本發(fā)明涉及一種控制大電流及高電壓的半導(dǎo)體裝置中所使用的功率模塊用基板、帶散熱片的功率模塊用基板及帶散熱片的功率模塊。

本申請(qǐng)主張基于2014年4月25日于日本申請(qǐng)的專(zhuān)利申請(qǐng)2014-91814號(hào)的優(yōu)選權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。

背景技術(shù)：

作為以往的功率模塊用基板已知有在成為絕緣層的陶瓷基板的表面的一側(cè)接合成為電路層的金屬板，并且在陶瓷基板的表面的另一側(cè)接合成為金屬層的金屬板的結(jié)構(gòu)的基板。并且，對(duì)設(shè)置于該功率模塊用基板的單面上的金屬層接合熱傳導(dǎo)性?xún)?yōu)異的散熱片，并將其設(shè)為帶散熱片的功率模塊用基板。而且，在電路層上經(jīng)由焊料搭載功率元件等半導(dǎo)體元件，以制造帶散熱片的功率模塊。

這種帶散熱片的功率模塊用基板中，如專(zhuān)利文獻(xiàn)1所記載，在成為電路層的金屬板中使用電特性?xún)?yōu)異的銅，并且以緩和陶瓷基板與散熱片之間的熱應(yīng)力為目的，有時(shí)在成為金屬層的金屬板中使用鋁。

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：日本專(zhuān)利公開(kāi)2013-229579號(hào)公報(bào)

如此，用銅來(lái)形成電路層，由此與使用鋁的情形相比能夠迅速地散熱半導(dǎo)體元件中產(chǎn)生的熱量。為了使半導(dǎo)體元件發(fā)熱的量易于散熱，加厚電路層的厚度的方式比較有效，但若過(guò)于加厚電路層的厚度，則因與陶瓷基板的熱膨脹差而使熱伸縮引起的翹曲變大，阻礙與半導(dǎo)體元件的接合而可能會(huì)出現(xiàn)安裝上的問(wèn)題或在陶瓷基板出現(xiàn)破裂。

另一方面，金屬層中所使用的鋁焊接性較差，因此焊接由鋁構(gòu)成的金屬層與散熱片時(shí)，需要在表面形成鍍鎳層，存在生產(chǎn)率下降的問(wèn)題。并且，鋁變形阻力相對(duì)較低，因此對(duì)功率模塊施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，因金屬層的變形導(dǎo)致焊料出現(xiàn)龜裂，從而接合可靠性下降或熱電阻上升成為問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)能夠抑制接合可靠性的下降及熱電阻的上升且防止陶瓷基板破裂的功率模塊用基板、帶散熱片的功率模塊用基板及帶散熱片的功率模塊。

若要減少施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的翹曲，則可以考慮設(shè)為將以陶瓷基板為界在接合于其兩側(cè)的電路層及金屬層設(shè)置成相同的材質(zhì)及厚度的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。然而，最近，隨著功率模塊的小型化、薄型化的推進(jìn)，其使用環(huán)境嚴(yán)酷且來(lái)自半導(dǎo)體元件的發(fā)熱量逐漸變大，因此功率循環(huán)的條件變得苛刻。為了使半導(dǎo)體元件發(fā)熱的量易于散熱，加厚電路層的厚度的方式比較有效，相對(duì)于此，在考慮功率模塊整體的小型化的情況下，優(yōu)選減小金屬層的厚度。于是，本發(fā)明的功率模塊用基板采用了以下的解決手段。

本發(fā)明為具備層疊在陶瓷基板的一側(cè)面的電路層及層疊在另一側(cè)面的金屬層的功率模塊用基板，所述電路層具有與所述陶瓷基板的一側(cè)面接合的第一鋁層及與該第一鋁層固相擴(kuò)散接合的第一銅層，所述金屬層具有與所述陶瓷基板的另一側(cè)面接合的第二鋁層及與所述第二鋁層固相擴(kuò)散接合的第二銅層，所述第二鋁層由與所述第一鋁層相同材料形成，所述第二銅層由與所述第一銅層相同材料形成，所述第一銅層的厚度t1設(shè)為1.7mm以上且5mm以下，所述第一銅層的厚度t1與所述第二銅層的厚度t2的合計(jì)設(shè)為7mm以下，所述第一銅層的厚度t1與所述第二銅層的厚度t2的比率t2/t1設(shè)定在大于0且1.2以下的范圍中除去0.6以上且0.8以下的范圍。

