TWI750332B - 附有散熱片功率模組用基板 - Google Patents

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TWI750332B
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湯本遼平
大井宗太郎
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日商三菱綜合材料股份有限公司
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Abstract

本發明係一種附有散熱片功率模組用基板，其中，具備：功率模組用基板，和於碳化矽所成之多孔質體，含浸鋁等所形成之鋁含浸碳化矽多孔質體所成之散熱片；將電路層之耐力作為σ1(MPa)、將電路層之厚度作為t1(mm)、將電路層與陶瓷基板之接合面積作為A1(mm2 )，將金屬層之耐力作為σ2(MPa)、將金屬層之厚度作為t2(mm)、將金屬層與陶瓷基板之接合面積作為A2(mm2 )時，厚度t1則形成為0.1mm以上3.0mm以下，厚度t2則形成為0.15mm以上5.0mm以下之同時，厚度t2則較厚度t1為大而加以形成，比率{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}則作為1.5以上15以下之範圍內。

Description

附有散熱片功率模組用基板
本發明係有關使用於控制大電流，高電壓之半導體裝置之附有散熱片功率模組用基板。
本申請係依據申請於2017年3月7日之日本特願2017-42543號而主張優先權，而將此內容援用於其內容。
作為附有散熱片功率模組用基板，例如如專利文獻1或專利文獻2所記載地知道有：於成為絕緣層之陶瓷基板之一方的面，加以形成銅等所成之電路層，而於陶瓷基板之另一方的面，加以形成銅等所成之金屬層，於與此金屬層之陶瓷基板相反側的面，加以接合鋁或銅等所成之散熱片(散熱板)之構成。於如此所構成之附有散熱片功率模組用基板的電路層之表面(上面)，經由焊接(安裝)半導體元件等之電子構件而加以製造功率模組。
由鋁或銅所成之散熱片係與功率模組用基板之線膨脹率差為大。因此，經由在電子構件的安裝工程而加以加熱，以及暴露於在功率模組之使用環境的溫度變化之情況之時，對於附有散熱片功率模組用基板產生有彎曲。例如，當在電子構件的安裝工程，對於附有散熱片功率模組用基板產生彎曲時，有著產生有電子構件的位置偏移，以及對於焊錫接合部產生偏差或斷裂等而損及接合信賴性之虞。
另外，當在功率模組之使用環境中，於附有散熱片功率模組用基板產生彎曲時，經由介入存在於散熱片與冷卻器之間的熱傳導性潤滑油則經由泵出現象而流出之時，而有損及散熱片與冷卻器之密著性，招致熱阻抗之增加者。更且，經由如此反覆於附有散熱片功率模組用基板產生彎曲之時，而有於陶瓷基板產生斷裂之虞。
因此，在此種附有散熱片功率模組用基板中，取代於鋁或銅，根據經由低熱膨脹，高熱傳導率之鋁含浸碳化矽多孔質體而形成散熱片之時，加以嘗試降低因功率模組用基板與散熱片之線膨脹差引起之彎曲。
鋁含浸碳化矽多孔質體係如專利文獻3或專利文獻4所記載地，主要於碳化矽(SiC)所成之多孔質體中，加以含浸鋁(Al)或鋁合金之同時，於其多孔質體表面，加以形成鋁或鋁合金的被覆層之鋁與碳化矽的複合體。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開平10-270596號公報 　　專利文獻2：日本特開2016-51778號公報 　　專利文獻3：日本特開2014-143351號公報 　　專利文獻4：日本特開2003-306730號公報
發明欲解決之課題
如專利文獻3或專利文獻4所記載地，以往係由經由低熱膨脹，高熱傳導率之鋁含浸碳化矽多孔質體而形成散熱片者，縮小功率模組用基板與散熱片之線膨脹差，而謀求產生於附有散熱片功率模組用基板之彎曲的降低。但產生於附有散熱片功率模組用基板之彎曲量的降低係不能說是充分，而更要求改善。
本發明係有鑑於如此之情事所作為之構成，其目的為提供：對於功率循環或冷熱循環而言之信賴性高的附有散熱片功率模組用基板。 為了解決課題之手段
