柱111支撐之頂板114與加壓板110之間，配備有將加壓板110朝下方彈推之彈簧等彈推手段115。對於功率模組用基板10及散熱座30之加壓力，是藉由該彈推手段115以及螺帽113的緊固來調整。
該附散熱座功率模組用基板之製造工程中，是做成將功率模組用基板10及散熱座30安裝於治具112之狀態，藉此便能抑制發生於附散熱座功率模組用基板100之翹曲。
首先，在配置於下側之加壓板110的凹面110a上載置散熱座30，然後在該散熱座30的上方隔著Al-Si系硬銲材箔(圖示略)重疊載置功率模組用基板10，而做成將散熱座30與功率模組用基板10之層積體夾在具有凹面110a的加壓板110與具有凸面110b的加壓板 110之間之狀態。散熱座30與功率模組用基板10之層積體，藉由加壓板110的凹面110a及凸面110b而朝厚度方向被加壓，以使散熱座30的接合面30a成為凹狀翹曲之方式變形。又，本實施形態中，是將散熱座30與功率模組用基板10之層積體於加壓狀態下加熱並進行硬銲。
該硬銲，是於真空環境中，以荷重0.3MPa~10MPa、加熱溫度550℃~650℃的條件進行。
接下來，將該些散熱座30與功率模組用基板10之接合體，在安裝於治具112之狀態，亦即拘束成變形之狀態，冷卻至常溫(25℃)。
此時，散熱座30與功率模組用基板10之接合體，是藉由治具112而朝厚度方向被加壓，在以使散熱座30的接合面30a成為凹狀翹曲之方式變形的狀態下受到拘束。因此，接合體的形狀在加熱冷卻的期間於外觀上仍無變化，但抵抗因溫度變化伴隨之各構件的熱膨脹差所造成的變形而受到加壓拘束的結果，在金屬層13及散熱座30會發生塑性變形。也就是說，在被保持變形的狀態下，金屬層13被接合至散熱座30。又，於冷卻時亦受到拘束，故會維持被保持變形之狀態。
如此製造出的附散熱座功率模組用基板100，由於散熱座30是由對於金屬層13而言降伏應力高的材料來形成，因此翹曲受到抑制。當將散熱座30的最大長度訂為L、散熱座30的翹曲量訂為Z、在散熱座30的接合面30a側因凸狀變形(使散熱座30的接合面30a成為凹 狀之變形)所造成的翹曲量Z訂為正值的情形下，該附散熱座功率模組用基板100於25℃下的最大長度L與翹曲量Z之比率Z/L，會成為-0.005以上0.005以下之範圍內。又，加熱至280℃時之比率Z/L為-0.005以上0.005以下，於該加熱後冷卻至25℃時之比率Z/L為-0.005以上0.005以下之範圍內。
比率Z/L，於上述溫度設定時若為未滿-0.005或超過0.005的情形下，在將半導體元件等電子零件20銲接至電路層12之工程中，容易引發銲料或半導體元件的位置偏離。此外，可能招致半導體元件本身的破壞或因熱循環造成銲料接合部或基板的可靠性降低。
另一方面，比率Z/L，於上述溫度設定時落在-0.005以上0.005以下之範圍內的附散熱座功率模組用基板100，會減低製造時發生之翹曲，並抑制因製造後的熱處理過程所造成之功率模組P的翹曲變形，因此可提升半導體元件等電子零件20的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
像這樣，按照本實施形態之製造方法，係將散熱座30以相對於金屬層13而言降伏應力高的材料來形成，於接合散熱座30與功率模組用基板10時，將散熱座30與功率模組用基板10之層積體，以其層積方向的與散熱座30相反側為上側，而做成使其發生凹狀翹曲的狀態(散熱座30的接合面30a及電路層12的表面呈凹狀之狀態)，並於硬銲材會熔融之溫度(硬銲材的接合溫度域) 以上保持規定時間後予以冷卻，藉此使硬銲材以沿著凹狀之形狀凝固，即使解除厚度方向(層積方向)的加壓狀態之後，仍能獲得以電路層12為上側而翹曲成凹狀，或雖為凸狀但翹曲量小之接合體。是故，於硬銲材的接合溫度域，能夠在各構件為最大限度膨脹的狀態下使其產生凹狀變形。也就是說，能夠獲得即使於製造後安裝至冷卻器時或於半導體元件的銲接等熱處理過程中，接合面30a仍然維持凹狀(電路面為凹狀)的狀態之附散熱座功率模組用基板100。另，本實施形態之附散熱座功率模組用基板，在25℃至280℃之溫度區域，翹曲量係直線性變化。
如此製造出的附散熱座功率模組用基板100，能夠減低製造時發生之翹曲變形，且能抑制製造後的熱處理過程中之翹曲變形，可提升銲接半導體元件之工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。如此一來，構造的自由度會增大，更能有助於功率模組全體的薄化。