如此構(gòu)成的功率模塊用基板中，電路層由與陶瓷基板的一側(cè)面接合的第一鋁層及與該第一鋁層接合的第一銅層形成，并且在該第一銅層上搭載半導(dǎo)體元件，因此能夠在第一銅層中向面方向擴(kuò)散而有效地發(fā)散從半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱量。并且，變形阻力相對(duì)較小的第一鋁層與陶瓷基板接合，因此在施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，由第一鋁層吸收因陶瓷基板與電路層的熱膨脹系數(shù)的差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，能夠抑制陶瓷基板出現(xiàn)破裂。而且，通過(guò)與該第一鋁層接合的變形阻力相對(duì)較大的第一銅層，能夠抑制施加功率循環(huán)負(fù)載時(shí)的電路層的變形，因此能夠抑制接合電路層與半導(dǎo)體元件的焊料出現(xiàn)龜裂。

并且，第一鋁層與第一銅層通過(guò)固相擴(kuò)散接合來(lái)接合，因此在施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，能夠抑制第一鋁層與第一銅層之間出現(xiàn)剝離，并且良好地維持電路層的熱傳導(dǎo)性及導(dǎo)電性。

此時(shí)，第一銅層的厚度t1設(shè)為1.7mm以上且5mm以下。若厚度t1小于1.7mm，則難以向面方向擴(kuò)散來(lái)自半導(dǎo)體元件的熱量，因此不能充分降低施加功率循環(huán)負(fù)載時(shí)的熱電阻，難以確保對(duì)功率循環(huán)的可靠性。并且，若厚度t1在大于5mm的范圍中，則散熱性能上沒(méi)有大的差異，因此從功率模塊整體小型化的觀點(diǎn)考慮，厚度t1設(shè)為5mm以下。

而且，第一銅層的厚度t1與第二銅層的厚度t2的合計(jì)設(shè)為7mm以下。當(dāng)它們的合計(jì)大于7mm的情況下施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，陶瓷基板可能受到過(guò)大的熱應(yīng)力而導(dǎo)致陶瓷基板出現(xiàn)破裂。

另一方面，金屬層由與陶瓷基板的另一側(cè)面接合的第二鋁層及與該第二鋁層接合的第二銅層形成，因此無(wú)需形成鍍鎳層而能夠良好地接合金屬層與散熱片。并且，當(dāng)通過(guò)焊料接合功率模塊用基板與散熱片時(shí)，變形阻力相對(duì)較高的第二銅層與散熱片接合，因此在施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，能夠抑制因金屬層的變形所產(chǎn)生的焊料內(nèi)的龜裂，并且能夠抑制接合可靠性的下降及熱電阻的上升。而且，變形阻力相對(duì)較小的第二鋁層與第二銅層接合，因此即使施加冷熱循環(huán)負(fù)載也能夠由第二鋁層來(lái)吸收陶瓷基板與第二銅層之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力而抑制陶瓷基板出現(xiàn)破裂。

并且，第二鋁層與第二銅層通過(guò)固相擴(kuò)散接合來(lái)接合，因此在施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，能夠抑制第二鋁層與第二銅層之間出現(xiàn)剝離，良好地維持金屬層的熱傳導(dǎo)性。

并且，第一銅層的厚度t1與第二銅層的厚度t2的比率t2/t1設(shè)在大于0且1.2以下的范圍中除去0.6以上且0.8以下的范圍。這是因?yàn)?，若比率t2/t1在0.6以上且0.8以下的范圍中，則第一銅層的厚度t1與第二銅層的厚度t2較為接近而功率模塊用基板整體的翹曲變小，但第二銅層的厚度t2被設(shè)置成接近第一銅層厚度的較厚的厚度，因此第二銅層的剛性變高，由此施加冷熱循環(huán)時(shí)基于第一銅層的翹曲與基于第二銅層的翹曲在相反方向上被施加負(fù)載，盡管功率模塊用基板整體中所產(chǎn)生的翹曲量較小，但施加于陶瓷基板的負(fù)載變大而導(dǎo)致陶瓷基板可能出現(xiàn)破裂。

