TWI727148B - 接合體之製造方法、絕緣電路基板之製造方法及附有散熱片絕緣電路基板之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種接合體之製造方法，絕緣電路基板之製造方法及附有散熱片絕緣電路基板之製造方法，此接合體的製造方法係具備：於第1構件(11)的接合面及第2構件(22、23)之接合面的至少一方，配設含有有機物之暫時固定材(40)，藉由暫時固定材(40)而層積前述第1構件(11)與前述第2構件(22、23)進行前述第1構件與前述第2構件之位置調整，形成暫時固定前述第1構件(11)與前述第2構件之層積體之層積工程，和加壓前述層積體於層積方向而進行加熱，接合前述第1構件(11)與前述第2構件(22、23)之接合工程。在前述接合工程中，在將前述層積體加熱至特定之接合溫度為止之升溫過程中，至少將前述暫時固定材(40)所含有，在前述有機物的分解溫度TD 之加壓荷重P2，較在前述接合溫度之加壓荷重P1為低而設定者。

Description

接合體之製造方法、絕緣電路基板之製造方法及附有散熱片絕緣電路基板之製造方法
本發明係有關接合第1構件與第2構件所成之接合體的製造方法，及適用此接合體之製造方法的絕緣電路基板之製造方法，及附有散熱片絕緣電路基板之製造方法。 　　本申請係依據申請於2017年3月17日之在日本申請之日本特願2017-053689號而主張優先權，而將此內容援用於其內容。
功率模組，LED模組及熱電模組係具有於形成導電材料所成之電路層於絕緣層之一方的面之絕緣電路基板，接合功率半導體元件，LED元件及熱電元件之構造。 　　作為上述之絕緣電路基板係加以提供：接合對於導電性優越之金屬板於絕緣層之一方的面而作為電路層，接合對於散熱性優越之金屬板於另一方的面而形成金屬層之構造者。作為電路層或金屬層，亦有加以使用層積異種金屬彼此之層積板者。 　　為了有效率地使在搭載於電路層之元件等所產生的熱散發，亦加以提供接合散熱片於絕緣層之另一方的面側之附有散熱片絕緣電路基板。
例如，對於專利文獻1係加以揭示：具備於陶瓷基板之一方的面，加以形成鋁板所成之電路層，而於另一方的面，加以形成鋁板所成之金屬層的絕緣電路基板，和藉由焊錫材而加以接合於前述電路層上之半導體元件的功率模組。對於專利文獻1係亦加以揭示：具備絕緣電路基板與散熱片之附有散熱片絕緣電路基板。 　　對於專利文獻2係加以提案有：於陶瓷基板之一方的面，接合鋁板，經由固相擴散接合銅板於前述鋁板之時，形成電路層之絕緣電路基板。
對於專利文獻3係加以揭示：於陶瓷所成之基材的一方的面，加以形成導電性之電路層，而於絕緣基板之另一方的面，加以接合散熱體，於電路層上，加以搭載發光元件之構造的LED模組。 　　對於專利文獻4係加以揭示：在功率模組用基板之金屬層及散熱片之一方則由鋁或鋁合金而加以構成，而金屬層及散熱片的另一方則由銅或銅合金而加以構成之附有散熱片功率模組用基板中，固相擴散接合金屬層與散熱片者。
作為接合陶瓷基板與金屬板，絕緣電路基板與散熱片，鋁板與銅板等構件彼此而得到接合體的方法，專利文獻5~7係揭示於接合之構件之間，使用含有聚乙二醇等之有機物的暫時固定材，在進行構件彼此的位置調整而暫時過定之狀態，經由將構件彼此加壓於層積方向而進行加熱之時，接合構件彼此的方法。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利第3171234號公報 　　[專利文獻2] 日本專利第5403129號公報 　　[專利文獻3] 日本特開2015-070199號公報 　　[專利文獻4] 日本特開2014-099596號公報 　　[專利文獻5] 日本特開2014-175425號公報 　　[專利文獻6] 日本特開2014-209591號公報 　　[專利文獻7] 日本特開2016-105452號公報
[發明欲解決之課題]
但，對於如上述使用暫時固定材而接合時，經由加熱，加以分解暫時固定材之有機物而產生有分解氣體。對於以高的荷重而加壓構件彼此於層積方向之情況，前述分解氣體則未自構件彼此之接合界面被充分排出而殘存，有著無法充分地接合構件彼此之問題。 　　另一方面，對於降低設定加壓構件彼此於層積方向時之荷重的情況，係有構件彼此之接合強度不足之虞。
本發明係提供：可自接合界面充分地排出在接合時，自暫時固定材之有機物產生的分解氣體，可安定接合構件彼此之接合體的製造方法，及適用此接合體的製造方法之絕緣電路基板的製造方法，附有散熱片絕緣電路基板之製造方法。 [為了解決課題之手段]
本發明之接合體的製造方法係接合第1構件與第2構件之接合體的製造方法，其中，具備：於前述第1構件的接合面及前述第2構件之接合面的至少一方，配設含有有機物之暫時固定材，藉由前述暫時固定材而層積前述第1構件與前述第2構件，形成暫時固定前述第1構件與前述第2構件之層積體之層積工程，和加壓前述層積體於層積方向而進行加熱，接合前述第1構件與前述第2構件之接合工程。在前述接合工程中，在將前述層積體加熱至特定之接合溫度(接合時之加熱溫度)為止之升溫過程中，至少將前述暫時固定材所含有，在前述有機物的分解溫度TD 之加壓荷重P2，較在前述接合溫度之加壓荷重P1為低而設定者為特徵。