接下來參照圖面，說明本發明之第2實施形態，惟其構成與第1實施形態之附散熱座功率模組用基板100相同，故對各構件標註相同符號，且省略和第1實施形態同樣之說明。本實施形態與第1實施形態相異之處在於，散熱座30是由線膨脹率15×10-6/K以上22×10-6/K以下的銅或銅合金所形成。
本實施形態之附散熱座功率模組用基板100，如圖1及圖2所示，當將由線膨脹率15×10-6/K以上 22×10-6/K以下的銅或銅合金所形成之散熱座30的最大長度訂為L、散熱座30的翹曲量訂為Z，相對於金屬層13使散熱座30的接合面30a成為凹狀之變形(即電路層12表面呈凹狀，金屬層13表面呈凸狀之變形)所造成的翹曲量Z訂為正值，使接合面30a成為凸狀之變形(即電路層12表面呈凸狀，金屬層13表面呈凹狀之變形)所造成的翹曲量Z訂為負值的情形下，最大長度L與翹曲量Z的比率Z/L於25℃下為-0.015以上0.01以下，而當加熱至280℃時，及當該加熱後冷卻至25℃時，比率Z/L仍為-0.015以上0.01以下之範圍內。
接合至本實施形態之功率模組用基板10的散熱座30，係由相對於金屬層13而言線膨脹率低(15×10-6/K以上22×10-6/K以下)的銅或銅合金，例如C1100合金或C1020合金等所形成，C1020合金(線膨脹率17.7×10-6/K)尤其合適。
說明本實施形態之附散熱座功率模組用基板100之製造方法。將電路層12及金屬層13接合至陶瓷基板11而形成功率模組用基板10為止之工程，係與第1實施形態相同，故此處省略說明。
又，本實施形態之附散熱座功率模組用基板10之製造工程中，如同第1實施形態般，是做成將功率模組用基板10及散熱座30安裝於治具112之狀態，藉此便能抑制發生於附散熱座功率模組用基板100之翹曲。
本實施形態中，在將功率模組用基板10及散 熱座30安裝於和第1實施形態同樣的治具112的狀態下，將散熱座30與功率模組用基板10之層積體於加壓狀態下，以未滿銅與鋁之共晶溫度予以加熱，藉此進行固相擴散接合來將散熱座30與功率模組用基板10的金屬層13予以固著。
本實施形態中，散熱座30與功率模組用基板10的金屬層13，是藉由金屬層13的鋁原子與散熱座30的銅原子相互擴散形成擴散層(圖示略)之固相擴散來接合。該固相擴散接合，是在真空環境中，以荷重0.3MPa~10MPa、加熱溫度400℃以上未滿548℃之加熱溫度保持5分鐘~240分鐘來進行。
接下來，將該些散熱座30與功率模組用基板10之接合體，在安裝於治具112之狀態，亦即拘束成變形之狀態，冷卻至常溫(25℃)。
此時，散熱座30與功率模組用基板10之接合體，是藉由治具112而朝厚度方向被加壓，在以使散熱座30的接合面30a成為凹狀翹曲之方式變形的狀態下受到拘束。因此，接合體的形狀在加熱冷卻的期間於外觀上仍無變化，但抵抗因溫度變化伴隨之各構件的熱膨脹差所造成的變形而受到加壓拘束的結果，在金屬層13及散熱座30會發生塑性變形。也就是說，在被保持變形的狀態下，金屬層13被接合至散熱座30。又，於冷卻時亦受到拘束，故會維持被保持變形之狀態。
像這樣，藉由和第1實施形態同樣之工程而 製造出的本實施形態之附散熱座功率模組用基板100，其散熱座30是由相對於金屬層13而言線膨脹率低的材料來形成，因此翹曲受到抑制，而附散熱座功率模組用基板100於25℃下的最大長度L與翹曲量Z之比率Z/L成為-0.015以上0.01以下。又，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時之比率Z/L為-0.015以上0.01以下。
比率Z/L，於上述溫度設定時若為未滿-0.015或超過0.01的情形下，在將半導體元件等電子零件20銲接至電路層12之工程中，容易引發銲料或半導體元件的位置偏離。此外，可能招致半導體元件本身的破壞或因熱循環造成銲料接合部或基板的可靠性降低。
另一方面，比率Z/L，於上述溫度設定時落在-0.015以上0.01以下之範圍內的附散熱座功率模組用基板100，會減低製造時發生之翹曲，並抑制因製造後的熱處理過程所造成之功率模組的翹曲變形，因此可提升半導體元件等電子零件20的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