另一方面，若比率t2/t1小于0.6，則與第一銅層的厚度t1相比第二銅層的厚度t2較小，因此由于第一銅層與第二銅層的熱伸縮差而在施加冷熱循環(huán)時(shí)所產(chǎn)生的功率模塊用基板的翹曲變大，但第二銅層的剛性較低，因此第二銅層能夠跟隨第一銅層變形，能夠避免陶瓷基板出現(xiàn)破裂。

并且，若比率t2/t1在大于0.8的范圍中，則第一銅層的厚度t1與第二銅層的厚度t2成為大致相同的厚度，因此施加冷熱循環(huán)時(shí)的第一銅層中所產(chǎn)生的翹曲與第二銅層中所產(chǎn)生的翹曲成為保持平衡的狀態(tài)，能夠減少功率模塊用基板中所產(chǎn)生的翹曲，并能夠抑制陶瓷基板的破裂。

本發(fā)明的帶散熱片的功率模塊用基板具有上述的功率模塊用基板及與所述第二銅層接合的散熱片。

功率模塊用基板的第二銅層與散熱片接合，因此在金屬層上無(wú)需形成鍍鎳層而能夠通過(guò)焊料接合金屬層與散熱片。并且，接合變形阻力相對(duì)較高的第二銅層與散熱片，因此施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，能夠抑制焊料的龜裂，并且抑制接合可靠性的下降及熱電阻的上升。

本發(fā)明的帶散熱片的功率模塊具備上述的帶散熱片的功率模塊用基板及接合在所述電路層上的半導(dǎo)體元件。

這種帶散熱片的功率模塊中，即使施加冷熱循環(huán)負(fù)載，也能夠抑制接合金屬層與散熱片的焊料出現(xiàn)龜裂，并且抑制接合可靠性的下降及熱電阻的上升。

根據(jù)本發(fā)明，施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，能夠抑制接合可靠性的下降及熱電阻的上升且防止陶瓷基板的破裂。

附圖說(shuō)明

圖1是說(shuō)明使用本發(fā)明的一實(shí)施方式的功率模塊用基板的帶散熱片的功率模塊的概要的剖視圖。

圖2是說(shuō)明電路層中的第一鋁層與第一銅層的接合界面的主要部分的剖視圖。

圖3是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的功率模塊用基板的制造方法的概要的剖視圖。

圖4是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的帶散熱片的功率模塊的制造方法的概要的剖視圖。

圖5是表示本發(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。

圖6是表示冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的電路層(第一鋁層)與陶瓷基板的接合界面的超聲波圖像照片。

圖7是Cu與Al的二元狀態(tài)圖。

具體實(shí)施方式

以下，參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖1所示的帶散熱片的功率模塊100具備帶散熱片的功率模塊用基板20及與該帶散熱片的功率模塊用基板20接合的半導(dǎo)體元件30。帶散熱片的功率模塊用基板20具備功率模塊用基板10及與該功率模塊用基板10接合的散熱片40。

功率模塊用基板10具有陶瓷基板11、層疊在陶瓷基板11的一側(cè)面11f的電路層12及層疊在陶瓷基板11的另一側(cè)面11b的金屬層13。

陶瓷基板11為防止電路層12與金屬層13之間的電連接的基板，由AlN、Si₃N₄及Al₂O₃等構(gòu)成。陶瓷基板11的厚度設(shè)定在0.2mm～1.5mm的范圍內(nèi)，在本實(shí)施方式中設(shè)定為0.635mm。

電路層12具有與陶瓷基板11的一側(cè)面11f接合的第一鋁層12A及層疊在該第一鋁層12A的一側(cè)(圖1中的上側(cè))的第一銅層12B。

第一鋁層12A通過(guò)由純鋁或鋁合金構(gòu)成的板與陶瓷基板11的一側(cè)面11f接合來(lái)形成。在本實(shí)施方式中，第一鋁層12A由純度為99.99％以上的鋁(所謂的4N鋁)的軋制板構(gòu)成。

第一銅層12B通過(guò)在第一鋁層12A的一側(cè)(圖1中的上側(cè))接合由純銅或銅合金構(gòu)成的板來(lái)形成。在本實(shí)施方式中，第一銅層12B通過(guò)由無(wú)氧銅的軋制板構(gòu)成的銅板與第一鋁層12A固相擴(kuò)散接合來(lái)形成。

