功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、功率模塊及功率模塊用基板的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的功率模塊用基板中，電路層(12)具有：鋁層(12A)，配設(shè)于絕緣層(11)的一面；及銅層(12B)，層疊于該鋁層(12A)的一側(cè)，所述鋁層(12A)與所述銅層(12B)被固相擴(kuò)散接合。
【專利說(shuō)明】功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、功率模塊及功率模塊用基板的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該發(fā)明涉及一種在絕緣層的一面形成有電路層的功率模塊用基板、在該功率模塊用基板上接合有散熱器的自帶散熱器的功率模塊用基板、在功率模塊用基板上接合有半導(dǎo)體元件的功率模塊及功率模塊用基板的制造方法。
[0002]本申請(qǐng)主張基于2012年03月30日于日本申請(qǐng)的專利申請(qǐng)2012-083249號(hào)及2012年09年14日于日本申請(qǐng)的專利申請(qǐng)2012-203362號(hào)的優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。

【背景技術(shù)】
[0003]在各種半導(dǎo)體元件中，尤其在為了控制電動(dòng)汽車或電動(dòng)車輛而使用的大功率控制用功率元件中的發(fā)熱量較多。因此，作為搭載該功率元件的基板，一直以來(lái)廣泛使用例如在由AlN(氮化鋁)等構(gòu)成的陶瓷基板(絕緣層)上接合導(dǎo)電性優(yōu)異的金屬板來(lái)作為電路層的功率模塊用基板。
[0004]并且，這種功率模塊用基板中，在其電路層上通過焊錫材搭載有作為功率元件的半導(dǎo)體元件，從而作為功率模塊。另外，作為這種功率模塊用基板，已知有設(shè)為如下結(jié)構(gòu)的基板，即為了在陶瓷基板的下表面也發(fā)散由半導(dǎo)體元件引起的熱量而接合熱傳導(dǎo)性優(yōu)異的散熱器，從而發(fā)散該熱量。
[0005]作為構(gòu)成電路層的金屬，使用Al(鋁)和Cu(銅)等。例如，專利文獻(xiàn)I中提出有在陶瓷基板的一面接合有由鋁板構(gòu)成的電路層的功率模塊用基板。
[0006]并且，專利文獻(xiàn)2中提出有在陶瓷基板的一面接合有由銅板構(gòu)成的電路層的功率模塊用基板。
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本專利第3171234號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本專利第3211856號(hào)公報(bào)
[0009]但是，專利文獻(xiàn)I中示出的功率模塊中，電路層由變形阻力比較小的鋁板構(gòu)成。因此，在負(fù)載有熱循環(huán)時(shí)，能夠通過電路層吸收在陶瓷基板與電路層之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力，但是在負(fù)載有動(dòng)力循環(huán)時(shí)，有時(shí)會(huì)在接合半導(dǎo)體元件與電路層的焊錫上產(chǎn)生龜裂而功率模塊的可靠性降低。并且，與銅相比，鋁的熱傳導(dǎo)性較差，因此與由銅構(gòu)成的電路層相比，由鋁板構(gòu)成的電路層的散熱性較差。而且，在鋁板的表面形成鋁的氧化層，因此很難在該狀態(tài)下通過焊錫良好地接合電路層與半導(dǎo)體元件。
[0010]另一方面，如專利文獻(xiàn)2所示，由銅板構(gòu)成電路層時(shí)，銅的變形阻力比較高。因此，在負(fù)載有熱循環(huán)時(shí)，由于在陶瓷基板與銅板之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力，有時(shí)會(huì)在陶瓷基板產(chǎn)生龜
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[0011]尤其，近來(lái)功率模塊的小型化、薄壁化得到發(fā)展，并且其使用環(huán)境也逐漸變得嚴(yán)苛，來(lái)自半導(dǎo)體元件的發(fā)熱量逐漸增大。其結(jié)果，對(duì)于熱循環(huán)及動(dòng)力循環(huán)負(fù)載的與可靠性相關(guān)的功率模塊的必要條件變得嚴(yán)苛。因此，由鋁構(gòu)成電路層時(shí)的問題在于，在負(fù)載有動(dòng)力循環(huán)時(shí)，功率模塊的可靠性降低。并且，由銅構(gòu)成電路層時(shí)的問題在于，在負(fù)載有熱循環(huán)時(shí)，功率模塊的可靠性降低。