像這樣，按照本實施形態之製造方法，係將散熱座30以相對於金屬層13而言低熱膨脹的材料來形成，於接合散熱座30與功率模組用基板10時，將散熱座30與功率模組用基板10之層積體，以其層積方向的與散熱座30相反側為上側，而做成使其發生凹狀翹曲的狀態(散熱座30的接合面30a及電路層12的表面呈凹狀之狀態)，並於接合溫度域(固相擴散的接合溫度域)保持規 定時間後予以冷卻，藉此，即使解除厚度方向(層積方向)的加壓狀態之後，仍能獲得以電路層12為上側而翹曲成凹狀，或雖為凸狀但翹曲量小之接合體。是故，於固相擴散接合溫度域，能夠在各構件為最大限度膨脹的狀態下使其產生凹狀變形。也就是說，能夠獲得即使於製造後安裝至冷卻器時或於半導體元件的銲接等熱處理過程中，接合面30a仍然維持凹狀(電路面為凹狀)的狀態之附散熱座功率模組用基板100。另，本實施形態之附散熱座功率模組用基板，在25℃至280℃之溫度區域，翹曲量係直線性變化。
如此製造出的附散熱座功率模組用基板100，能夠減低製造時發生之翹曲變形，且能抑制製造後的熱處理過程中之翹曲變形，可提升銲接半導體元件之工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。如此一來，構造的自由度會增大，更能有助於功率模組全體的薄化。
另，本實施形態之附散熱座功率模組用基板中，金屬層13是由相對而言變形阻力小的純度99%以上的鋁所形成，故能夠減緩熱循環負荷時發生於陶瓷基板之熱應力，能夠抑制陶瓷基板發生破裂。
此外，金屬層13的變形阻力小所帶來的應力減緩效果，會藉由散熱座30以線膨脹率比金屬層13還低的銅或銅合金(15×10-6/K以上22×10-6/K以下)來形成，而進一步提高。
接下來參照圖面，說明本發明之第3實施形態，惟其構成與第1實施形態及第2實施形態之附散熱座功率模組用基板100相同，故對各構件標註相同符號，且省略和前述各實施形態同樣之說明。本實施形態與前述各實施形態相異之處在於，散熱座30是由線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的材料所形成。
本實施形態之附散熱座功率模組用基板100，如圖1及圖2所示，當將由線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的材料所形成之散熱座30的最大長度訂為L、散熱座的翹曲量訂為Z，相對於金屬層13使散熱座30的接合面30a成為凹狀之變形(即電路層12表面呈凹狀，金屬層13表面呈凸狀之變形)所造成的翹曲量Z訂為正值，使接合面30a成為凸狀之變形(即電路層12表面呈凸狀，金屬層13表面呈凹狀之變形)所造成的翹曲量Z訂為負值的情形下，最大長度L與翹曲量Z的比率Z/L於25℃下為-0.002以上0.002以下，而當加熱至280℃時，及當該加熱後冷卻至25℃時，比率Z/L仍為-0.002以上0.002以下之範圍內。
接合至本實施形態之功率模組用基板10的散熱座30，係由線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的材料所形成。作為線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的材料，例如能夠使用AlSiC系複合材料、Al石墨複合材料、Cu-W系合金、或Cu-Mo系合金。
AlSiC系複合材料，主要為在由碳化矽 (SiC)所構成之多孔體中浸含以鋁(Al)為主成分的金屬而形成之鋁與碳化矽的複合體，是一種兼具碳化矽的低熱膨脹性及鋁的高熱傳導性之材料。
Al石墨複合材料，其構成為在碳質構件(石墨)中浸含鋁(Al)，如同AlSiC系複合材料般，是一種低熱膨脹且高熱傳導的材料。
碳質構件係藉由擠出加工而形成，故碳的結晶會沿著其擠出方向並排形成。因此，於擠出方向，鋁係被連續配置，藉此擠出方向的熱傳導性會變高。另一方面，於和擠出方向交錯之方向，鋁係被碳質構件阻斷，藉此熱傳導性會降低。
Cu-W系合金，是一種兼具具有低熱膨脹性的鎢(W)、及具有高熱傳導性的銅(Cu)這兩種特性之材料。Cu-Mo系合金，是一種藉由鉬(Mo)的含有量來使線膨脹率及熱傳導率可變之材料。
本實施形態中，散熱座30是由線膨脹率7×10-6/K~12×10-6/K之AlSiC系複合材料而形成為平板狀。該AlSiC系複合材料，係在碳化矽(SiC)的多孔體中，浸含含有Si為6質量%以上12質量%以下的範圍之鋁合金，且在多孔質體的表面形成該鋁合金的被覆層而成。
說明本實施形態之附散熱座功率模組用基板100之製造方法。將電路層12及金屬層13接合至陶瓷基板11而形成功率模組用基板10為止之工程，係與前述各 實施形態相同，故此處省略說明。
又，本實施形態之附散熱座功率模組用基板10之製造工程中，如同前述各實施形態般，是做成將功率模組用基板10及散熱座30安裝於治具112之狀態，藉此便能抑制發生於附散熱座功率模組用基板100之翹曲。