金屬層13具有與陶瓷基板11的另一側(cè)面11b接合的第二鋁層13A及層疊在該第二鋁層13A的另一側(cè)(圖1中的下側(cè))的第二銅層13B。

第二鋁層13A通過(guò)與電路層12的第一鋁層12A相同材料的鋁板與陶瓷基板11的另一側(cè)面11b的接合來(lái)形成。在本實(shí)施方式中，第二鋁層13A也通過(guò)由與第一鋁層12A相同的純度為99.99％以上的鋁(所謂的4N鋁)的軋制板構(gòu)成的鋁板與陶瓷基板11的接合來(lái)形成。

第二銅層13B通過(guò)以與電路層12的第一銅層12B相同的材料與第二鋁層13A的另一側(cè)(圖1中的下側(cè))的接合來(lái)形成。因此，在本實(shí)施方式中，第二銅層13B通過(guò)由與第一銅層12B相同的無(wú)氧銅的軋制板構(gòu)成的銅板與第二鋁層13A的固相擴(kuò)散接合來(lái)形成。

如此構(gòu)成的功率模塊用基板10的電路層12的第一銅層12B的厚度t1設(shè)為1.7mm以上且5mm以下。并且，第一銅層12B的厚度t1與第二銅層13B的厚度t2的合計(jì)設(shè)為7mm以下，并且第一銅層12B的厚度t1與第二銅層13B的厚度t2的比率t2/t1設(shè)定在大于0且1.2以下的范圍中除去0.6以上且0.8以下的范圍。

在本實(shí)施方式中，電路層12及金屬層13的平面尺寸設(shè)置成小于一邊設(shè)為30mm以上且150mm以下的矩形陶瓷基板11的平面尺寸。

如前所述，構(gòu)成電路層12的第一鋁層12A與第一銅層12B通過(guò)固相擴(kuò)散接合來(lái)接合，如圖2所示，在它們的界面形成有金屬間化合物層14。金屬間化合物層14通過(guò)第一鋁層12A的Al原子與第一銅層12B的Cu原子互相擴(kuò)散來(lái)形成。第一鋁層12A與第一銅層12B的界面所形成的金屬間化合物層14隨著從第一鋁層12A朝向第一銅層12B方向具有Al原子的濃度逐漸降低且Cu原子的濃度逐漸升高的濃度梯度。

同樣，如前所述，構(gòu)成金屬層13的第二鋁層13A與第二銅層13B通過(guò)固相擴(kuò)散接合來(lái)接合，如圖2所示，在它們的界面形成有金屬間化合物層14。金屬間化合物層14通過(guò)第二鋁層13A的Al原子與第二銅層13B的Cu原子互相擴(kuò)散來(lái)形成。第二鋁層13A與第二銅層13B的界面所形成的金屬間化合物層14隨著從第二鋁層13A朝向第二銅層13B的方向具有Al原子的濃度逐漸降低且Cu原子的濃度逐漸升高的濃度梯度。

如此，通過(guò)由Cu及Al構(gòu)成的金屬間化合物來(lái)構(gòu)成的金屬間化合物層14具有多個(gè)金屬間化合物沿接合界面層疊的結(jié)構(gòu)。該金屬間化合物層14的厚度設(shè)定在1μm以上且80μm以下的范圍內(nèi)，優(yōu)選設(shè)定在5μm以上且80μm以下的范圍內(nèi)。如圖2所示，本實(shí)施方式的金屬間化合物層14具有3種金屬間化合物層疊的結(jié)構(gòu)。即，以從第一鋁層12A(第二鋁層13A)側(cè)朝向第一銅層12B(第二銅層13B)側(cè)的順序，沿第一鋁層12A(第二鋁層13A)與第一銅層12B(第二銅層13B)的接合界面，層疊有θ相16及η₂相17，而且層疊有包含ζ₂相18A、δ相18B及γ₂相18C中的至少一種相的相18(圖7)。

沿金屬間化合物層14與第一銅層12B(第二銅層13B)的接合界面，氧化物19以層狀分散在θ相16、η₂相17、或ζ₂相18A、δ相18B及γ₂相18C中的至少一種相的內(nèi)部。在本實(shí)施方式中，該氧化物19為氧化鋁(Al₂O₃)等鋁氧化物。并且，氧化物19有時(shí)以被分割的狀態(tài)分散。而且，有時(shí)存在金屬間化合物層14與第一銅層12B(第二銅層13B)直接接觸的區(qū)域。