[0012]如此，由銅構(gòu)成的電路層對(duì)于動(dòng)力循環(huán)的可靠性較高，但是對(duì)于熱循環(huán)的可靠性降低。并且，由鋁構(gòu)成的電路層對(duì)于熱循環(huán)的可靠性較高，但是對(duì)于動(dòng)力循環(huán)的可靠性降低。因此，以往只能優(yōu)先動(dòng)力循環(huán)或熱循環(huán)中的任一個(gè)的可靠性，未能兼顧功率模塊對(duì)于熱循環(huán)及動(dòng)力循環(huán)的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]該發(fā)明提供一種在負(fù)載動(dòng)力循環(huán)時(shí)抑制熱阻的上升，并且在負(fù)載熱循環(huán)時(shí)抑制在陶瓷基板產(chǎn)生龜裂，并且對(duì)于動(dòng)力循環(huán)及熱循環(huán)的負(fù)載具有較高的可靠性的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、功率模塊及功率模塊用基板的制造方法。
[0014]為了解決所述課題，本發(fā)明所涉及的一方式的功率模塊用基板為具備絕緣層及形成于該絕緣層的一面的電路層的功率模塊用基板，其中，所述電路層具有:鋁層，配設(shè)于所述絕緣層的一面；及銅層，層疊于該鋁層的一側(cè)，所述鋁層與所述銅層被固相擴(kuò)散接合。
[0015]根據(jù)本發(fā)明所涉及的功率模塊用基板，電路層具有銅層。在該銅層上搭載有半導(dǎo)體元件時(shí)，在向功率模塊用基板側(cè)傳遞從半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量時(shí)，能夠通過電路層的銅層向面方向擴(kuò)散該熱量來(lái)有效地發(fā)散該熱量。
[0016]而且，在絕緣層的一面形成有變形阻力比較小的鋁層，在負(fù)載有熱循環(huán)時(shí)，鋁層吸收由于絕緣層與電路層的熱膨脹系數(shù)之差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，因此能夠抑制在絕緣層產(chǎn)生龜裂，對(duì)于接合能夠得到較高的可靠性。
[0017]并且，在鋁層的一側(cè)形成有變形阻力比較大的銅層，因此在負(fù)載有動(dòng)力循環(huán)時(shí)，能夠抑制電路層的變形。因此，能夠得到功率模塊用基板對(duì)于動(dòng)力循環(huán)的可靠性。
[0018]并且，鋁層與銅層通過固相擴(kuò)散接合而被接合，因此在負(fù)載有熱循環(huán)時(shí)，能夠抑制在鋁層與銅層之間產(chǎn)生剝離，并維持電路層的熱傳導(dǎo)性及導(dǎo)電性。
[0019]另外，鋁層的一側(cè)是指未與絕緣層接合的面?zhèn)取?br> [0020]并且，在所述鋁層與所述銅層的接合界面形成有由Cu及Al構(gòu)成的擴(kuò)散層，所述擴(kuò)散層設(shè)為多個(gè)金屬互化物沿著所述接合界面層疊的結(jié)構(gòu)，所述銅層與所述擴(kuò)散層的接合界面也可設(shè)為氧化物沿著所述接合界面以層狀分散的結(jié)構(gòu)。
[0021]在鋁層與銅層的接合界面形成有由Cu及Al構(gòu)成的擴(kuò)散層，因此鋁層中的Al (鋁原子)與銅層中的Cu(銅原子)充分地相互擴(kuò)散，鋁層與銅層被牢固地接合。
[0022]并且，在銅層與擴(kuò)散層的接合界面，氧化物沿著接合界面以層狀分散，因此形成于鋁層表面的氧化膜被破壞而充分進(jìn)行固相擴(kuò)散接合。
[0023]并且，所述銅層的厚度可設(shè)為0.1mm以上6.0mm以下。
[0024]通過將銅層的厚度設(shè)定為上述范圍，在向功率模塊用基板側(cè)傳遞從半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量時(shí)，通過電路層的銅層向面方向擴(kuò)散熱量，從而能夠更有效地發(fā)散該熱量。因此，能夠降低負(fù)載動(dòng)力循環(huán)時(shí)的初始熱阻。而且，在負(fù)載動(dòng)力循環(huán)之后也能夠抑制在焊錫上產(chǎn)生龜裂，因此能夠抑制熱阻的上升。
[0025]并且，本發(fā)明所涉及的自帶散熱器的功率模塊用基板具備所述功率模塊用基板及接合于該功率模塊用基板的另一側(cè)的散熱器。
[0026]根據(jù)本發(fā)明所涉及的自帶散熱器的功率模塊用基板，由于在如上述的功率模塊用基板的另一側(cè)接合有散熱器，因此能夠向散熱器有效地發(fā)散功率模塊用基板側(cè)的熱量。
[0027]并且，本發(fā)明所涉及的功率模塊具備所述功率模塊用基板及接合于所述電路層的一側(cè)的半導(dǎo)體兀件。
[0028]根據(jù)本發(fā)明所涉及的功率模塊，由于使用如上述的功率模塊用基板，因此在負(fù)載有動(dòng)力循環(huán)時(shí)，在向功率模塊用基板側(cè)傳遞從半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量時(shí)，能夠通過電路層的銅層向面方向擴(kuò)散來(lái)有效地發(fā)散該熱量。并且，能夠抑制半導(dǎo)體元件的溫度上升，從而使半導(dǎo)體元件以規(guī)定溫度工作，并能夠提高工作的穩(wěn)定性。
[0029]并且，本發(fā)明所涉及的功率模塊設(shè)為半導(dǎo)體元件通過焊錫接合于銅層的結(jié)構(gòu)，因此與由鋁構(gòu)成電路層的功率模塊的情況相比，能夠良好地進(jìn)行焊錫接合。