如根據此方法，在前述接合工程中，在將前述層積體加熱至特定之接合溫度為止之升溫過程中，因至少將前述暫時固定材所含有，在前述有機物的分解溫度TD 之加壓荷重P2，較在前述接合溫度之加壓荷重P1為低而設定之故，在暫時固定材之有機物產生分解而產生有分解氣體的時點，未加以強按壓第1構件及第2構件之故，未有阻礙分解氣體的排出，而可自接合界面迅速地排出分解氣體。另一方面，在欲自接合界面充分地排出分解氣體之後，可提高設定在接合溫度的加壓荷重P1之故，可未受到殘存於界面之分解氣體的影響而確實地接合第1構件及第2構件。 　　暫時固定材則含有複數種之有機物的情況，將分解溫度為最高之有機物的分解溫度，定義為在本說明書之「暫時固定材所含有之前述有機物的分解溫度TD 」。
前述加壓荷重P2係將前述暫時固定材所含有之前述有機物的分解溫度作為TD 之情況，為TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重者為佳。對於在分解溫度範圍之加壓荷重產生變動之情況，係作為平均加壓加重。此情況，對於前述暫時固定材所含有之前述有機物的分解溫度TD 而言，由將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2，較在前述接合溫度之加壓荷重P1為低而設定者，可確實地自接合界面迅速地排出分解氣體。
在本發明之一形態的接合體之製造方法中，前述加壓荷重P2則為0.1MPa以上0.7MPa以下之範圍內者為佳。此情況，至少前述暫時固定材所含有之前述有機物的分解溫度TD 之加壓荷重P2則因比較低地設定為0.1MPa以上0.7MPa以下之範圍內之故，未有分解氣體封閉於界面而阻礙排出，而可迅速且充分地自接合界面排出分解氣體，可降低分解氣體殘存於接合界面而使接合不佳產生之虞。
本發明之絕緣電路基板之製造方法係具備絕緣層，和接合於前述絕緣層之至少單方的面之金屬板的絕緣電路基板之製造方法，其中，經由上述之接合體的製造方法，接合作為前述第1構件之前述絕緣層，和作為前述第2構件之前述金屬板。
如根據此方法，因經由上述之接合體的製造方法而接合絕緣層與金屬板之故，可自絕緣層與金屬板之接合界面有效率地排出含有於暫時固定材之有機物的分解氣體，而可良好地接合絕緣層與金屬板。
本發明之絕緣電路基板之製造方法係具備絕緣層，和接合於前述絕緣層之至少單方的面之金屬板的絕緣電路基板之製造方法，其中，前述金屬板係作為由第1金屬板與和前述第1金屬板不同之材質所構成之第2金屬板的層積板，而經由上述之接合體的製造方法，接合作為前述第1構件之前述第1金屬板與作為前述第2構件之前述第2金屬板。
如根據此方法，因經由上述之接合體的製造方法而接合第1金屬板與第2金屬板之故，可自第1金屬板與第2金屬板之接合界面有效率地排出含有於暫時固定材之有機物的分解氣體，而可良好地接合第1金屬板與第2金屬板。
本發明之附有散熱片絕緣電路基板之製造方法，係具備絕緣層與接合於前述絕緣層之至少單方的面之金屬板的絕緣電路基板，和加以配設於前述絕緣層之另一方的面側之散熱片的附有散熱片絕緣電路基板之製造方法，其中，經由上述之接合體的製造方法而接合作為前述第1構件之前述絕緣電路基板與作為前述第2構件之前述散熱片。
如根據此方法，因經由上述之接合體的製造方法而接合絕緣電路基板與散熱片之故，可自絕緣電路基板與散熱片之接合界面有效率地排出含有於暫時固定材之有機物的分解氣體，而可良好地接合絕緣電路基板與散熱片。 [發明效果]
如根據本發明，可自接合界面充分地排出在接合時之暫時固定材之有機物的分解氣體，而可安定接合構件彼此。
以下，對於本發明之實施形態，參照圖面加以說明。 　　圖1係顯示經由本發明之一實施形態所製造的功率模組1。
功率模組1係具備：附有散熱片絕緣電路基板30，和藉由焊錫層2而加以接合於附有散熱片絕緣電路基板30之一方側(圖1之上側)的半導體元件3。附有散熱片絕緣電路基板30係具備：絕緣電路基板10，和接合於絕緣電路基板10之另一方側(在圖1中為下側)之散熱片31。絕緣電路基板10及附有散熱片絕緣電路基板30則各經由本發明之一實施形態而加以製造。
焊錫層2係例如作為Sn‐Ag系、Sn‐Cu系、Sn‐In系、或者Sn‐Ag‐Cu系等之焊錫材(所謂無鉛銲錫材)。 　　半導體元件3係具備半導體之電子零件，因應作為必要之機能而加以選擇各種半導體元件。
絕緣電路基板10係如圖1所示，具備成為絕緣層平板狀的陶瓷基板11，和配設於陶瓷基板11之一方的面(在圖1中為上面)之平板狀的電路層12，和加以配設於陶瓷基板11之另一方的面(在圖1中為下面)之平板狀的金屬層13。在此實施形態中，為了將絕緣作為確實，較陶瓷基板11，縮小電路層12及金屬層13之平面尺寸。此等平面形狀係因應用途而形成為矩形狀等任何形狀亦可。
陶瓷基板11係為防止電路層12與金屬層13之間的電性連接之構成，雖未加以限定，但例如以絕緣性高之AlN(氮化鋁)而加以構成。陶瓷基板11之厚度係加以設定為0.2mm以上1.5mm以下之範圍內亦可，例如，加以設定為0.635mm亦可。
電路層12係於陶瓷基板11之一方的面(在圖1中為上面)，加以接合具有鋁，鋁合金，銅，或銅合金等之高導電性的金屬而加以形成。電路層12之厚度t1係加以設定為0.1mm以上1.0mm以下之範圍內亦可。在本實施形態中，電路層12係理想為純度99.00質量%以上，不足99.50質量的鋁(以下，稱為2N鋁)之延壓板所成的鋁板22，則加以接合於陶瓷基板11之一方的面而形成。鋁板22之厚度t1係雖未加以限定，但例如作為0.6mm。
金屬層13係加以接合鋁或鋁合金，銅或銅合金等之金屬板於陶瓷基板11之另一方的面(在圖1中為下面)而形成。金屬層13之厚度t2係加以設定為0.6mm以上6.0mm以下之範圍內亦可。在本實施形態中，金屬層13係理想為純度99.99質量%以上的鋁(以下，稱為4N鋁)之延壓板所成的鋁板23，則加以接合於陶瓷基板11之另一方的面而形成。鋁板23之厚度t2係雖未加以限定，但例如作為1.6mm亦可。