本實施形態中，在將隔著Al-Si系硬銲材箔而層積之功率模組用基板10及散熱座30安裝於和前述各實施形態同樣的治具112的狀態下，將散熱座30與功率模組用基板10之層積體於加壓狀態下予以加熱以進行硬銲。
該硬銲，是於真空環境中，以荷重0.3MPa~10MPa、加熱溫度550℃~650℃的條件進行。
接下來，將該些散熱座30與功率模組用基板10之接合體，在安裝於治具112之狀態，亦即拘束成變形之狀態，冷卻至常溫(25℃)。
此時，散熱座30與功率模組用基板10之接合體，是藉由治具112而朝厚度方向被加壓，在以使散熱座30的接合面30a成為凹狀翹曲之方式變形的狀態下受到拘束。因此，接合體的形狀在加熱冷卻的期間於外觀上仍無變化，但抵抗因溫度變化伴隨之各構件的熱膨脹差所造成的變形而受到加壓拘束的結果，在金屬層13及散熱座30會發生塑性變形。也就是說，在被保持變形的狀態下，金屬層13被接合至散熱座30。又，於冷卻時亦受到拘束，故會維持被保持變形之狀態。
像這樣，藉由和前述各實施形態同樣之工程而製造出的本實施形態之附散熱座功率模組用基板100，其散熱座30是由相對於金屬層13而言線膨脹率低的材料來形成，因此翹曲受到抑制，而附散熱座功率模組用基板100於25℃下的最大長度L與翹曲量Z之比率Z/L成為-0.002以上0.002以下。又，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時之比率Z/L為-0.002以上0.002以下之範圍內。
比率Z/L，於上述溫度設定時若為未滿-0.002或超過0.002的情形下，在將半導體元件等電子零件20銲接至電路層12之工程中，容易引發銲料或半導體元件的位置偏離。此外，可能招致半導體元件本身的破壞或因熱循環造成銲料接合部或基板的可靠性降低。
另一方面，比率Z/L，於上述溫度設定時落在-0.002以上0.002以下之範圍內的附散熱座功率模組用基板100，會減低製造時發生之翹曲，並抑制因製造後的熱處理過程所造成之功率模組的翹曲變形，因此可提升半導體元件等電子零件20的銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
像這樣，按照本實施形態之製造方法，係將散熱座30以低熱膨脹的材料來形成，於接合散熱座30與功率模組用基板10時，將散熱座30與功率模組用基板10之層積體，以其層積方向的與散熱座30相反側為上側，而做成使其發生凹狀翹曲的狀態(散熱座30的接合 面30a及電路層12的表面呈凹狀之狀態)，並於硬銲材會熔融之溫度(硬銲材的接合溫度域)以上保持規定時間後予以冷卻，藉此使硬銲材以沿著凹狀之形狀凝固，即使解除厚度方向(層積方向)的加壓狀態之後，仍能獲得以電路層12為上側而翹曲成凹狀，或雖為凸狀但翹曲量小之接合體。是故，於硬銲材的接合溫度域，能夠在各構件為最大限度膨脹的狀態下使其產生凹狀變形。也就是說，能夠獲得即使於製造後安裝至冷卻器時或於半導體元件的銲接等熱處理過程中，接合面30a仍然維持凹狀(電路面為凹狀)的狀態之附散熱座功率模組用基板100。
另，本實施形態之附散熱座功率模組用基板，在25℃至280℃之溫度區域，翹曲量係直線性變化。
如此製造出的附散熱座功率模組用基板100，能夠減低製造時發生之翹曲變形，且能抑制製造後的熱處理過程中之翹曲變形，可提升銲接半導體元件之工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。如此一來，構造的自由度會增大，更能有助於功率模組全體的薄化。
另，本實施形態之附散熱座功率模組用基板中，金屬層13是由相對而言變形阻力小的純度99%以上的鋁所形成，故能夠減緩熱循環負荷時發生於陶瓷基板之熱應力，能夠抑制陶瓷基板發生破裂。
此外，金屬層13的變形阻力小所帶來的應力減緩效果，會藉由散熱座30以線膨脹率7×10-6/K以上 12×10-6/K以下的低熱膨脹材料來形成，而進一步提高。
本實施形態中，雖針對以AlSiC系複合材料形成散熱座30之情形來做說明，但散熱座30的材料並不限定於此。
藉由使用線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的Al石墨系複合材料等鋁基複合材料，或Cu-W系合金、Cu-Mo系合金等合金材料，也能如同使用AlSiC系複合材料之情形般，減低附散熱座功率模組用基板於製造時發生之翹曲，且抑制熱處理過程中發生翹曲。此外，藉由以這樣低熱膨脹且高熱傳導率的材料來形成散熱座30，便能使其減緩熱應力，同時發揮優良的散熱特性。