[0030]另外，電路層的一側(cè)是指未與絕緣層接合的面?zhèn)取?br> [0031]本發(fā)明所涉及的另一方式的功率模塊用基板的制造方法為具備絕緣層及形成于該絕緣層的一面的電路層的功率模塊用基板的制造方法，該制造方法具備在所述絕緣層的一面形成電路層的電路層形成工序，所述電路層形成工序具有:鋁層配設(shè)工序，在所述絕緣層的一面配設(shè)鋁層；及銅層層疊工序，在所述鋁層的一側(cè)層疊銅層，在所述銅層層疊工序中，固相擴(kuò)散接合所述鋁層與所述銅層。
[0032]根據(jù)本發(fā)明所涉及的功率模塊用基板的制造方法，電路層形成工序構(gòu)成為具備鋁層配設(shè)工序及銅層層疊工序，并在銅層層疊工序中固相擴(kuò)散接合鋁層與銅層。因此，能夠得到具備鋁層與銅層通過固相擴(kuò)散而接合的電路層的功率模塊用基板。
[0033]并且可以構(gòu)成為，在所述銅層層疊工序中，在所述鋁層的一側(cè)層疊銅層，在負(fù)載有3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的荷載的狀態(tài)下，以400°C以上且小于548°C的條件保持所述鋁層及所述銅層，由此固相擴(kuò)散接合所述鋁層與所述銅層。
[0034]通過以這種條件進(jìn)行固相擴(kuò)散接合，能夠通過固相擴(kuò)散可靠地接合鋁層與銅層。并且，能夠抑制在鋁層與銅層的界面產(chǎn)生間隙。
[0035]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種在負(fù)載動(dòng)力循環(huán)時(shí)抑制熱阻的上升，并且在負(fù)載熱循環(huán)時(shí)抑制在陶瓷基板產(chǎn)生龜裂，并且對(duì)于動(dòng)力循環(huán)及熱循環(huán)的負(fù)載具有較高的可靠性的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、功率模塊及功率模塊用基板的制造方法。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的功率模塊、自帶散熱器的功率模塊用基板及功率模塊用基板的概要說(shuō)明圖。
[0037]圖2是圖1的鋁層與銅層的界面的放大圖。
[0038]圖3是圖2的擴(kuò)散層的放大說(shuō)明圖。
[0039]圖4是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的功率模塊的制造方法的流程圖。
[0040]圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法的概要說(shuō)明圖。

【具體實(shí)施方式】
[0041 ] 以下，參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
[0042]圖1中示出本發(fā)明的實(shí)施方式的功率模塊1、自帶散熱器的功率模塊用基板30及功率模塊用基板10。
[0043]該功率模塊I具備:自帶散熱器的功率模塊用基板30 ;及通過焊錫層2接合于該自帶散熱器的功率模塊用基板30的一側(cè)的半導(dǎo)體元件3(圖1中上側(cè))。
[0044]焊錫層2例如為Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-1n系或者Sn-Ag-Cu系焊錫材(所謂的無(wú)鉛焊錫材)，其接合自帶散熱器的功率模塊用基板30與半導(dǎo)體元件3。
[0045]半導(dǎo)體元件3為具備半導(dǎo)體的電子組件，根據(jù)所需要的功能選擇各種半導(dǎo)體元件。本實(shí)施方式中，設(shè)為IGBT兀件。
[0046]自帶散熱器的功率模塊用基板30具備功率模塊用基板10及接合于功率模塊用基板10的另一側(cè)(圖1中下側(cè))的散熱器31。
[0047]并且，如圖1所示，功率模塊用基板10具備:陶瓷基板11 (絕緣層)；電路層12，形成于該陶瓷基板11的一面(圖1中上表面)；及金屬層13，形成于陶瓷基板11的另一表面(圖1中下表面)。即，陶瓷基板11具有第一面(一表面)及第二面(另一表面)，在陶瓷基板11的第一面形成電路層12，在陶瓷基板11的第二面形成金屬層13。
[0048]陶瓷基板11防止電路層12與金屬層13之間的電連接，其由絕緣性較高的AlN(氮化鋁)構(gòu)成。并且，陶瓷基板11的厚度設(shè)定為0.2?1.5mm的范圍內(nèi)，本實(shí)施方式中設(shè)定為 0.635mm。
[0049]金屬層13通過在陶瓷基板11的第二面(圖1中下表面)接合由鋁或鋁合金構(gòu)成的金屬板來(lái)形成。本實(shí)施方式中，金屬層13通過由純度為99.99%以上的鋁(所謂的4N鋁)的軋制板構(gòu)成的鋁板23接合于陶瓷基板11來(lái)形成。
[0050]如圖1所示，電路層12具有:招層12A，配設(shè)于陶瓷基板11的第一面；及銅層12B，層疊于該鋁層12A的一側(cè)(圖1中上側(cè))。
[0051]如圖5所示，鋁層12A通過鋁板22A接合于陶瓷基板11的第一面來(lái)形成。本實(shí)施方式中，鋁層12A通過由純度為99.99%以上的鋁(所謂的4N鋁)的軋制板構(gòu)成的鋁板22A接合于陶瓷基板11來(lái)形成。
[0052]銅層12B通過接合于鋁層12A的一側(cè)(圖1中上側(cè))來(lái)形成。