散熱片31係為了散發絕緣電路基板10側的熱。散熱片31係由熱傳導性良好之銅或銅合金而加以構成，在本實施形態中係由無氧銅而加以構成。散熱片31之厚度係加以設定為3mm以上10mm以下之範圍內亦可。 　　在本實施形態中，經由固相擴散接合而加以接合絕緣電路基板10之金屬層13與散熱片31。
接著，對於本實施形態之絕緣電路基板之製造方法，及附有散熱片絕緣電路基板之製造方法，使用圖2~圖4而加以說明。 　　首先，如在圖3所示，接合金屬板22於陶瓷基板11之一方的面而形成電路層12之同時，接合金屬板23於陶瓷基板11之另一方的面而形成金屬層13(金屬板接合工程S01)。 　　在本實施形態中，作為金屬板22，23，使用純度99質量%以上的鋁(2N-Al)所成的鋁板22，23亦可。
在金屬板接合工程S01中，如圖3所示，於陶瓷基板11之一方的面，使箔狀之Al-Si系的硬焊材26介入存在，層積成為電路層12之金屬板22。硬焊材26之平面形狀係與金屬板22之底面形狀一致，或若干為小亦可。另一方面，於陶瓷基板11之另一方的面，使箔狀之Al-Si系的硬焊材27介入存在，層積成為金屬層13之金屬板23。硬焊材27之平面形狀係與金屬板23之底面形狀一致，或若干為小亦可。在Al-Si系的硬焊材26，27中，使用Si濃度為1質量%以上12質量%以下之範圍內的構成者為佳。另外，Al-Si系的硬焊材26，27厚度係作為5μm以上15μm以下之範圍內者為佳。
此時，於金屬板22之接合面，金屬板23之接合面，及陶瓷基板11之接合面，加以配設暫時固定材40，而金屬板22，硬焊材26，陶瓷基板11，硬焊材27，金屬板23則相互加以位置調整而暫時固定。
暫時固定材40之配置係未加以限定，但例如，如圖3所示，於較金屬板22及金屬板23之外周緣為內側一定距離遠離之位置，使用分配器而加以塗佈為線狀或帶狀亦可，或者亦可附著為複數的點狀。經由網版印刷而將暫時固定材40，塗佈於接合面之一部分，圖案狀部分，或全面亦可。暫時固定材40之附著量係在之後的作業中未產生偏移於所暫時固定之界面的範圍，儘可能少量為佳。
暫時固定材40係例如為樹脂與溶劑之混勻物亦可。此情況，作為前述樹脂係可舉出：乙基纖維素，甲基纖維素，聚甲基丙烯酸甲酯，丙烯酸樹脂，苯乙烯樹脂，酯樹脂，苯酚樹脂，胺甲酸乙酯樹脂，三聚氰胺樹脂，尿素樹脂，環氧樹脂，二甲苯樹脂，醇酸樹脂，脂肪族碳化氫樹脂，丁醛樹脂，馬來樹脂，富馬酸樹脂，及此等1種或2種以上的混合物等。作為前述溶劑係可舉出：甲氧乙醇，乙氧乙醇，α-松油醇，甲苯，酯醇，檸檬酸三乙酯，及此等1種或2種以上的混合物等。在塗佈後，溶劑係揮發，經由殘留之樹脂而得到暫時固定效果。
作為暫時固定材40係亦可使用聚乙二醇(PEG)。聚乙二醇(PEG)係經由平均重量分子量，熔融溫度則不同之故，對於在室溫(25℃)中使用固體之PEG的情況，在進行暫時固定時，在加熱熔融之後層積各構件，進行位置調整之後，進行冷卻而使其固化進行暫時固定即可。
作為暫時固定材40係亦可使用月桂酸，肉豆蔻酸，棕櫚酸，硬脂酸，及此等1種或2種以上的混合物等之飽和脂肪酸者。如此之飽和脂肪酸係通常，在室溫(25℃)中為固體之故，而可在室溫(25℃)中與使用前述固體PEG之情況同樣地使用者。
接著，將相互加以暫時固定之金屬板22，硬焊材26，陶瓷基板11，硬焊材27，金屬板23之層積體，在使用加壓裝置而加壓於層積方向的狀態而裝入至真空加熱爐，在真空加熱爐內進行加熱。經由此，接合金屬板22與陶瓷基板11而形成電路層12，接合金屬板23與陶瓷基板11而形成金屬層13。
在金屬板接合工程S01之接合條件係理想為加以設定為真空度為10-6 Pa以上10-3 Pa以下之範圍內，接合溫度為560℃以上655℃以下之範圍內，在上述接合溫度的保持時間為10分以上45分以下之範圍內。
在金屬板接合工程S01中，在將上述層積體加熱至接合溫度的升溫過程中，將暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度作為TD 之情況，將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2，較在接合溫度之加壓荷重P1為低而設定。即，在此方法中，將加以配設於陶瓷基板11與金屬板22，23之暫時固定材40的有機物之分解溫度TD 作為基準，而規定加壓荷重P2。
暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度TD 係使用熱重量示差熱分析裝置(TG-DTA)，在非活性氣體(Ar)環境下，以10℃/分之升溫速度而加熱暫時固定材40，作為有機物之重量減少率成為95%以上之時點的溫度。如上述，在升溫過程，接合溫度，降溫過程中，為了控制加壓荷重，在本實施形態中，使用熱壓裝置而加壓層積體者為佳。
在本實施形態中，將在上述層積體之接合溫度的加壓荷重P1，理想係設定為0.8MPa以上3.5MPa以下(8kgf/cm2 以上35kgf/cm2 以下)之範圍內。 　　另外，在至接合溫度為止之升溫過程中，將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2，理想係設定為0.1MPa以上0.7MPa以下(1kgf/cm2 以上7kgf/cm2 以下)之範圍內。 　　經由此，在接合溫度的加壓荷重P1，和TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2的比P1/P2則為1.1以上35.0以下之範圍內者為佳。