Al石墨系複合材料的散熱座與功率模組用基板之接合，係如同AlSiC複合材料般，能夠以硬銲來進行。此外，針對Cu-W系合金、Cu-Mo系合金等銅合金所構成之散熱座，還能夠以未滿銅與鋁之共晶溫度予以加熱，藉此使構成散熱座的銅及構成金屬層的鋁相互擴散，而以固相擴散接合來接合。
實施例
對本發明之各態樣的實施形態的效果加以驗證。首先，說明本發明第一態樣之第1實施形態的實施例1~7及比較例1~5。
前述附散熱座功率模組用基板之製造工程中，分別改變功率模組用基板及散熱座於層積方向的加壓 荷重，而製造出複數個將功率模組用基板與散熱座予以接合而成之附散熱座功率模組用基板的試料。各試料的接合條件，如表1及表2所示。實施例1~7及比較例3~5中，係使用凹凸面的曲率半徑R如表1及表2記載之加壓板，比較例1，2中則使用平板的加壓板來進行接合。
作為構成實施例1~7及比較例1~5之各附散熱座功率模組用基板的功率模組用基板10，均使用下述之物，即，68mm×68mm，厚度0.6mm的4N-Al所構成之電路層12，及68mm×68mm，厚度2.1mm的表1所記載材質所構成之金屬層13，以Al-Si系硬銲材接合至70mm×70mm，厚度0.635mm的AlN所構成之陶瓷基板11而成者。作為實施例1~7及比較例1~5的各散熱座30，係使用表1及表2記載的各材質所構成之80mm×80mm，厚度5mm之矩形板。
針對該些附散熱座功率模組用基板的試料，分別評估「各溫度下的散熱座的最大長度L與翹曲量Z之比率Z/L」、「伴隨溫度變化之比率Z/L的最大值與最小值的差△Z/L」、「銲料位置偏離」、「元件位置偏離」、「元件破裂」。
針對散熱座的翹曲量Z，是於25℃(常溫)時、280℃加熱時及加熱至280℃後冷卻至25℃時(25℃冷卻時)的各時間點，使用摩爾紋(moire)式三維形狀測定機計測出之散熱座背面的平面度來作為翹曲量Z。翹曲量Z，是當發生散熱座30側呈凸狀、電路層12側呈凹 狀之變形的情形下訂為正值。
銲料位置偏離，是藉由在各試料的電路層12上載置銲料(Sn-Ag-Cu系，熔點約220℃)，以加熱至逼近銲料熔點(200℃)時銲料的載置位置變化來確認。針對各實施例及比較例各製作30個試料，當發生0.2mm以上的位置偏離的情形下評估為「NG」，未滿0.2mm的位置偏離的情形下評估為「OK」。表1及表2中「A」表示「OK」比率100%、「B」為「OK」比率90%以上、「C」為「OK」比率未滿90%。
元件位置偏離，是藉由將元件銲接至電路層12後，計測其銲接位置，來確認有無發生位置偏離。又，當發生0.2mm以上的位置偏離的情形下評估為「NG」，未滿0.2mm的位置偏離的情形下評估為「OK」。表1及表2中「A」表示「OK」比率100%、「B」為「OK」比率90%以上、「C」為「OK」比率未滿90%。
元件破裂，是將元件銲接至電路層12後，施以配線，確認元件是(OK)否(NG)正常動作。表1及表2中「A」表示「OK」比率100%、「B」為「OK」比率90%以上、「C」為「OK」比率未滿90%。
由表1可知，針對25℃下的比率Z/L為-0.005以上0.005以下，加熱至280℃時之比率Z/L為-0.005以上0.005以下，於該加熱後冷卻至25℃時之比率Z/L為-0.005以上0.005以下的實施例1~6之試料而 言，「銲料位置偏離」、「元件位置偏離」、「元件破裂」任一者的評估均獲得良好結果。
針對各溫度下的比率Z/L為-0.005以上0.005以下但比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.006的實施例7而言，雖然「銲料位置偏離」及「元件破裂」的評估為良好，但稍微發生了元件的位置偏離。
針對進行低荷重加壓的比較例1而言，於25℃、280℃、25℃冷卻時的比率Z/L，均呈現落在-0.005以上0.005以下的範圍以外之結果(表2)。
使用了平板的比較例2、及加壓板的曲率半徑R訂為8000mm的比較例3當中，25℃下的比率Z/L呈現落在-0.005以上0.005以下的範圍以外之結果，多數發生了銲料的位置偏離(表2)。又，280℃下的比率Z/L落在-0.005以上0.005以下的範圍之外的比較例4當中，多數發生了元件破裂(表2)。
接下來，說明為驗證本發明第二態樣之第2實施形態的效果而進行之實施例2.1~2.7及比較例2.1~2.2。