本發明之附有散熱片功率模組用基板係具備：於陶瓷基板之一方的面，加以配設銅或銅合金所成之電路層，而於前述陶瓷基板之另一方的面，加以配設銅或銅合金所成之金屬層之功率模組用基板，和加以接合於前述功率模組用基板之前述金屬層，於碳化矽所成之多孔質體，加以含浸鋁或鋁合金之鋁含浸碳化矽多孔質體所成之散熱片；將前述電路層之耐力作為σ1(MPa)、將前述電路層之厚度作為t1(mm)、將前述電路層與前述陶瓷基板之接合面積作為A1(mm2 )，將前述金屬層之耐力作為σ2 (MPa)、將前述金屬層之厚度作為t2(mm)、將前述金屬層與前述陶瓷基板之接合面積作為A2(mm2 )時，前述厚度t1則形成為0.1mm以上3.0mm以下，而前述厚度t2則形成為0.15mm以上5.0mm以下之同時，前述厚度t2則較前述厚度t1為大而加以形成，而比率{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}則作為1.5以上15以下之範圍內。
形成散熱片之鋁含浸碳化矽多孔質體系具有接近於陶瓷基板之線膨脹率，但對於線膨脹率有僅一些差。因此，當金屬層為薄時，產生有因陶瓷基板與散熱片的線膨脹率差引起的彎曲。
在本發明之附有散熱片功率模組用基板中，因將剛性高的銅或銅合金所成之金屬層的厚度t2，做成較電路層之厚度t1為大(厚)之故，對於沿著金屬層之表背面之應力差而言，金屬層之阻抗力則成為支配性。因此，可降低因陶瓷基板與散熱片之線膨脹差引起之彎曲，而更可降低產生於附有散熱片功率模組用基板之彎曲。
但，將金屬層之厚度t2作為過大時，經由冷熱循環時之金屬層的熱伸縮，而有對於陶瓷基板產生破裂(斷裂)之虞。另外，當電路層之厚度t1則較金屬層之厚度t2為大時，電路層之熱伸縮的影響則變大之故，而產生有彎曲。因此，在特定的厚度範圍內而形成電路層與金屬層，將電路層與金屬層之關係，調整為比率{(σ2×t2×A2)/ (σ1×t1×A1)}則為1.5以上15以下之範圍內。經由此，可降低附有散熱片功率模組用基板之全體的彎曲，而可形成對於功率循環或冷熱循環而言之信賴性高之附有散熱片功率模組用基板。
然而，當電路層之厚度t1為不足0.1mm時，使用於陶瓷基板與電路層之接合的接合材則有在加熱時滲出於電路層之表面之虞。另外，當電路層之厚度t1則超出3.0mm時，例如，在接合半導體元件之情況等，在加熱附有散熱片功率模組用基板時，而有對於陶瓷基板產生斷裂之虞。
在金屬層之厚度t2則不足0.15mm中，無法充分發揮產生於經由加大金屬層之厚度t2之附有散熱片功率模組用基板之彎曲之降低效果。另外，當金屬層之厚度t2則超出5.0mm時，例如，在接合半導體元件之情況等，在加熱附有散熱片功率模組用基板時，而有對於陶瓷基板產生斷裂之虞。
作為本發明之附有散熱片功率模組用基板之理想的實施形態，在前述散熱片的下面中，將前述散熱片與前述金屬層之接合面之中心位置，作為測定範圍的中心，將該測定範圍之最大長度作為L(mm)，而將在前述測定範圍之前述散熱片的變形量作為Z(mm)，將加熱至285℃時之彎曲(Z/L2 )的值作為X，將在加熱至前述285℃之後冷卻至30℃為止時之彎曲(Z/L2 )的值作為Y時，前述彎曲X與前述彎曲Y之差分(Y-X)則作為-18.0×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下。在此，變形量Z係於電路層側，將凸的變形作為正，而於散熱片下面側，將凸的變形作為負。
在285℃加熱時之彎曲X，和在其加熱後自285℃冷卻至30℃為止時之彎曲Y的差分(Y-X)則作為-18.0×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下之附有散熱片功率模組用基板係產生於低溫時(30℃)與高溫時(285℃)之彎曲的變化亦小。在如此之附有散熱片功率模組用基板中，因產生於進行焊接或導線接合電子構件於電路層等時之彎曲，或產生於功率模組之冷熱循環負荷時之彎曲則為小之故，可在電子構件之焊接等之製造工程的作業性之提升，或可防止經由加熱之陶瓷基板的斷裂。