[0053]本實(shí)施方式中，如圖5所示，銅層12B通過由無(wú)氧銅的軋制板構(gòu)成的銅板22B固相擴(kuò)散接合于鋁層12A來(lái)形成。
[0054]并且如圖2所示，在這些鋁層12A與銅層12B的界面形成有擴(kuò)散層12C。優(yōu)選該銅層12B的厚度設(shè)定為0.1mm以上6.0mm以下。
[0055]擴(kuò)散層12C通過鋁層12A的鋁原子與銅層12B的銅原子相互擴(kuò)散來(lái)形成。在該擴(kuò)散層12C中具有如下濃度梯度，即隨著從鋁層12A朝向銅層12B，鋁原子的濃度逐漸變低，且銅原子的濃度逐漸變高。
[0056]圖3中示出擴(kuò)散層12C的放大說(shuō)明圖。該擴(kuò)散層12C由金屬互化物構(gòu)成，該金屬互化物由Cu及Al構(gòu)成，本實(shí)施方式中構(gòu)成為多個(gè)金屬互化物沿著接合界面層疊。其中，該擴(kuò)散層12C的厚度t設(shè)定為Ιμπι以上80μπι以下的范圍內(nèi)，優(yōu)選設(shè)定為5μπι以上80μπι以下的范圍內(nèi)。
[0057]本實(shí)施方式中，如圖3所示，設(shè)為層疊有3種金屬互化物的結(jié)構(gòu)。在功率模塊用基板10的厚度方向上，設(shè)為從鋁層12Α朝向銅層12Β依次為Θ相16、η 2相17、ζ2相18。
[0058]并且，在該擴(kuò)散層12C與銅層12Β的接合界面，氧化物19沿著接合界面以層狀分散。另外，本實(shí)施方式中，該氧化物19設(shè)為氧化鋁(Al2O3)等鋁氧化物。另外，如圖3所示，氧化物19在擴(kuò)散層12C與銅層12B的界面以間斷的狀態(tài)分散，還存在擴(kuò)散層12C與銅層12B直接接觸的區(qū)域。而且，本實(shí)施方式中，銅層12B的平均結(jié)晶粒徑設(shè)為50 μ m以上200 μ m以下的范圍內(nèi)，鋁層12A的平均結(jié)晶粒徑設(shè)為500 μ m以上。
[0059]散熱器31用于發(fā)散功率模塊用基板10的熱量。優(yōu)選散熱器31由熱傳導(dǎo)性良好的材質(zhì)構(gòu)成，本實(shí)施方式中由A6063 (Al合金)構(gòu)成。在該散熱器31上設(shè)置有供冷卻用流體流動(dòng)的流路32。
[0060]并且，本實(shí)施方式中，功率模塊用基板10的金屬層13與散熱器31通過接合層33接合。
[0061]接合層33接合功率模塊用基板10與散熱器31。本實(shí)施方式中，如圖5所示，由無(wú)氧銅的軋制板構(gòu)成的銅板43配置于金屬層13與散熱器31之間來(lái)固相擴(kuò)散接合，由此金屬層13與散熱器31通過接合層33接合。該接合層33上形成有由相互擴(kuò)散產(chǎn)生的鋁及銅的濃度梯度。接合層33具有如下濃度梯度，即隨著從金屬層13朝向散熱器31，銅原子的濃度逐漸變低，且鋁原子的濃度逐漸變高。
[0062]接著，利用圖4及圖5對(duì)本實(shí)施方式的功率模塊1、自帶散熱器的功率模塊用基板30、功率模塊用基板10的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。
[0063]首先，如圖5所示，在陶瓷基板11的第一面及第二面通過Al-Si系釬料層疊鋁板22A、23。并且，通過加壓、加熱后冷卻陶瓷基板11及鋁板22A、23，從而接合陶瓷基板11與招板22A、23，形成招層12A及金屬層13 (招層及金屬層接合工序Sll)。另外，該針焊的溫度設(shè)定為640°C?650°C。
[0064]接著，如圖5所示，在鋁層12A的第一面配置銅板22B，在金屬層13的另一側(cè)配置銅板43，還在銅板43的另一側(cè)配置散熱器31。并且，對(duì)在陶瓷基板11及形成于其兩面的鋁層12A及金屬層13上如上述那樣配置銅板22B、銅板43及散熱器31的部件，從一側(cè)及另一側(cè)負(fù)載荷載，并配置于真空加熱爐中。本實(shí)施方式中，負(fù)載于招層12A與銅板22B、金屬層13與銅板43、散熱器31與銅板43的接觸面的荷載設(shè)為3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下。并且，將真空加熱的加熱溫度設(shè)為400°C以上且小于548°C，保持5分鐘以上240分鐘以下來(lái)進(jìn)行固相擴(kuò)散接合，在鋁層12A上接合銅板22B來(lái)形成銅層12B，同時(shí)通過接合層33接合金屬層13與散熱器31 (銅層及散熱器接合工序S12)。本實(shí)施方式中，對(duì)于鋁層12A與銅板22B、金屬層13與銅板43、散熱器31與銅板43中進(jìn)行接合的各個(gè)面，預(yù)先去除該面的瑕疵而使其平滑之后，進(jìn)行固相擴(kuò)散接合。
[0065]另外，同時(shí)在鋁層12A的一側(cè)固相擴(kuò)散接合銅板22B且在金屬層13的另一側(cè)固相擴(kuò)散接合銅板43，還在銅板43的另一側(cè)固相擴(kuò)散接合散熱器31，關(guān)于此時(shí)的真空加熱的優(yōu)選加熱溫度設(shè)定為，在構(gòu)成鋁板22A的金屬(Al)與構(gòu)成銅板22B的金屬(Cu)、構(gòu)成鋁板23的金屬(Al)與構(gòu)成銅板43的金屬(Cu)、及構(gòu)成散熱器31的金屬(Al-Mg-Si系)與構(gòu)成銅板43的金屬(Cu)的共晶溫度之中，最低的共晶溫度(不包含共晶溫度)至共晶溫度_5°C的范圍。