加壓荷重P1之下限係作為0.8MPa以上(8kgf/cm2 以上)者為佳，而作為1.2MPa以上(12kgf/cm2 以上)者更佳。加壓荷重P1之上限係作為3.5MPa以上(35kgf/cm2 以下)者為佳，而作為2.8MPa以下(28kgf/cm2 以下)者更佳。
接合溫度的下限係作為560℃以上者為佳，而作為610℃以上者為更佳。接合溫度的上限係作為655℃以下者為佳，而作為650℃以下者為更佳。
在接合溫度的保持時間之下限係作為10分以上者為佳，而作為15分以上者更佳。在接合溫度的保持時間之上限係作為45分以下者為佳，而作為30分以下者更佳。 　　歷經如以上之工程，加以製造本實施形態之絕緣電路基板10。
接著，如圖4所示，於絕緣電路基板10之金屬層13的另一方側(在圖4中為下側)，層積散熱片31。將加以層積絕緣電路基板10與散熱片31之散熱片層積體，使用加壓裝置而加壓於層積方向之狀態，裝入至真空加熱爐，經由以鋁與銅之不足共晶溫度的接合溫度進行保持之時，固相擴散接合金屬層13與散熱片31(散熱片接合工程S02)。
此時，於金屬層13之接合面，及散熱片31之接合面，加以配設暫時固定材40，而加以位置調整金屬層13與散熱片31而暫時固定。在散熱片接合工程S02中所使用之暫時固定材40係可適用在上述之金屬板接合工程S01中所使用之暫時固定材40。
接著，將加以層積絕緣電路基板10與散熱片31的散熱片層積體，在使用加壓裝置而加壓於層積方向之狀態而裝入至真空加熱爐，固相擴散接合金屬層13與散熱片31。在散熱片接合工程S02之接合條件係理想為加以設定為真空條件為10-6 Pa以上10-3 Pa以下之範圍內，接合溫度為400℃以上548℃以下之範圍內，在接合溫度的保持時間為30分以上150分以下之範圍內。
在散熱片接合工程S02中，在將上述的散熱片層積體加熱至接合溫度為止之升溫過程中，將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P12，較在接合溫度之加壓荷重P11為低而設定。即，將加以配設於金屬層13與散熱片31之暫時固定材40的有機物之分解溫度TD 作為基準，而規定加壓荷重P12。如上述，在升溫過程，接合溫度，降溫過程中，為了控制加壓荷重，在本實施形態中，使用熱壓裝置而加壓散熱片層積體者為佳。
在本實施形態中，將在上述之散熱片層積體之接合溫度的加壓荷重P11，設定為0.8MPa以上3.5MPa以下(8kgf/cm2 以上35kgf/cm2 以下)之範圍內。 　　另外，在至接合溫度為止之升溫過程中，將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P12，理想係設定為0.1MPa以上0.7MPa以下(1kgf/cm2 以上7kgf/cm2 以下)之範圍內。 　　在接合溫度的加壓荷重P11與升溫過程中，與TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P12的比P11/P12則為1.1以上35.0以下之範圍內者為佳。
加壓荷重P11之下限係作為0.8MPa以上(8kgf/cm2 以上)者為佳，而作為1.2MPa以上(12kgf/cm2 以上)者更佳。加壓荷重P11之上限係作為3.5MPa以上(35kgf/cm2 以下)者為佳，而作為2.8MPa以下(28kgf/cm2 以下)者更佳。
接合溫度的下限係作為440℃以上者為佳，而作為500℃以上者為更佳。接合溫度的上限係作為548℃以下者為佳，而作為530℃以下者為更佳。 　　在接合溫度的保持時間之下限係作為30分以上者為佳，而作為60分以上者更佳。在接合溫度的保持時間之上限係作為150分以下者為佳，而作為120分以下者更佳。
經由如以上之工程，加以製造本實施形態之附有散熱片絕緣電路基板30。 　　接著，於電路層12之一方的面，藉由焊錫材而層積半導體元件3，在加熱爐內進行焊錫接合(半導體元件接合工程S03)。 　　如上述作為，加以製造本實施形態之功率模組1。
如根據如以上之絕緣電路基板之製造方法，在金屬板接合工程S01中，在將層積體加以熱至接合溫度的升溫過程中，將暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度作為TD 之情況，因將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2，較在接合溫度之加壓荷重P1為低而設定之故，在暫時固定材40之有機物產生分解而產生分解氣體的時點，未加以強按壓金屬板22，23與陶瓷基板11，而未有封閉分解氣體於金屬板22，23與陶瓷基板11之接合界面情況，而可迅速地排出分解氣體。另外，在除去分解氣體之後，因提升溫度至接合溫度為止而提高加壓力至加壓荷重P1為止之故，殘留於界面之分解氣體則未帶來不良影響，而可確實地接合金屬板22，23與陶瓷基板11，可製造對於接合信賴性優越之絕緣電路基板10。
對於將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2作為成0.1MPa以上0.7MPa以下(1kgf/cm2 以上7kgf/cm2 以下)之範圍內的情況，係可自接合界面確實地排出暫時固定材40所含有之有機物的分解氣體，而可確實地抑制經由分解氣體的殘存之接合不良的產生。 　　另外，對於將在接合溫度之加壓荷重P1設定為0.8MPa以上3.5MPa以下(8kgf/cm2 以上35kgf/cm2 以下)之範圍內的情況，係可堅固地接合陶瓷基板11與金屬板22，23。