作為本發明之附有散熱片功率模組用基板之理想實施形態，前述彎曲X則-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下，而前述彎曲Y則-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下即可。
在彎曲X及Y則超過50×10-6 (mm-1 )之情況，將附有散熱片功率模組用基板締結於水冷式冷卻器等時，使用於散熱片與水冷式冷卻器之間的潤滑油的量則必須多量，而有熱阻抗上升之虞。另外，彎曲X及Y則不足-50×10-6 (mm-1 )之情況，在將附有散熱片功率模組用基板締結於水冷式冷卻器等時，而有加上負荷於陶瓷基板，產生有斷裂等之虞。
作為本發明之附有散熱片功率模組用基板之理想實施形態，於前述金屬層與前述散熱片之間，加以形成有具有鋁與銅之金屬間化合物的擴散層即可。
經由於功率模組用基板之金屬層與散熱片之間，形成具有鋁與銅之金屬間化合物的擴散層，藉由擴散層而接合金屬層與散熱片之時，可使金屬層與散熱片密著而堅固地接合。 發明效果
如根據本發明之附有散熱片功率模組用基板，可抑制伴隨溫度變化之陶瓷基板的斷裂發生，而可提高對於功率循環或冷熱循環而言之信賴性。
以下，對於本發明之實施形態，參照圖面同時加以說明。於圖1，顯示本實施形態的附有散熱片功率模組用基板101。此附有散熱片功率模組用基板101係具備：功率模組用基板10，和加以接合於此功率模組用基板10之散熱片20。
功率模組用基板10係如圖2所示，具備構成絕緣層之陶瓷基板11，和配設於此陶瓷基板11之一方的面(在圖1中為上面)之電路層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)之金屬層13。
陶瓷基板11係防止電路層12與金屬層13之間的電性連接之構成。陶瓷基板11係例如由AlN(氮化鋁)，Si3 N4 (氮化矽)，Al2 O3 (氧化鋁)，SiC(碳化矽)等之絶縁性高的陶瓷而加以形成，而厚度t3則加以形成為0.32mm以上1.0mm以下之範圍內。
電路層12係於陶瓷基板11之一方的面，經由加以接合銅或銅合金(理想係無氧銅：OFC)之銅板之時而加以形成。電路層12係經由蝕刻等而加以形成特定的電路圖案。電路層12之厚度t1(銅板的厚度)係形成為0.1mm以上3.0mm以下之範圍內。
金屬層13係於陶瓷基板11之另一方的面，經由加以接合銅或銅合金(理想係無氧銅：OFC)之銅板之時而加以形成。金屬層13之厚度t2(銅板的厚度)係形成為0.15mm以上5.0mm以下之範圍內。
在功率模組用基板10中，如圖2所示，將電路層12之耐力作為σ1(MPa)、將電路層12之厚度作為t1(mm)、將電路層12與陶瓷基板11之接合面積作為A1(mm2 )，將金屬層13之耐力作為σ2(MPa)、將金屬層13之厚度作為t2(mm)、將金屬層13與陶瓷基板11之接合面積作為A2(mm2 )時，電路層12之厚度t1則較金屬層13之厚度t2為大(厚)而加以形成，而電路層12與金屬層13之關係則呈比率{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}呈為1.5以上15以下之範圍內地加以調整。
然而，對於電路層12係加以形成有電路圖案，而對於具有分割成複數之圖案形狀之情況，係各圖案形狀之接合面積的總合則成為接合面積A1(mm2 )，而電路層12之接合面積A1係通常成為金屬層13之接合面積A2的90%程度之面積。另外，電路層12之耐力σ1，和金屬層13之耐力σ2係作為在調質(質別)記號「O」之25℃的耐力。
散熱片20係為了冷卻功率模組用基板10之構成。散熱片20係如圖1所示，接合於金屬層13之下面。散熱片20係如圖3所示，於碳化矽(SiC)所成之多孔質體21，加以含浸鋁(Al)或鋁合金，而於多孔質體21之表面，由形成含浸於內部之鋁或鋁合金的被覆層22之鋁含浸碳化矽多孔質體所成，而加以形成為平板狀。
作為含浸於散熱片20的多孔質體21之鋁係可使用純度99質量%以上的鋁(2N-Al)或純度99.99質量%的鋁(4N-Al)等之純鋁，或者Al：80質量%以上99.99質量以下、Si：0.01質量%以上12.6質量%以下、Mg：0.03質量%以上5.0質量%以下、残留部：具有不純物之組成的鋁合金者。另外，亦可使用ADC12或A356等之鋁合金。