[0066]如此，形成具有鋁層12A及層疊于鋁層12A的一側(cè)的銅層12B的電路層12。
[0067]如上述，可得到本實(shí)施方式的在陶瓷基板11的一側(cè)形成有電路層12的自帶散熱器的功率模塊用基板30及功率模塊用基板10。
[0068]并且，在電路層12的一側(cè)(表面)通過焊錫材載置半導(dǎo)體元件3，在還原爐中進(jìn)行焊錫接合(半導(dǎo)體元件接合工序S13)。
[0069]如上述那樣制造出本實(shí)施方式的功率模塊I。
[0070]根據(jù)設(shè)為如上的結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板30及功率模塊用基板10，電路層12具有銅層12B，在銅層12B上搭載有半導(dǎo)體元件3。因此，與由鋁構(gòu)成的電路層相比，能夠通過電路層12的銅層12B向面方向擴(kuò)散從半導(dǎo)體元件3產(chǎn)生的熱量，并有效地向功率模塊用基板10發(fā)散該熱量。在附帶散熱器的功率模塊用基板30中，能夠通過散熱器31進(jìn)一步發(fā)散功率模塊用基板10的熱量。
[0071]而且，在陶瓷基板11的第一面及第二面形成有由變形阻力比較小的鋁構(gòu)成的鋁層12A及金屬層13，在負(fù)載有熱循環(huán)時(shí)，由鋁層12A及金屬層13吸收由于陶瓷基板11與電路層12及陶瓷基板11與金屬層13的熱膨脹系數(shù)之差引起的熱應(yīng)力，因此對(duì)于熱循環(huán)能夠得到較高的可靠性。
[0072]并且，在鋁層12A的一側(cè)形成有變形阻力比較大的銅層12B，在負(fù)載有動(dòng)力循環(huán)時(shí)，由于能夠抑制電路層12的變形，因此能夠抑制熱阻的上升，能夠得到對(duì)于動(dòng)力循環(huán)的較高的可靠性。
[0073]并且，本實(shí)施方式中，在鋁層12A與銅層12B之間形成有由Cu及Al的擴(kuò)散層構(gòu)成的擴(kuò)散層12C，因此鋁層12A中的Al向銅層12B且銅層12B中的Cu向鋁層12A相互充分?jǐn)U散，鋁層12A與銅層12B可靠地固相擴(kuò)散接合，能夠確保接合強(qiáng)度。
[0074]并且，在銅層12B與擴(kuò)散層12C的接合界面，氧化物19沿著接合界面以層狀分散，因此形成于鋁層12A的氧化膜被可靠地破壞，Cu與Al的相互擴(kuò)散充分進(jìn)行，銅層12B與擴(kuò)散層12C被可靠地接合。
[0075]并且，本實(shí)施方式中，擴(kuò)散層12C設(shè)為多個(gè)金屬互化物沿著所述接合界面層疊的結(jié)構(gòu)，因此能夠抑制脆性金屬互化物較大生長(zhǎng)的現(xiàn)象。并且，通過銅層12B中的Cu與鋁層12A中的Al相互擴(kuò)散，從銅層12B朝向鋁層12A以層狀形成有適于各個(gè)組成的金屬互化物，因此能夠使接合界面的特性穩(wěn)定。
[0076]具體而言，擴(kuò)散層12C中，從鋁層12A朝向銅層12B依次層疊有Θ相16、η 2相
17、ζ 2相18這3種金屬互化物。因此，擴(kuò)散層12C內(nèi)部的體積變動(dòng)變小，抑制內(nèi)部應(yīng)變。
[0077]而且，本實(shí)施方式中，鋁層12Α的平均結(jié)晶粒徑設(shè)為500 μ m以上，銅層12B的平均結(jié)晶粒徑設(shè)為50 μ m以上200 μ m以下的范圍內(nèi)，將鋁層12A及銅層12B的平均結(jié)晶粒徑設(shè)定成較大。因此，在鋁層12A及銅層12B不會(huì)蓄積過剩的應(yīng)變等，提高疲勞特性。因此，在負(fù)載熱循環(huán)時(shí)，提高針對(duì)于在功率模塊用基板10與散熱器31之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力的接合可靠性。
[0078]而且，本實(shí)施方式中，擴(kuò)散層12C的平均厚度設(shè)為I μ m以上80 μ m以下，優(yōu)選設(shè)為5 μ m以上80 μ m以下的范圍內(nèi)。因此，Cu與Al的相互擴(kuò)散充分進(jìn)行，能夠牢固地接合鋁層12A與銅層12B，并且可抑制與鋁層12A及銅層12B相比較脆弱的金屬互化物過于生長(zhǎng)的現(xiàn)象，使接合界面的特性穩(wěn)定。
[0079]其中，銅層12B的優(yōu)選厚度設(shè)為0.1mm以上6.0mm以下。
[0080]通過將銅層12B設(shè)為0.1mm以上，能夠通過銅層12B擴(kuò)散來(lái)自半導(dǎo)體元件3的熱量來(lái)有效地傳遞熱量，從而降低負(fù)載動(dòng)力循環(huán)時(shí)的初始熱阻。因此，能夠提高對(duì)于動(dòng)力循環(huán)的可靠性。并且，通過將銅層12B設(shè)為6.0mm以下，能夠降低電路層12的剛性，并抑制負(fù)載熱循環(huán)時(shí)在陶瓷基板11上產(chǎn)生龜裂的現(xiàn)象。
[0081]在使用如上述的功率模塊用基板10及自帶散熱器的功率模塊用基板30的功率模塊I中，能夠有效地發(fā)散從半導(dǎo)體元件3產(chǎn)生的熱量。并且，能夠抑制半導(dǎo)體元件3的溫度上升，從而使半導(dǎo)體元件3以規(guī)定溫度工作，并能夠提高工作的穩(wěn)定性。