另外，在散熱片接合工程S02中，在將散熱片層積體加熱至接合溫度為止之升溫過程中，因將暫時固定材40所含有之有機物之分解溫度TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P12，較在接合溫度之加壓荷重P11為低而設定之故，在暫時固定材40之有機物產生分解而產生分解氣體的時點，未加以強按壓金屬層13與陶瓷基板31，而可自金屬層13與散熱片31之接合界面迅速地排出分解氣體。另外，在除去分解氣體之後，可提高設定在接合溫度之加壓荷重P11。隨之，可確實地接合金屬層13與散熱片31，而可製造對於接合信賴性優越之附有散熱片絕緣電路基板30。
對於在至接合溫度為止之升溫過程中，暫時固定材40所含有之有機物之分解溫度TD 而言，將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P12作為成0.1MPa以上0.7MPa以下(1kgf/cm2 以上7kgf/cm2 以下)之範圍內的情況，係可自接合界面確實地排出暫時固定材40所含有之有機物的分解氣體，而可確實地抑制經由分解氣體的殘存之接合不良的產生。 　　對於將在接合溫度之加壓荷重P11設定為0.8MPa以上3.5MPa以下(8kgf/cm2 以上35kgf/cm2 以下)之範圍內的情況，係可堅固地接合金屬層13與散熱片31。
接著，對於本發明之第二實施形態的絕緣電路基板之製造方法，參照圖5~圖7而加以說明。對於與第一實施形態同一之構件係附上同一的符號，而省略說明。 　　絕緣電路基板110係如圖5所示具備：陶瓷基板11(絕緣層)，和配設於此陶瓷基板11之一方的面(在圖5中為上面)之電路層112，和加以配設於陶瓷基板11之另一方的面(在圖5中為下面)之金屬層113。
金屬層113係如圖7所示，於陶瓷基板11之另一方的面(在圖5中為下面)，經由加以接合金屬板123之時而加以形成。在本實施形態中，金屬板123係作為鋁或鋁合金所成之鋁板。 　　電路層112係如在圖5所示，具有加以配設於陶瓷基板11之一方的面之鋁層112A，和加以層積於鋁層112A之一方側(在圖5中為上側)之銅層112B。
鋁層112A係如圖7所示，鋁板122A則加以接合於陶瓷基板11之一方的面而形成。在本實施形態中，鋁層112A係由純度為99.99mass%以上的鋁(所謂，4N鋁)之延壓板所成之鋁板122A則加以接合於陶瓷基板11者而加以形成。 　　銅層112B係接合於鋁層112A之一方側(在圖5中為上側)而加以形成。在本實施形態中，銅層112B係如圖7所示，固相擴散接合於無氧銅的延壓板所成之銅板122B於鋁層112A而加以形成。
對於本實施形態之絕緣電路基板之製造方法，參照圖6及圖7加以說明。首先，如在圖7所示，接合鋁板122A於陶瓷基板11之一方的面而形成鋁層112A之同時，接合金屬板(鋁板)123於陶瓷基板11之另一方的面而形成金屬層113(鋁板接合工程S101)。
在鋁板接合工程S101中，如圖7所示，於陶瓷基板11之一方的面，使Al-Si系之硬焊材26介入存在，層積成為鋁層122A之鋁板122A，於陶瓷基板11之另一方的面使Al-Si系之硬焊材27介入存在，層積成為金屬層13之金屬板(鋁板)123。
此時，於鋁板122A之接合面，金屬板(鋁板)123之接合面，及陶瓷基板11之接合面，加以配設暫時固定材40，加以位置調整鋁板122A，硬焊材26，陶瓷基板11，硬焊材27，金屬板(鋁板)123而暫時固定。
接著，將鋁板122A，硬焊材26，陶瓷基板11，硬焊材27，金屬板(鋁板)123之層積體，在使用加壓裝置而加以至層積方向的狀態而裝入至真空加熱爐，接合鋁板122A與陶瓷基板11而形成鋁層112A，接合金屬板(鋁板)123與陶瓷基板11而形成金屬層113。 　　在鋁板接合工程S101之接合條件係理想為加以設定為真空條件為10-6 Pa以上10-3 Pa以下之範圍內，接合溫度為560℃以上655℃以下之範圍內，在接合溫度的保持時間為10分以上150分以下之範圍內。
在鋁板接合工程S101中，在將上述層積體加熱至接合溫度的升溫過程中，對於暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度TD 而言，將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2，較在接合溫度之加壓荷重P1為低而設定。如上述，在升溫過程，接合溫度，降溫過程中，為了控制加壓荷重，在本實施形態中，使用熱壓裝置而加壓層積體。
在本實施形態中，理想係將在上述層積體之接合溫度的加壓荷重P1，設定為0.8MPa以上3.5MPa以下(8kgf/cm2 以上35kgf/cm2 以下)之範圍內。另外，在至接合溫度為止之升溫過程中，將暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2，設定為0.1MPa以上0.7MPa以下(1kgf/cm2 以上7kgf/cm2 以下)之範圍內。 　　在接合溫度的加壓荷重P1與升溫過程中，至少暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2的比P1/P2則為1.1以上35.0以下之範圍內者為佳。