散熱片20之厚度t4係可作為0.5mm以上5.0mm以下者。散熱片20之厚度t4係包含被覆多孔質體21兩面之被覆層22的厚度t141的厚度。相當被覆層22單面的厚度t141係作為散熱片20之厚度t4的0.01倍以上0.1倍以下者為佳。
形成被覆層22於多孔質體21之表面的散熱片20係例如，將多孔質體21，配置於呈具有特定之間隙於其周圍地加以設置之模型內，經由在壓入加熱熔融的鋁或鋁合金於其模型內，加以加壓之狀態進行冷卻而加以製造。如此，由壓入鋁等者，於與鋁等之潤濕性差之碳化矽的多孔質體21內部，可使鋁合金含浸，更且於多孔質體21之周圍間隙，充填鋁等而可於多孔質體21表面形成特定厚度之被覆層22。然而，經由切削加工所形成之被覆層22之時，調整被覆層22之厚度t141亦可。
另外，對於功率模組用基板10之金屬層13與散熱片20之間係經由金屬層13之銅原子與散熱片20的鋁原子相互擴散之時，加以形成具有銅與鋁所成之金屬間化合物的擴散層31。擴散層31之厚度t131係在被覆層22之厚度t141的範圍內中，形成為2μm以上50μm以下之範圍內者為佳。
然而，作為本實施形態之附有散熱片功率模組用基板101的理想組合例，功率模組用基板10之各構件係例如，經由陶瓷基板11為厚度t3=0.635mm之AlN(氮化鋁)、電路層12為厚度t1=0.3mm之OFC(無氧銅、耐力σ1：200MPa)、金屬層13為厚度t2=2.0mm之OFC(無氧銅、耐力σ2：200MPa)而加以構成。接合面積A1為1369mm2 、而接合面積A2為1369mm2 之情況，成為比率{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}=8.21。另外，散熱片20係所含浸的鋁等則由Al‐Si系合金而加以構成，全體的厚度t4為5.0mm，而被覆層22之厚度t141為100μm程度而加以構成。擴散層31之厚度t131係作為25μm程度。
然而，各構件的線膨脹率係作為AlN所成之陶瓷基板11則作為4.5×10-6 /K、OFC所成之電路層12及金屬層13則作為17.7×10-6 /K、含浸Al-Si系合金之鋁含浸碳化矽多孔質體所成之散熱片20則作為8.5×10-6 /K。
於如此所構成之附有散熱片功率模組用基板101之電路層12之上面，加以搭載有半導體元件等之電子構件30，如圖1所示，加以製造功率模組201。電子構件30係經由Sn-Cu、Sn-Cu-Ni等之焊錫材而加以接合於電路層12之上面，雖省略圖示，但對於電子構件30與電路層12之間係加以形成厚度50μm~200μm程度之焊錫接合部。
以下，說明本實施形態之附有散熱片功率模組用基板101之製造工程。
首先，接合成為電路層12之銅板與陶瓷基板11，和成為金屬層13之銅板與陶瓷基板11。成為電路層12之銅板及成為金屬層13之銅板，和陶瓷基板11之接合係經由所謂活性金屬焊接法而實施。
詳細而言，於陶瓷基板11之上面，藉由Ag‐Cu-Ti或Ag-Ti等之活性金屬焊接材(略圖示)而層積成為電路層12之銅板之同時，對於陶瓷基板11之下面，亦藉由同樣的活性金屬焊接材而層積成為金屬層13之銅板。並且，將層積此等銅板，活性金屬焊接材，陶瓷基板11之層積體，如圖4所示，對於其層積方向，在0.1MPa以上3.5MPa以下之範圍內進行加壓的狀態進行加熱，各接合成為電路層12之銅板與陶瓷基板11，成為金屬層13之銅板與陶瓷基板11而製造功率模組用基板10。此時之加熱條件係例如，加熱溫度則作為850℃，而加熱時間則作為10分鐘。
接著，於功率模組用基板10之金屬層13之下面，接合散熱片20。對於功率模組用基板10與散熱片20之接合係如圖5所示，使用具有凸曲面狀之加壓面51a的加壓板51，和具有凹曲面狀之加壓面52a之加壓板52的加壓治具50者為佳。對於兩片的加壓板51，52係將各對向之加壓面51a，52a，形成為具有曲率半徑R作為3000mm~7000mm之曲面的凹面或凸面即可。此情況，如圖5所示，以凹面加以形成加壓散熱片20之下面於層積方向的加壓板52之加壓面52a，而以凸面加以形成將功率模組用基板10之上面(電路層12之上面)加壓於層積方向之加壓板51的加壓面51a。然而，雖省略圖示，但對於加壓治具50係具備有將加壓板51，52驅使於層積方向而賦予加壓力之彈簧等之驅使手段。然而，作為加壓板51，52，亦可使用平板者。