[0082]并且，本實(shí)施方式中，鋁層12A與銅層12B通過固相擴(kuò)散接合來(lái)接合，因此能夠得到形成于陶瓷基板11的一側(cè)的具有鋁層12A及銅層12B的電路層12。
[0083]并且，固相擴(kuò)散接合設(shè)為如下結(jié)構(gòu)，即在陶瓷基板11的第一面形成鋁層12A，在陶瓷基板11的第二面形成金屬層13，在鋁層12A的一側(cè)配置銅板22B，在金屬層13的另一側(cè)配置銅板43與散熱器31之后,在負(fù)載有3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的荷載的狀態(tài)下，以400°C以上且小于548°C的條件保持鋁層12A與銅板22B、金屬層13與銅板43、散熱器31與銅板43。通過設(shè)為這種結(jié)構(gòu)，在鋁層12A與銅板22B充分貼緊的狀態(tài)下，使銅板22B的銅原子在鋁層12A中固相擴(kuò)散并使鋁層12A的鋁原子在銅板22B中固相擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行固相擴(kuò)散接合，從而能夠在鋁層12A的一側(cè)可靠地形成銅層12B。
[0084]而且，通過如此進(jìn)行固相擴(kuò)散接合，能夠抑制在鋁層12A與銅層12B之間產(chǎn)生間隙的現(xiàn)象，從而接合鋁層12A與銅層12B。因此，使鋁層12A與銅層12B的接合界面中的熱傳導(dǎo)性及導(dǎo)電性良好，能夠向陶瓷基板11有效地發(fā)散從半導(dǎo)體元件3產(chǎn)生的熱量。而且，在固相擴(kuò)散接合的鋁層12A與銅層12B的界面形成有擴(kuò)散層12C。該擴(kuò)散層12C通過固相擴(kuò)散而形成，因此接合強(qiáng)度較高。因此，在負(fù)載有熱循環(huán)及動(dòng)力循環(huán)時(shí)，很難產(chǎn)生界面的剝離，能夠保持良好的接合狀態(tài)，并能夠維持熱傳導(dǎo)性及導(dǎo)電性。
[0085]并且，金屬層13與銅板43、散熱器31與銅板43分別固相擴(kuò)散接合，能夠通過接合層33接合金屬層13與散熱器31。而且，通過以如上述的條件進(jìn)行固相擴(kuò)散接合，能夠抑制在金屬層13與散熱器31之間產(chǎn)生間隙，從而能夠通過接合層33進(jìn)行接合，因此能夠使金屬層13與散熱器31之間的熱傳導(dǎo)性良好。并且，金屬層13與散熱器31通過接合層33牢固地接合，在負(fù)載有熱循環(huán)及動(dòng)力循環(huán)時(shí)，很難產(chǎn)生金屬層13與接合層33、散熱器31與接合層33的界面的剝離，能夠保持良好的接合狀態(tài)，并能夠維持熱傳導(dǎo)性。
[0086]固相擴(kuò)散接合時(shí)，負(fù)載于鋁層12A及銅板22B的荷載小于3kgf/cm2時(shí)，很難充分接合鋁層12A與銅板22B，有時(shí)在鋁層12A與銅層12B之間產(chǎn)生間隙。并且，超過35kgf/cm2時(shí)，由于所負(fù)載的荷載過高，因此有時(shí)在陶瓷基板11產(chǎn)生龜裂，因此將在固相擴(kuò)散接合時(shí)所負(fù)載的荷載設(shè)定為上述范圍。
[0087]固相擴(kuò)散接合時(shí)的溫度為400°C以上時(shí)，促進(jìn)鋁原子與銅原子的擴(kuò)散，能夠使其在短時(shí)間內(nèi)充分地固相擴(kuò)散。并且，小于548°C時(shí)，能夠抑制在鋁與銅之間產(chǎn)生液相而在接合界面產(chǎn)生凸起或厚度發(fā)生變動(dòng)的現(xiàn)象。因此，固相擴(kuò)散接合的優(yōu)選溫度設(shè)定為400°C以上且小于548°C的范圍。
[0088]并且，固相擴(kuò)散接合時(shí)的更優(yōu)選的熱處理溫度設(shè)為從構(gòu)成鋁板22A的金屬(Al)與構(gòu)成銅板22B的金屬(Cu)的共晶溫度(不包含共晶溫度)至共晶溫度_5°C的范圍。選擇這種從共晶溫度(不包含共晶溫度)至共晶溫度_5°C的范圍時(shí)，不會(huì)形成液相且不會(huì)生成鋁與銅的化合物，因此除了固相擴(kuò)散接合的接合可靠性變得良好之外，固相擴(kuò)散接合時(shí)的擴(kuò)散速度也較快，能夠在比較短的時(shí)間內(nèi)固相擴(kuò)散接合，因此如上述那樣設(shè)定。
[0089]并且，固相擴(kuò)散接合時(shí)，所接合的面上有瑕疵時(shí)，有時(shí)會(huì)在固相擴(kuò)散接合時(shí)產(chǎn)生間隙，但對(duì)于鋁層12A與銅板22B、金屬層13與銅板43、散熱器31與銅板43中進(jìn)行接合的面，預(yù)先去除該面的瑕疵來(lái)使其平滑之后進(jìn)行固相擴(kuò)散接合，因此能夠抑制在各個(gè)接合界面產(chǎn)生間隙的現(xiàn)象而接合。
[0090]并且，由于設(shè)為半導(dǎo)體元件3通過焊錫層2接合于銅層12B的結(jié)構(gòu)，因此與接合于僅由鋁構(gòu)成的電路層時(shí)相比，能夠良好地進(jìn)行焊接。