前述附散熱座功率模組用基板之製造工程中，分別改變功率模組用基板及散熱座於層積方向的加壓荷重，而製造出複數個將功率模組用基板與散熱座予以接合而成之附散熱座功率模組用基板的試料。各試料的接合條件，如表3及表4所示。實施例2.1~2.7及比較例2.2中，係使用凹凸面的曲率半徑R如表3及表4記載之加壓 板，比較例2.1中則使用平板的加壓板來進行接合。
作為構成實施例2.1~2.7及比較例2.1~2.2之各附散熱座功率模組用基板的功率模組用基板10，均使用下述之物，即，68mm×28mm，厚度0.4mm的4N-Al所構成之電路層12，及68mm×22mm，厚度0.4mm的表3及表4所記載材質所構成之金屬層13，以Al-Si系硬銲材接合至70mm×30mm，厚度0.635mm的AlN所構成之陶瓷基板11而成者。作為實施例2.1~2.7及比較例2.1~2.2的各散熱座30，係使用表3及表4記載的材質所構成之100mm×40mm，厚度3mm之矩形板。
針對該些附散熱座功率模組用基板的試料，分別評估「各溫度下的散熱座的最大長度L與翹曲量Z之比率Z/L」、「伴隨溫度變化之比率Z/L的最大值與最小值的差△Z/L」、「銲料位置偏離」、「元件位置偏離」、「元件破裂」。評估方法，和表1及表2所示實施例1~7及比較例1~5相同，表3及表4中「A」表示OK比率90%以上、「C」表示「OK」比率未滿90%。
由表3可知，針對25℃下的比率Z/L為-0.015以上0.01以下，加熱至280℃時之比率Z/L為 -0.015以上0.01以下，於該加熱後冷卻至25℃時之比率Z/L為-0.015以上0.01以下的實施例2.1~2.7之試料而言，「銲料位置偏離」、「元件位置偏離」、「元件破裂」任一者的評估均獲得良好結果。
針對加壓荷重訂為0MPa的比較例2.1而言，於25℃、25℃冷卻時的比率Z/L，均呈現落在-0.015以上0.01以下的範圍以外之結果(表4)。
加壓板的曲率半徑R訂為500mm的比較例2.2當中，25℃下的比率Z/L呈現落在-0.015以上0.01以下的範圍以外之結果，發生了元件位置偏離或元件破裂(表4)。
接下來，說明為驗證本發明第三態樣之第3實施形態的效果而進行之實施例3.1~3.10及比較例3.1~3.5。
前述附散熱座功率模組用基板之製造工程中，分別改變功率模組用基板及散熱座於層積方向的加壓荷重，而製造出複數個將功率模組用基板與散熱座予以接合而成之附散熱座功率模組用基板的試料。各試料的接合條件，如表5及表6所示。實施例3.1~3.10及比較例3.3~3.5中，係使用凹凸面的曲率半徑R如表5及表6記載之加壓板，比較例3.1，3.2中則使用平板的加壓板來進行接合。
作為構成實施例3.1~3.10及比較例3.1~3.5之各附散熱座功率模組用基板的功率模組用基板10，均 使用下述之物，即，138mm×68mm，厚度0.6mm的4N-Al所構成之電路層12，及138mm×68mm，厚度2.1mm的表5及表6所記載材質所構成之金屬層13，以Al-Si系硬銲材接合至140mm×70mm，厚度0.635mm的AlN所構成之陶瓷基板11而成者。作為實施例3.1~3.10及比較例3.1~3.5的各散熱座30，係使用表5及表6記載的各材質所構成之170mm×100mm，厚度5mm之矩形板。
針對該些附散熱座功率模組用基板的試料，分別評估「各溫度下的散熱座的最大長度L與翹曲量Z之比率Z/L」、「伴隨溫度變化之比率Z/L的最大值與最小值的差△Z/L」、「銲料位置偏離」、「元件位置偏離」、「元件破裂」。評估方法，和表1及表2所示實施例1~7及比較例1~5，以及表3及表4所示實施例2.1~2.7及比較例2.1~2.2相同。
銲料位置偏離，是藉由在各試料的電路層12上載置銲料(Sn-Ag-Cu系，熔點約220℃)，以加熱至逼近銲料熔點(200℃)時銲料的載置位置變化來確認。針對各實施例及比較例製作30個試料，當發生0.2mm以上的位置偏離的情形下評估為「NG」，未滿0.2mm的位置偏離的情形下評估為「OK」。表5及表6中「A」表示「OK」比率100%、「B」為「OK」比率90%以上、「C」為「OK」比率未滿90%。
元件位置偏離，是製作30個試料，藉由將元件銲接至電路層12後，計測其銲接位置，來確認有無發 生位置偏離。又，當發生0.2mm以上的位置偏離的情形下評估為「NG」，未滿0.2mm的位置偏離的情形下評估為「OK」。表5及表6中「A」表示「OK」比率100%、「B」為「OK」比率90%以上、「C」為「OK」比率未滿90%。
元件破裂，是製作30個將元件銲接至電路層12後施以配線之試料，當元件正常動作的情形下評估為「OK」，未正常動作的情形下評估為「NG」。表5及表6揭示結果。表5及表6中「A」表示「OK」比率100%、「B」為「OK」比率90%以上、「C」為「OK」比率未滿90%。