加壓荷重P1之下限係作為0.8MPa以上(8kgf/cm2 以上)者為佳，而作為1.2MPa以上(12kgf/cm2 以上)者更佳。加壓荷重P1之上限係作為3.5MPa以上(35kgf/cm2 以下)者為佳，而作為2.8MPa以下(28kgf/cm2 以下)者更佳。
接合溫度的下限係作為440℃以上者為佳，而作為500℃以上者為更佳。接合溫度的上限係作為548℃以下者為佳，而作為530℃以下者為更佳。 　　在接合溫度的保持時間之下限係作為30分以上者為佳，而作為60分以上者更佳。在接合溫度的保持時間之上限係作為120分以下者為佳。
接著，如在圖7所示，於鋁層112A之一方側，層積銅板122B，在使用加壓裝置而加壓至層積方向之狀態而裝入至真空加熱爐，固相擴散接合鋁層112A與銅板122B，形成加以層積鋁層112A與銅層112B之電路層112(銅板接合工程S102)。 　　在銅板接合工程S102之接合條件係加以設定為真空條件為10-6 Pa以上10-3 Pa以下之範圍內，接合溫度為440℃以上548℃以下之範圍內，在接合溫度的保持時間為30分以上150分以下之範圍內。
在銅板接合工程S102中，在將上述層積體加熱至接合溫度的升溫過程中，對於暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度TD 而言，將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P22，較在接合溫度之加壓荷重P21為低而設定。 　　如上述，在升溫過程，接合溫度，降溫過程中，為了控制加壓荷重，在本實施形態中，使用熱壓裝置而加壓層積體者為佳。
在本實施形態中，理想係在銅板接合工程S102中，將在接合溫度的加壓荷重P21，設定為0.8MPa以上3.5MPa以下(8kgf/cm2 以上35kgf/cm2 以下)之範圍內。另外，在至接合溫度為止之升溫過程中，將暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P22，設定為0.1MPa以上0.7MPa以下(1kgf/cm2 以上7kgf/cm2 以下)之範圍內。 　　在接合溫度的加壓荷重P21，與TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P22的比P21/P22則為1.1以上35.0以下之範圍內者為佳。
加壓荷重P21之下限係作為0.8MPa以上(8kgf/cm2 以上)者為佳，而作為1.2MPa以上(12kgf/cm2 以上)者更佳。加壓荷重P21之上限係作為3.5MPa以上(35kgf/cm2 以下)者為佳，而作為2.8MPa以下(28kgf/cm2 以下)者更佳。
接合溫度的下限係作為440℃以上者為佳，而作為500℃以上者為更佳。接合溫度的上限係作為548℃以下者為佳，而作為530℃以下者為更佳。在接合溫度的保持時間之下限係作為60分以上者為佳。在接合溫度的保持時間之上限係作為120分以下者為佳。經由如以上之工程，加以製造本實施形態之絕緣電路基板110。
如根據作為如以上構成之本實施形態的絕緣電路基板之製造方法，在鋁板接合工程S101及銅板接合工程S102中，在將層積體加熱至接合溫度為止之升溫過程中，對於暫時固定材40所含有之有機物的分解溫度TD 而言，因將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2，P22，較在接合溫度之加壓荷重P1，P21為低而設定之故，在暫時固定材40之有機物產生分解而發生分解氣體的時點，未加以強按壓陶瓷基板11與鋁板122A，鋁層112A與銅板122B，而可自此等接合界面，迅速地排出分解氣體。可加高設定在接合溫度的加壓荷重P1、P21。隨之，可確實地接合陶瓷基板11與鋁板122A，鋁層112A與銅板122B，而可製造對於接合信賴性優越之絕緣電路基板110。
對於在至接合溫度為止之升溫過程中，將TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重P2，P22作為比較低之0.1MPa以上0.7MPa以下(1kgf/cm2 以上7kgf/cm2 以下)之範圍內而設定的情況，係可自接合界面迅速地排出暫時固定材40所含有之有機物的分解氣體，而可確實地抑制經由分解氣體的殘存之接合不良的產生。另外，對於將在接合溫度之加壓荷重P1，P21設定為0.8MPa以上3.5MPa以下(8kgf/cm2 以上35kgf/cm2 以下)之範圍內的情況，係可堅固地接合陶瓷基板11與鋁板122A，鋁層112A與銅板122B。
以上，對於本發明之實施形態已做過說明，但本發明係未加以限定於此等，而在不脫離其發明之技術思想範圍，可作適宜變更。
例如，在本實施形態中，作為搭載功率半導體元件於絕緣電路基板之電路層而構成功率模組之構成已做過說明，但並未加以限定於此等者。例如，亦可搭載LED元件於絕緣電路基板而構成LED模組，而搭載熱電元件於絕緣電路基板的電路層而構成熱電模組亦可。 　　在本實施形態中，以陶瓷基板而構成絕緣層之構成已做過說明，但並非限定於此，而亦可由樹脂等而構成絕緣層者。
在本實施形態中，作為使用硬焊材而接合陶瓷基板與鋁板之構成已做過說明，但並非限定於此者，而經由固相擴散接合而接合亦可。經由由使Cu、Si等之添加元素固著於接合面，使此等添加元素擴散者，而使其熔融・凝固之過渡液相接合法(TLP)而接合亦可。將接合界面作為半熔融狀態而接合亦可。