[0091]并且，在本實(shí)施方式中，金屬層13與散熱器31通過接合層33并通過固相擴(kuò)散接合而接合，在金屬層13與散熱器31之間不存在與鋁或銅相比熱傳導(dǎo)性較差的焊錫或潤(rùn)滑月旨，因此能夠提高金屬層13與散熱器31之間的熱傳導(dǎo)性。
[0092]并且，設(shè)為能夠一次性接合銅層12B及散熱器31的結(jié)構(gòu)，因此能夠大幅降低制造成本。
[0093]并且，本實(shí)施方式的功率模塊I在功率模塊用基板10的下側(cè)具備散熱器31，因此從半導(dǎo)體元件3產(chǎn)生的熱量傳遞至功率模塊用基板10，能夠通過散熱器31有效地發(fā)散熱量。
[0094]以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限定于此，在不脫離該發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行適當(dāng)變更。
[0095]另外，上述實(shí)施方式中，對(duì)通過固相擴(kuò)散接合同時(shí)接合銅層與散熱器的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但也可以設(shè)為在通過固相擴(kuò)散接合形成銅層之后固相擴(kuò)散接合散熱器的結(jié)構(gòu)。
[0096]并且，對(duì)在陶瓷基板的第一面形成鋁層之后在鋁層的一側(cè)固相擴(kuò)散接合銅板來(lái)形成銅層的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以設(shè)為在固相擴(kuò)散接合鋁板與銅板之后接合于陶瓷基板的第一面的結(jié)構(gòu)。
[0097]并且，上述實(shí)施方式中，將形成于陶瓷基板的第一面及的第二面的鋁層及金屬層作為純度99.99%的純鋁軋制板進(jìn)行了說(shuō)明，但是并不限定于此，也可以是純度99%的鋁(2N鋁)或鋁合金等。
[0098]并且，上述實(shí)施方式中，對(duì)由無(wú)氧銅的銅板構(gòu)成銅層的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但是并不限定于此，銅層也可以由其他純銅或銅合金等的銅板構(gòu)成。
[0099]而且，將使用由AlN構(gòu)成的陶瓷基板作為絕緣層的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但是并不限定于此，可以使用由Si3N4或Al2O3等構(gòu)成的陶瓷基板作為絕緣層，也可通過絕緣樹脂構(gòu)成絕緣層。
[0100]并且，上述實(shí)施方式中，對(duì)功率模塊用基板具備金屬層的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以不具備金屬層。
[0101]并且，上述實(shí)施方式中，對(duì)功率模塊具備散熱器的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以不具備散熱器。
[0102]并且，上述實(shí)施方式中，對(duì)使銅板存在于功率模塊用基板的金屬層與散熱器之間并通過固相擴(kuò)散接合而接合的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但是也可以通過焊錫或緊固等來(lái)接合金屬層與散熱器。
[0103]實(shí)施例
[0104](實(shí)施例1)
[0105]以下，對(duì)為了確認(rèn)本發(fā)明的效果而進(jìn)行的確認(rèn)實(shí)驗(yàn)(實(shí)施例1)的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。
[0106]按照?qǐng)D4的流程圖中記載的順序，以表I所示的條件進(jìn)行固相擴(kuò)散接合，制作發(fā)明例1-1?1-10的自帶散熱器的功率模塊。
[0107]另外，作為陶瓷基板,使用由AlN構(gòu)成、40mmX 40mm且厚度為0.635mm的基板。
[0108]并且，作為電路層的招層，使用由4N招軋制板構(gòu)成、37mmX 37mm且厚度為0.1mm的層。
[0109]作為電路層的銅層，使用由無(wú)氧銅的軋制板構(gòu)成、37mmX 37mm且厚度為0.3mm的層。
[0110]作為金屬層,使用由4N招的軋制板構(gòu)成、37mmX 37mm且厚度為1.6mm的層。
[0111]作為接合層，使用由無(wú)氧銅的軋制板構(gòu)成、37mmX37mm且厚度為0.05mm的層，作為散熱器，使用由A6063合金的軋制板構(gòu)成、50mmX 50mm且厚度為5mm的散熱器。
[0112]并且，關(guān)于固相擴(kuò)散接合，在真空加熱爐內(nèi)的壓力為KT6Pa以上KT3Pa以下的范圍內(nèi)進(jìn)行。
[0113]半導(dǎo)體元件設(shè)定為IGBT元件而使用12.5mmX 9.5mm且厚度為0.25mm的元件。
[0114](熱循環(huán)試驗(yàn))
[0115]關(guān)于熱循環(huán)試驗(yàn)，使用冷熱沖擊試驗(yàn)機(jī)ESPEC公司制TSB-51，對(duì)試驗(yàn)片(自帶散熱器的功率模塊)，在液相(電子氟化液)中，反復(fù)進(jìn)行在_40°C下5分鐘及在125°C下5分鐘的循環(huán)，并實(shí)施3000次循環(huán)。