於如此所構成之加壓治具50的加壓板51與加壓板52之間，重疊配置功率模組用基板10與散熱片20，將此等作為夾持於層積方向的狀態。此時，功率模組用基板10與散熱片20之層積體係經由加壓板51之加壓面51a與加壓板52之加壓面52a，而加壓於層積方向(厚度方向)，保持為將散熱片20之下面朝向下方而產生作為凸狀之變形(彎曲)的狀態。經由將功率模組用基板10與散熱片20之層積體，在經由加壓治具50之加壓狀態進行加熱之時，經由固相擴散接合而接合功率模組用基板10之金屬層13的下面與散熱片20之上面(被覆層22)。
此情況，固相擴散接合係在真空環境中，以加壓荷重(加壓力)0.1MPa~3.5MPa、加熱溫度450℃以上，不足548℃之加熱溫度，經由保持5分~240分而加以進行。經由此，功率模組用基板10之金屬層13與散熱片20(被覆層22)係金屬層13之銅原子，和散熱片20(被覆層22)之鋁原子則相互擴散。經由此，於金屬層13與散熱片20之間，形成具有銅與鋁之金屬間化合物的擴散層31，而功率模組用基板10與散熱片20則藉由擴散層31而加以接合。然而，擴散層31之厚度t131係因應接合時間而增加。
擴散層31係作為因應鋁原子與銅原子之存在比率而複數的組成之金屬間化合物，則沿著金屬層13與散熱片20的界面而加以層積之構成。也就是，在擴散層31之散熱片20側的範圍中，加以形成鋁原子之存在比率為高，而鋁的含有量為多之金屬間化合物相。另一方面，在擴散層31之金屬層13側的範圍中，加以形成銅原子之存在比率為高，而銅的含有量為多之金屬間化合物相。經由此，可使金屬層13與散熱片20相互密著而堅固地接合。
擴散層31係在金屬層13與散熱片20之接合界面中，鋁(Al)濃度為不足90atm%，且銅(Cu)濃度成為不足99atm%之處。例如，可將附有散熱片功率模組用基板101之縱剖面，經由於金屬層13及散熱片20之接合界面的厚度方向，進行經由EPMA(日本電子股份有限公司製JXA‐8530F、加速電壓：15kV、點徑：1μm以下、倍率：500倍、間隔：0.3μm)之線分析而加以測定。在線分析中，鋁(Al)濃度為不足90atm%，且銅(Cu)濃度成為不足99atm%之處的厚度則作為擴散層之厚度t131。
接著，將如此作為所接合之功率模組用基板10與散熱片20之接合體，在安裝於加壓治具50之狀態，也就是加壓之狀態，冷卻至30℃為止。此情況，功率模組用基板10與散熱片20之接合體係經由加壓治具50而加壓於厚度方向，在使作為將散熱片20之下面朝向下方之凸狀的彎曲之變形產生之狀態而加以約束。因此，伴隨冷卻的接合體之形狀係表面上呈未有看到變化，但抵抗應力而加以加壓，約束為冷卻時無法作為彎曲的變形之狀態的結果，產生塑性變形。並且，在冷卻至30℃為止之後，解放經由加壓治具50之加壓而製造附有散熱片功率模組用基板101。
在附有散熱片功率模組用基板101中，因將剛性高的銅或銅合金所成之金屬層13的厚度t2，做成較電路層12之厚度t1為大(厚)之故，對於沿著金屬層13之表背面(上下面)之應力差而言，金屬層13之阻抗力則成為支配性。因此，陶瓷基板11，和形成散熱片20之鋁浸含碳化矽多孔質體係雖然些微，對於線膨脹率有差，但可降低因陶瓷基板11與散熱片20之線膨脹差引起的彎曲。隨之，可降低產生於附有散熱片功率模組用基板101全體之彎曲。
但，當增加金屬層13之厚度t2時，例如，在半導體元件之接合等，加熱附有散熱片功率模組用基板101時，經由金屬層13之熱伸縮之時，有對於陶瓷基板11產生破裂(斷裂)之虞。另外，當電路層12之厚度t1則較金屬層13之厚度t2為大時，電路層12之熱伸縮的影響則變大之故，而產生有彎曲。
因此，在本實施形態之附有散熱片功率模組用基板101中，以0.1mm以上3.0mm以下之範圍內而形成電路層12之厚度t1，將金屬層13之厚度t2，較厚度t1為大而形成之同時，在0.15mm以上5.0mm以下之範圍內而形成，更且，經由將電路層12與金屬層13之關係，調整為比率{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}則成為1.5以上15以下之範圍內之時，謀求作為附有散熱片功率模組用基板101全體之平衡，而降低附有散熱片功率模組用基板101之全體的彎曲。