在本實施形態中，作為經由固相擴散接合而接合絕緣電路基板(金屬層)與散熱片之構成已做過說明，但並未限定於此者，而亦可適用焊接，TLP等之其他的接合方法。 　　在本實施形態中，作為由銅板之散熱板而構成散熱片者已做過說明，但並非限定於此，而亦可由鋁或鋁合金(例如，A3003合金、A6063合金等)板、或者含浸金屬於SiC等所成之碳質的多孔質體之碳質複合材料的板材而加以構成，亦可具備流通冷卻媒體於內部之流路的構成。 　　作為碳質複合材料，可最佳使用含浸鋁或鋁合金之AlSiC者。此情況，作為含浸的鋁係使用A6063合金或ADC12等之壓鑄用鋁合金即可。
對於使用AlSiC等之碳質複合材料所成之散熱片的情況，係例如，可提供如圖8所示之構造的附有散熱片絕緣電路基板230。圖8所示之絕緣電路基板210係於陶瓷基板11之一方的面，接合鋁板而加以形成電路層212之同時，於陶瓷基板11之另一方的面，接合鋁板而加以形成金屬層213。散熱片231係具有含浸於SiC之多孔質體的鋁材所成之面層231a。於絕緣電路基板210與散熱片231之間介入存在有銅板250，各加以固相擴散接合絕緣電路基板210之金屬層213與銅板250，銅板250與散熱片231之面層231a。
在本實施形態中，將鋁板與陶瓷基板之接合，和絕緣電路基板與散熱片的接合，作為以另外的工程而實施者已做過說明，但並非限定於此，而亦可層積鋁板，陶瓷基板，散熱片，將此加壓於層積方向而進行加熱，以同一的工程而實施此等之接合。
例如，如圖9所示，將僅於陶瓷基板11之一方的面，接合鋁板而加以形成電路層312之同時，於陶瓷基板11之另一方的面側，未形成金屬層之絕緣電路基板310作為對象亦可。 　　如圖10所示，將電路層412及金屬層413之一方作為由鋁板所成之構成，將以其他的金屬等而構成電路層412及金屬層413之另一方的絕緣電路基板410作為對象亦可。 [實施例]
以下，對於為了證明本發明之效果的實施例加以說明。
(實施例1) 　　準備AlN所成之陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)，於陶瓷基板之一方的面，藉由硬焊材而層積表2記載之鋁或鋁合金的延壓材所成之鋁板(37mm×37mm×0.4mmt)，而陶瓷基板之另一方的面，藉由硬焊材而層積表2記載之鋁或鋁合金的延壓材所成之鋁板(37mm×37mm×0.4mmt)。作為硬焊材，使用Al-7.5質量%Si合金所成之硬焊材箔(厚度12μm)。
此時，於陶瓷基板及鋁板之接合面，配置表1及表2所示之暫時固定材，進行陶瓷基板，鋁板，及硬焊材箔之位置調整而加以暫時固定。暫時固定材係根據以常溫溶解於液體的有機溶媒(自各種醇，N-甲基吡咯烷酮，甲苯等適宜選擇)，經由分配器而吐出之時而加以塗佈。 　　對於此用暫時固定材B~F之情況，係加溫暫時固定材，使其熔融而層積各構件之後，經由冷卻而凝固而加以暫時固定。
將層積體，使用加壓裝置(熱壓)而加壓於層積方向，加熱至表2所示之接合溫度為止，接合陶瓷基板與鋁板。真空度係作為6.0×10-4 Pa。此時，對於在至接合溫度為止之升溫過程中，暫時固定材所含有之有機物之分解溫度做成TD 之情況，將自加熱開始至TD +10℃為止之加壓荷重做為一定值P2，將超越TD +10℃而歷經以接合溫度的保持而降溫之過程的加壓荷重做為一定值P1。將此等接合條件示於表2。
對於如上述作為所得到之絕緣電路基板，對於鋁板(電路層)與陶瓷基板之接合性加以評估。將評估結果示於表2。
(接合性之評估) 　　接合性係使用超音波探傷裝置(股份有限公司Hitachi Power Solutions製FineSAT200)而測定絕緣電路基板之電路層與陶瓷基板之接合部的超音波探傷像，自以下式而算出接合率。 　　初期接合面積係指在接合前之欲接合面積，即作為絕緣電路基板的電路層之面積。 　　(接合率)={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積) 　　在將超音波探傷像作為二值化處理之畫像中，剝離係自以接合部內之白色部所顯示之情況，將白色部的面積做成剝離面積。 　　接合率為90%以上，評估為接合性「○」。
(實施例2) 　　於在實施例1之本發明例1所得到之絕緣電路基板的金屬層，層積無氧銅所成之散熱片(50mm×60mm×5mmt)。 　　此時，於金屬層與散熱片的接合面，配置表1及表3所示之暫時固定材，進行金屬層與散熱片的位置調整而加以暫時固定。暫時固定材之配置係作為成與實施例1同樣。 　　作為散熱片的材質而使用AlSiC及鋁合金(A6063，A3003)之情況，於絕緣電路基板與散熱片(AlSiC、A6063，A3003)之間，藉由銅板(37mm×37mm×0.2mmt)而加以層積，進行金屬層與銅板與散熱片的位置調整而加以暫時固定。 　　對於使用暫時固定材B~F之情況，係加溫暫時固定材，使其熔融而層積各構件之後，經由冷卻而凝固而加以暫時固定。
將層積體，使用加壓裝置(熱壓)而加壓於層積方向，加熱至表3所示之接合溫度為止，接合陶瓷基板與鋁板。真空度係作為6.0×10-4 Pa。此時，在至接合溫度為止之升溫過程中，將自加熱開始至TD +10℃為止之加壓荷重做為一定值P12，而將超越TD +10℃而歷經以接合溫度的保持而降溫之過程的加壓荷重做為一定值P11。將此等接合條件示於表3。
對於如上述作為所得到之附有散熱片絕緣電路基板，如以下評估金屬層與散熱片的接合狀況。將評估結果示於表3。