[0116](動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn))
[0117]關(guān)于動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)，使用Sn-Ag-Cu焊錫將IGBT元件焊接于銅層，并且接合由鋁合金構(gòu)成的連接配線作為自帶散熱器的功率模塊，并利用此進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)施的是如下的動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn):在將散熱器中的冷卻水溫度、流量設(shè)為恒定的狀態(tài)下，將向IGBT元件的通電調(diào)整為每10秒鐘反復(fù)進(jìn)行在通電(ON)下元件表面溫度為140°C且在非通電(OFF)下元件表面溫度為80°C的一次循環(huán)，并將該循環(huán)反復(fù)10萬(wàn)次。
[0118]對(duì)該熱循環(huán)試驗(yàn)前后及動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)前后的、鋁層與銅層的界面中的接合率及自帶散熱器的功率模塊的熱阻進(jìn)行測(cè)定。
[0119](鋁層與銅層的界面的接合率評(píng)價(jià))
[0120]對(duì)動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)前后的自帶散熱器的功率模塊，使用超聲波探傷裝置對(duì)鋁層與銅層的界面的接合率進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過以下公式計(jì)算。其中，初始接合面積是指接合前應(yīng)接合的面積，即本實(shí)施例中為鋁層與銅層的面積。在超聲波探傷圖像中，以接合部?jī)?nèi)的白色部表示剝離，因此將該白色部的面積作為剝離面積。
[0121](接合率)={(初始接合面積)_(剝離面積)}/(初始接合面積)
[0122](熱阻評(píng)價(jià))
[0123]如下測(cè)定熱阻。以100W的功率對(duì)加熱片(半導(dǎo)體元件)進(jìn)行加熱，使用熱電偶實(shí)際測(cè)量加熱片的溫度。并且，實(shí)際測(cè)量在散熱器中流通的冷卻介質(zhì)(乙二醇:水=9:1)的溫度。并且，將加熱片的溫度與冷卻介質(zhì)的溫度差除以功率的值作為熱阻。
[0124]將上述評(píng)價(jià)結(jié)果示于表I。
[0125][表 I]
[0126]

【權(quán)利要求】
1.一種功率模塊用基板，其具備絕緣層及形成于該絕緣層的一面的電路層，其中，所述電路層具有: 鋁層，配設(shè)于所述絕緣層的一面 '及 銅層，層疊于該鋁層的一側(cè)， 所述鋁層與所述銅層被固相擴(kuò)散接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率模塊用基板，其中， 在所述鋁層與所述銅層的接合界面形成有由Cu及Al構(gòu)成的擴(kuò)散層， 所述擴(kuò)散層設(shè)為多個(gè)金屬互化物沿著所述接合界面層疊的結(jié)構(gòu)， 在所述銅層與所述擴(kuò)散層的接合界面，氧化物沿著所述接合界面以層狀分散。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率模塊用基板，其中， 所述銅層的厚度設(shè)為0.1mm以上6.0mm以下。
4.一種自帶散熱器的功率模塊用基板，其具備: 權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的所述功率模塊用基板；及接合于該功率模塊用基板的另一側(cè)的散熱器。
5.一種功率模塊，其具備: 權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板；及接合于所述電路層的一側(cè)的半導(dǎo)體元件。
6.一種功率模塊用基板的制造方法，所述功率模塊用基板具備絕緣層及形成于該絕緣層的一面的電路層，其中， 該制造方法具備在所述絕緣層的一面形成電路層的電路層形成工序， 所述電路層形成工序具有: 鋁層配設(shè)工序，在所述絕緣層的一面配設(shè)鋁層 '及 銅層層疊工序，在所述鋁層的一側(cè)層疊銅層， 在所述銅層層疊工序中固相擴(kuò)散接合所述鋁層與所述銅層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率模塊用基板的制造方法，其中， 在所述銅層層疊工序中， 在所述鋁層的一側(cè)層疊銅板， 對(duì)所述鋁層與所述銅板，負(fù)載3kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的荷載的狀態(tài)下，保持在400°C以上且小于548°C的溫度，由此固相擴(kuò)散接合所述鋁層與所述銅板。
【文檔編號(hào)】H01L23/12GK104205323SQ201380015967
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】寺崎伸幸, 長(zhǎng)友義幸, 黑光祥郎 申請(qǐng)人:三菱綜合材料株式會(huì)社