由表5可知，針對25℃下的比率Z/L為-0.002以上0.002以下，加熱至280℃時之比率Z/L為-0.002以上0.002以下，於該加熱後冷卻至25℃時之比率Z/L為-0.002以上0.002以下的實施例3.1~3.10之試料而言，「銲料位置偏離」、「元件位置偏離」、「元件破裂」任一者的評估均獲得良好結果。
針對加壓荷重為0MPa的比較例3.1而言，於25℃、280℃、25℃冷卻時的比率Z/L，均呈現落在-0.002以上0.002以下的範圍以外之結果(表6)。
使用了平板的比較例3.2、及加壓板的曲率半徑R訂為7000mm的比較例3.3當中，25℃下的比率Z/L呈現落在-0.002以上0.002以下的範圍以外之結果，多數發生了銲料位置偏離(表6)。又，280℃下的比率Z/L落在-0.002以上0.002以下的範圍之外的比較例3.4當中，多數發生了元件破裂(表6)。25℃、25℃冷卻時的比率Z/L落在-0.002以上0.002以下的範圍之外的比較 例3.5當中，多數發生了銲料位置偏離(表6)。
如以上說明般，依本發明之附散熱座功率模組用基板100，能夠減低製造時發生之翹曲變形，且能抑制製造後的熱處理過程中之翹曲變形，可提升元件銲接工程中的作業性，或改善對於熱循環負荷的基板可靠性。
另，通常，翹曲係三維立體地發生，因此矩形板的情況下，對角線的長度即為最大長度L。此外，翹曲量Z，為該最大長度L所包含之部分於厚度方向的最大值與最小值的差。
另，本發明並不限定於上述實施形態構成之物，針對細部構成，在不脫離本發明要旨之範圍可施加各種變更。
舉例來說，上述實施形態中，是將功率模組用基板的金屬層與散熱座藉由硬銲予以固著，但並不限於硬銲，亦可設計成藉由銲接、擴散接合等予以固著之構成。
又，陶瓷基板與電路層、以及陶瓷基板與金屬層之接合、金屬層與散熱座之接合，亦可藉由所謂TLP接合法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)之暫態液相擴散接合來接合。
該暫態液相擴散接合，係使蒸鍍於電路層或金屬層表面之銅層，介於電路層或金屬層與陶瓷基板之界面、或是金屬層與散熱座之界面來進行。藉由加熱，銅會擴散至電路層或金屬層與鋁當中，電路層或金屬層的銅層 附近之銅濃度會上昇而熔點降低，而於鋁與銅之共晶域，在接合界面形成金屬液相。在形成該金屬液相的狀態下將溫度保持一定，則金屬液相會與陶瓷基板或散熱座反應，且銅會進一步擴散至鋁當中，伴隨此，金屬液相中的銅濃度逐漸降低而熔點上昇，而在溫度保持一定的狀態下進行凝固。如此一來，便能獲得電路層或金屬層與陶瓷基板、或是金屬層與散熱座之間的強固接合。
又，上述實施形態中，散熱座與功率模組用基板之接合，是使用Al-Si系硬銲材予以接合，但當散熱座為AlSiC系複合材料或Al石墨系複合材料的情形下，亦能使用Al-Si-Mg系硬銲材予以接合。在此情形下，便不必在真空環境下進行接合，而能在氮氣等惰性環境下進行硬銲，能夠簡便地將散熱座與功率模組用基板接合。
產業利用性
減低附散熱座功率模組用基板製造時發生之翹曲，且抑制於製造後的熱處理過程中發生翹曲。

Claims (10)

  1. 一種附散熱座功率模組用基板，其特徵為，具備：功率模組用基板，係在陶瓷基板的一方之面配設電路層，而在前述陶瓷基板的另一方之面配設由純度99%以上的鋁所構成之金屬層；及散熱座，接合至前述功率模組用基板的前述金屬層，藉由降伏應力比該金屬層還大的鋁合金形成為平板狀而成；將前述散熱座的最大長度訂為L、前述散熱座的翹曲量訂為Z，使相對於前述金屬層之前述散熱座的接合面成為凹狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為正值，使前述接合面成為凸狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為負值，則於25℃下測定之前述最大長度L與前述翹曲量Z的比率Z/L，為-0.005以上0.005以下之範圍內，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時，前述比率Z/L仍為-0.005以上0.005以下之範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之附散熱座功率模組用基板，其中，當使溫度從25℃至280℃變化的情形下，前述比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.005以下。