在如此所構成之附有散熱片功率模組用基板101中，在散熱片20之下面(背面)中，如圖6及圖7A~圖7C所示，將散熱片20與金屬層13之接合面的中心位置C作為測定範圍E之中心，將其測定範圍E之最大長度作為L，將在測定範圍E之散熱片20的變形量作為Z，將加熱至285℃時之彎曲(Z/L2 )的值作為X，而將加熱至285℃之後冷卻至30℃為止時之彎曲(Z/L2 )的值作為Y時，此等彎曲X與彎曲Y之差分(Y-X)則成為-18.0×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下，可縮小與高温時(285℃)和低温時(30℃)彎曲的變化量。在此，散熱片20之變形量Z係於電路層側，將凸的變形作為正，而於散熱片20下面側，將凸的變形作為負。
另外，附有散熱片功率模組用基板101係加熱為285℃時之彎曲(Z/L2 )的值X則作為-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下，而在加熱為285℃之後，冷卻至30℃為止之彎曲(Z/L2 )的值Y則作為-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下。
在彎曲X及Y則超過50×10-6 (mm-1 )之情況，將附有散熱片功率模組用基板101締結於水冷式冷卻器等時，使用於散熱片20與水冷式冷卻器之間的潤滑油的量則必須多量，而有熱阻抗上升之虞。另外，彎曲X及Y則不足-50×10-6 (mm-1 )之情況，在將附有散熱片功率模組用基板101締結於水冷式冷卻器等時，而有加上負荷於陶瓷基板11，產生有斷裂等之虞。
如以上說明，在附有散熱片功率模組用基板101中，因可降低產生於功率模組之製造時之彎曲，而抑制在熱處理過程中之彎曲變形之故，可提升在電子構件30之焊接等之製造工程的作業性，或提升對於功率模組之冷熱循環負荷而言之信賴性。
然而，當電路層之厚度t1為不足0.1mm時，使用於陶瓷基板11與電路層12之接合的接合材則有在加熱時滲出於電路層12之表面之虞。另外，當電路層12之厚度t1則超出3.0mm時，例如，在接合半導體元件之情況等，在加熱附有散熱片功率模組用基板101時，而有對於陶瓷基板11產生斷裂之虞。
另外，在金屬層13之厚度t2則不足0.15mm中，無法充分發揮產生於經由加大金屬層13之厚度t2之附有散熱片功率模組用基板101之彎曲之降低效果。另外，當金屬層13之厚度t2則超出5.0mm時，例如，在接合半導體元件之情況等，在加熱附有散熱片功率模組用基板101時，而有對於陶瓷基板11產生斷裂之虞。
然而，本發明係並非限定於上述實施形態者，而在細部構成中，在不脫離本發明之內容的範圍，可加上種種變更。 實施例
以下，對於為了確認本發明之效果而進行之實施例加以說明。如表1所記載地，複數製造變更電路層之材質(耐力σ1)、電路層之厚度t1及接合面積A1，和金屬層之材質(耐力σ2)、金屬層之厚度t2及接合面積A2的功率模組用基板。並且，固相擴散接合各功率模組用基板之金屬層與散熱片，製造形成擴散層於金屬層與散熱片之間的附有散熱片功率模組用基板之試料。
對於成為電路層之銅板係如表1所示，使用OFC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：200MPa)或ZC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：270MPa)所成之平面尺寸為37mm×37mm之矩形板。對於成為金屬層之銅板係使用OFC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：200MPa)或ZC(線膨脹率：17.7×10-6 /K、耐力：270MPa)所成之平面尺寸為37mm×37mm之矩形板。陶瓷基板係使用AlN(線膨脹率：4.5×10-6 /K)所成之厚度t3=0.635mm、平面尺寸40mm×40mm之矩形板。