(接合性之評估) 　　接合性係使用超音波探傷裝置(股份有限公司Hitachi Power Solutions製FineSAT200)而測定附有散熱片絕緣電路基板之金屬層與散熱片的接合部(使用AlSiC及鋁合金之情況係銅板(銅層)與散熱片之接合部)之超音波探傷像，自以下式而算出接合率。 　　初期接合面積係指在接合前之欲接合面積，即作為附有散熱片絕緣電路基板的金屬層之面積。 　　(接合率)={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積) 　　在將超音波探傷像作為二值化處理之畫像中，剝離係自以接合部內之白色部所顯示之情況，將白色部的面積做成剝離面積。 　　接合率為90%以上，評估為接合性「○」。
Figure 02_image001
Figure 02_image003
Figure 02_image005
在升溫時(至分解溫度TD +10℃為止)之加壓荷重P2則與在接合溫度的保持・降溫時之加壓荷重P1作為同一，加壓荷重則作為2.1MPa之比較例1、2及比較例21、22中，係於接合界面殘留有有機物的殘渣，接合性則為不充分。 　　對此，在升溫時(至分解溫度TD +10℃為止)之加壓荷重P2則較在接合溫度的保持・降溫時之加壓荷重P1為低而加以設定之本發明例中，使用表1所示之複數種類的暫時固定材之情況之任一，均對於接合性優越。加以推測，於接合界面未殘留有有機物的殘渣之故。 [產業上之利用可能性]
如根據本發明，可自接合界面充分地排出在接合時之暫時固定材之有機物的分解氣體，而可安定接合構件彼此之故，可作為產業上之利用。
1‧‧‧功率模組3‧‧‧半導體元件10、110‧‧‧絕緣電路基板11‧‧‧陶瓷基板(絕緣層)12、112‧‧‧電路層13、113‧‧‧金屬層(鋁板)30‧‧‧附有散熱片絕緣電路基板31‧‧‧散熱片
圖1係經由本發明之一實施形態所製造之功率模組的剖面圖。 　　圖2係顯示圖1所示之絕緣電路基板之製造方法及附有散熱片絕緣電路基板之製造方法的流程圖。 　　圖3係顯示圖1之絕緣電路基板之製造方法之剖面圖。 　　圖4係顯示圖1之附有散熱片絕緣電路基板之製造方法的剖面圖。 　　圖5係經由本發明之第二實施形態的絕緣電路基板之製造方法所製造之絕緣電路基板的剖面圖。 　　圖6係顯示圖5所示之絕緣電路基板之製造方法之流程圖。 　　圖7係顯示圖5所示之絕緣電路基板之製造方法之剖面圖。 　　圖8係經由本發明之其他實施形態的附有散熱片絕緣電路基板之製造方法所製造之附有散熱片絕緣電路基板的剖面圖。 　　圖9係經由本發明之其他實施形態的絕緣電路基板之製造方法所製造之絕緣電路基板的剖面圖。 　　圖10係經由本發明之其他實施形態的絕緣電路基板之製造方法所製造之絕緣電路基板的剖面圖。
10‧‧‧絕緣電路基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
22‧‧‧鋁板
23‧‧‧鋁板
26‧‧‧硬焊材
27‧‧‧硬焊材
40‧‧‧暫時固定材

Claims (6)

  1. 一種接合體的製造方法係接合第1構件與第2構件之接合體的製造方法，其特徵為具備： 　　於前述第1構件的接合面及前述第2構件之接合面的至少一方，配設含有有機物之暫時固定材，藉由前述暫時固定材而層積前述第1構件與前述第2構件，形成暫時固定前述第1構件與前述第2構件之層積體之層積工程， 　　和加壓前述層積體於層積方向而加熱，接合前述第1構件與前述第2構件之接合工程； 　　在前述接合工程中，在將前述層積體加熱至特定之接合溫度為止之升溫過程中，至少將前述暫時固定材所含有之前述有機物的分解溫度TD 之加壓荷重P2，較前述接合溫度之加壓荷重P1為低地設定者。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之接合體的製造方法，其中，前述接合工程之前述加壓荷重P2係對於前述暫時固定材所含有之前述有機物之分解溫度TD 而言為TD -10℃以上TD +10℃之分解溫度範圍的加壓荷重者。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之接合體的製造方法，其中，前述加壓荷重P2則為0.1MPa以上0.7MPa以下之範圍內者。
  4. 一種絕緣電路基板之製造方法係具備絕緣層，和接合於前述絕緣層之至少單方的面之金屬板的絕緣電路基板之製造方法，其特徵為 　　經由如申請專利範圍第1項至第3項任一項記載之接合體的製造方法，接合作為前述第1構件之前述絕緣層，和作為前述第2構件之前述金屬板者。
  5. 一種絕緣電路基板之製造方法係具備絕緣層，和接合於前述絕緣層之至少單方的面之金屬板的絕緣電路基板之製造方法，其特徵為 　　前述金屬板係作為第1金屬板與由和前述第1金屬板不同之材質所構成之第2金屬板的層積板，且經由如申請專利範圍第1項至第3項任一項記載之接合體的製造方法，接合作為前述第1構件之前述第1金屬板與作為前述第2構件之前述第2金屬板者。
  6. 一種附有散熱片絕緣電路基板之製造方法，係具備：具備絕緣層與接合於前述絕緣層之至少單方的面之金屬板的絕緣電路基板，和配設於前述絕緣層之另一方的面側之散熱片的附有散熱片絕緣電路基板之製造方法，其特徵為 　　經由如申請專利範圍第1項至第3項任一項記載之接合體的製造方法，接合作為前述第1構件之前述絕緣電路基板，和作為前述第2構件之前述散熱片者。
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