  3. 一種附散熱座功率模組用基板之製造方法，係製造申請專利範圍第1項所述附散熱座功率模組用基板之方法，其特徵為：將前述功率模組用基板與前述散熱座層積，將此層積 體夾在於相對向面形成有曲率半徑1000mm以上6000mm以下的凸面或凹面之二片加壓板的相對向面之間，並以0.3MPa~10MPa加壓，藉此在使發生使前述散熱座的前述接合面成為凹狀翹曲之變形的狀態下予以加熱，並在使發生前述變形的狀態下予以冷卻，藉此將前述功率模組用基板的前述金屬層與前述散熱座接合。
  4. 一種附散熱座功率模組用基板，其特徵為，具備：功率模組用基板，係在陶瓷基板的一方之面配設電路層，而在前述陶瓷基板的另一方之面配設由純度99%以上的鋁所構成之金屬層；及散熱座，固相擴散接合至前述功率模組用基板的前述金屬層，由線膨脹率15×10-6/K以上22×10-6/K以下的銅或銅合金所構成；將前述散熱座的最大長度訂為L、前述散熱座的翹曲量訂為Z，使相對於前述金屬層之前述散熱座的接合面成為凹狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為正值，使前述接合面成為凸狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為負值，則於25℃下測定之前述最大長度L與前述翹曲量Z的比率Z/L，為-0.015以上0.01以下，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時，前述比率Z/L仍為-0.015以上0.01以下之範圍內。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之附散熱座功率模組用基板，其中，當使溫度從25℃至280℃變化的情形下，前述比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.015以 下。
  6. 一種附散熱座功率模組用基板之製造方法，係製造申請專利範圍第4項所述附散熱座功率模組用基板之方法，其特徵為：將前述功率模組用基板與前述散熱座層積，將此層積體夾在於相對向面形成有曲率半徑1000mm以上6000mm以下的凸面或凹面之二片加壓板的相對向面之間，並在使發生使前述散熱座的前述接合面成為凹狀翹曲之變形的狀態下予以加熱，並在使發生前述變形的狀態下予以冷卻，藉此將前述功率模組用基板與前述散熱座固相擴散接合。
  7. 一種附散熱座功率模組用基板，其特徵為，具備：功率模組用基板，係在陶瓷基板的一方之面配設電路層，而在前述陶瓷基板的另一方之面配設由純度99%以上的鋁所構成之金屬層；及散熱座，接合至前述功率模組用基板的前述金屬層，藉由線膨脹率7×10-6/K以上12×10-6/K以下的材料形成為平板狀而成；將前述散熱座的最大長度訂為L、前述散熱座的翹曲量訂為Z，使相對於前述金屬層之前述散熱座的接合面成為凹狀之變形所造成的前述翹曲量Z訂為正值，使前述接合面成為凸狀之變形所造成的前述翹曲量訂為負值，則於25℃下測定之前述最大長度L與前述翹曲量Z的比率Z/L，為-0.002以上0.002以下，加熱至280℃時，及於該加熱後冷卻至25℃時，前述 比率Z/L仍為-0.002以上0.002以下之範圍內。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之附散熱座功率模組用基板，其中，前述散熱座，由AlSiC系複合材料、Al石墨複合材料、Cu-W系合金、或Cu-Mo系合金所形成。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之附散熱座功率模組用基板，其中，當使溫度從25℃至280℃變化的情形下，前述比率Z/L的最大值與最小值之差△Z/L為0.002以下。
  10. 一種附散熱座功率模組用基板之製造方法，係製造申請專利範圍第7項所述附散熱座功率模組用基板之方法，其特徵為：將前述功率模組用基板與前述散熱座層積，將此層積體夾在於相對向面形成有曲率半徑1000mm以上6000mm以下的凸面或凹面之二片加壓板的相對向面之間，並以0.3MPa~10MPa加壓，藉此在使發生使前述散熱座的前述接合面成為凹狀翹曲之變形的狀態下予以加熱，並在使發生前述變形的狀態下予以冷卻，藉此將前述功率模組用基板與前述散熱座接合。
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