對於各銅板與陶瓷基板之接合係使用Ag-Ti系活性金屬焊接材，層積銅板，活性金屬焊接材，陶瓷基板，以對於層積方向加壓荷重0.1MPa、加熱温度850℃、加熱時間10分鐘進行加壓同時進行加熱，各接合成為電路層之銅板與陶瓷基板，成為金屬層之銅板與陶瓷基板，而製造功率模組用基板。
表1之接合面積A1與接合面積A2係自各成為電路層或金屬層之銅板的平面尺寸算出的值，而使用此等的值而算出表2所示之比率S={(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}。
散熱片係使用由含浸Al-Si系合金於碳化矽(SiC)之鋁含浸碳化矽多孔質體(線膨脹率：8.5×10-6 /K)所成，作為全體的厚度t4=5.0mm、平面尺寸50mm×60mm之矩形板，表背面的被覆層之厚度t141則形成為100μm之構成。並且，功率模組用基板與散熱片的固相擴散接合係如表2所記載地，使用具有曲率半徑R之加壓面的加壓板，在真空環境中，以加壓荷重2.1MPa、加熱温度510℃、加熱時間150分鐘進行加壓･加熱而進行。然而，曲率半徑R為「∞」之情況，表示加壓面為平面者。
對於所得到之附有散熱片功率模組用基板之各試料，各評估「變形量Z」、「陶瓷斷裂」、「元件位置偏移」。
變形量Z之測定係進行(1)285℃加熱時，(2)285℃加熱後冷卻至30℃時之測定。並且，將在各時點之散熱片下面(背面)之平面度的變化，經由依據JESD22‐B112或JEITAED-7306之雲紋干涉術而測定。
雲紋干涉術係藉由以一定的間距，寬度所形成之繞射光柵，將測定光照射於測定面，再經由藉由繞射光柵，以攝影部而攝影在其測定面散射的散射光之時，得到雲紋干涉紋，依據其雲紋干涉紋與繞射光柵之間距或寬度等資訊而測定測定面的變形量之方法。然而，測定裝置係使用AkroMetrix公司製之Thermoire PS200。
在本實施例中，如圖6所示，將散熱片20與金屬層13之接合面的中心位置C作為測定範圍E之中心，測定其測定範圍E(參照圖7A~圖7C)之散熱片的下面之變形量Z。另外，變形量Z係於電路層側，將凸的變形作為正，而於散熱片下面側，將凸的變形作為負。
測定範圍E係如圖6及圖7A所示地，為W：36mm×H：36mm之矩形狀的範圍，而此情況，測定範圍E之對角線的長度則成為最大長度L。另外，變形量Z係如圖7B或圖7C所示，在測定範圍E之對角線上之測定值的最大值與最小值的差。並且，自變形量Z與最大長度L，算出彎曲(Z/L2 )。
陶瓷斷裂係在上述加熱試驗後，經由超音波探傷器而觀察陶瓷基板，而如對於陶瓷基板產生有斷裂時，作為不合格，如未產生有斷裂時，判定為合格。另外，元件位置偏移係在將電子構件焊接於電路層之後，經由計測其焊接位置之時，製作30個試料而確認位置偏移發生之有無。並且，將產生有0.2mm以上之位置偏移的情況作為不合格，而不足0.2mm之位置偏移之情況係評估為合格。
並且，在對於各試料30個進行之各評估中，將合格的比率為90%以上之情況評估為「良」、而將合格比率不足90%之情況評估為「不良」。將結果示於表3。
Figure 02_image001
Figure 02_image003
Figure 02_image005
從表1~3了解到，對於厚度t1為0.1mm以上3.0mm以下，厚度t2為0.15mm以上5.0mm以下、厚度t2則較厚度t1為大而加以形成，比率{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}則作為1.5以上15以下之範圍內的No.2~14之試料，係差分(Y-X)則成為-18.0×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下。並且，在此等No.1~14之試料中，在「陶瓷斷裂」，「元件位置偏移」之任何評估中均得到良好的結果。
另一方面，對於比率{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}之條件則自上述範圍脫離之No.15，16，19的試料，差分(Y-X)則自-18×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下之範圍脫離，而彎曲的變化量為大，產生有「元件位置偏移」。另外，在厚度t2則超過5.0mm之No.17的試料中，彎曲的變化量則變大，而加以確認在285℃之加熱後，對於陶瓷基板產生有斷裂的試料。在厚度t1超出3.0mm，而厚度t2超出5.0mm之No.18中，雖彎曲的變化量係為小，但加以確認在285℃之加熱後，對於陶瓷基板產生有斷裂的試料。 產業上之利用可能性
可抑制伴隨溫度變化之陶瓷基板的斷裂發生，而可提高對於功率循環或冷熱循環而言之信賴性。
10‧‧‧功率模組用基板11‧‧‧陶瓷基板12‧‧‧電路層13‧‧‧金屬層20‧‧‧散熱片21‧‧‧多孔質體22‧‧‧被覆層30‧‧‧電子構件50‧‧‧加壓治具51，52‧‧‧加壓板101‧‧‧附有散熱片功率模組用基板201‧‧‧功率模組
圖1係顯示本發明之附有散熱片功率模組用基板之剖面圖。 　　圖2係功率模組用基板之斜視圖。 　　圖3係散熱片的要部剖面圖。 　　圖4係說明圖1所示之附有散熱片功率模組用基板之製造方法的一部分的圖，說明功率模組用基板之製造工程的剖面圖。 　　圖5係說明圖1所示之附有散熱片功率模組用基板之製造方法的一部分的圖，說明功率模組用基板與散熱片之接合工程的剖面圖。 　　圖6係說明彎曲之測定範圍的模式圖，附有散熱片功率模組用基板之散熱片的下面之平面圖。 　　圖7A係說明彎曲之測定方法的模式圖，顯示測定範圍的平面圖。 　　圖7B係在圖7A所示之測定範圍中，顯示彎曲為正時之測定範圍的對角線上之剖面圖。 　　圖7C係在圖7A所示之測定範圍中，顯示彎曲為負時之測定範圍的對角線上之剖面圖。
10‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
20‧‧‧散熱片
30‧‧‧電子構件
31‧‧‧擴散層
101‧‧‧附有散熱片功率模組用基板
201‧‧‧功率模組

Claims (4)

  1. 一種附有散熱片功率模組用基板，其特徵為具備：於陶瓷基板之一方的面，加以配設銅或銅合金所成之電路層，於前述陶瓷基板之另一方的面，加以配設銅或銅合金所成之金屬層的功率模組用基板， 　　和加以接合於前述功率模組用基板之前述金屬層，於碳化矽所成之多孔質體，加以含浸鋁或鋁合金之鋁含浸碳化矽多孔質體所成之散熱片； 　　將前述電路層之耐力作為σ1(MPa)、前述電路層之厚度作為t1(mm)、前述電路層與前述陶瓷基板之接合面積作為A1(mm2 )，將前述金屬層之耐力作為σ2(MPa)、前述金屬層之厚度作為t2(mm)、前述金屬層與前述陶瓷基板之接合面積作為A2(mm2 )時， 　　前述厚度t1則形成為0.1mm以上3.0mm以下， 　　前述厚度t2則形成為0.15mm以上5.0mm以下之同時，前述厚度t2則較前述厚度t1為大地加以形成， 　　比率{(σ2×t2×A2)/(σ1×t1×A1)}則作為1.5以上15以下之範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之附有散熱片功率模組用基板，其中，在前述散熱片的下面中， 　　將前述散熱片與前述金屬層之接合面的中心位置，作為測定範圍之中心，將該測定範圍之對大長度作為L(mm)，將在前述測定範圍的前述散熱片之變形量作為Z(mm)， 　　將加熱為285℃時之彎曲(Z/L2 )作為X， 　　將加熱為前述285℃之後冷卻至30℃時之彎曲(Z/L2 )作為Y時， 　　前述彎曲X與前述彎曲Y之差分(Y-X)則作為-18.0×10-6 (mm-1 )以上18.0×10-6 (mm-1 )以下者。
  3. 如申請專利範圍第2項記載之附有散熱片功率模組用基板，其中，前述彎曲X則為-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下，前述彎曲Y則為-50×10-6 (mm-1 )以上50×10-6 (mm-1 )以下者。
  4. 如申請專利範圍第1項記載之附有散熱片功率模組用基板，其中，於前述金屬層與前述散熱片之間，加以形成有具有鋁與銅之金屬間化合物的擴散層。
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