散熱片40是發(fā)散功率模塊用基板10側(cè)的熱量的器件。本實(shí)施方式的散熱片40由功率模塊用基板10接合的散熱板41及設(shè)置有用于流通冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)的流路42a的冷卻部42構(gòu)成，這些散熱板41與冷卻部42經(jīng)由潤(rùn)滑脂(省略圖示)通過(guò)螺絲43來(lái)固定。散熱片40優(yōu)選由熱傳導(dǎo)性良好的材質(zhì)構(gòu)成，在本實(shí)施方式中，散熱板41由無(wú)氧銅形成，冷卻部42由鋁合金形成。

散熱片40的散熱板41與金屬層13的第二銅層13B通過(guò)焊料層45來(lái)接合。焊料層45例如為Sn-Sb類(lèi)、Sn-Ag類(lèi)、Sn-Cu類(lèi)、Sn-In類(lèi)或Sn-Ag-Cu類(lèi)的焊料(所謂的無(wú)鉛焊料)。

半導(dǎo)體元件30為具備半導(dǎo)體的電子組件，根據(jù)所必要的功能可選擇各種半導(dǎo)體元件。半導(dǎo)體元件30經(jīng)由焊料層31與電路層12的第一銅層12B接合。焊料層31例如為Sn-Ag類(lèi)、Sn-Cu類(lèi)、Sn-In類(lèi)或Sn-Ag-Cu類(lèi)等的焊料(所謂的無(wú)鉛焊料)。

接著，使用圖3至圖5對(duì)如此構(gòu)成的功率模塊用基板10、帶散熱片的功率模塊用基板20及帶散熱片的功率模塊100的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。

首先，如圖3的(a)所示，在陶瓷基板11的兩面(本發(fā)明中所說(shuō)的一側(cè)面11f及另一側(cè)面11b)經(jīng)由Al-Si類(lèi)釬料(省略圖示)層疊鋁板12a、13a。然后，通過(guò)加壓、加熱后進(jìn)行冷卻，并接合陶瓷基板11與鋁板12a、13a，如圖3的(b)所示，在陶瓷基板11上形成第一鋁層12A及第二鋁層13A(鋁層形成工序S 11)。該釬焊溫度設(shè)定為610℃～650℃。

接著，如圖3的(c)所示，在第一鋁層12A的一側(cè)(上側(cè))配置銅板12b，在第二鋁層13A的另一側(cè)(下側(cè))配置銅板13b。然后，將該層疊體以層疊方向加壓的狀態(tài)裝入于真空加熱爐50中，進(jìn)行加熱處理。在本實(shí)施方式中，將對(duì)第一鋁層12A與銅板12b的接觸面及第二鋁層13A與銅板13b的接觸面施加負(fù)載的荷重設(shè)為0.29MPa以上且3.43MPa以下，將加熱溫度設(shè)為400℃以上且小于548℃，并保持5分鐘以上且240分鐘以下以進(jìn)行固相擴(kuò)散接合。由此，如圖3的(d)所示，在第一鋁層12A上接合銅板12b而形成第一銅層12B的同時(shí)，在第二鋁層13A上接合銅板13b而形成第二銅層13B(銅層形成工序S 12)。由此，形成電路層12及金屬層13，得到本實(shí)施方式所涉及的功率模塊用基板10(圖4的(a))。

在本實(shí)施方式中，對(duì)第一鋁層12A與銅板12b的接合面及第二鋁層13A與銅板13b的接合面，預(yù)先除去瑕疵而使其平滑后進(jìn)行固相擴(kuò)散接合。并且，固相擴(kuò)散接合時(shí)的真空加熱的優(yōu)選加熱溫度設(shè)為Al與Cu的共晶溫度-5℃以上且小于共晶溫度的范圍。

接著，如圖4的(b)～(c)所示，在功率模塊用基板10的另一側(cè)(下側(cè))接合散熱片40(散熱片接合工序S13)。在該散熱片接合工序S13中，如圖4的(b)所示，在功率模塊用基板10的另一側(cè)通過(guò)焊料層45焊接散熱板41后，如圖4的(c)所示，對(duì)該散熱板41經(jīng)由潤(rùn)滑脂配設(shè)冷卻部42，由此將散熱片40接合于功率模塊用基板10上。如此，得到帶散熱片的功率模塊用基板20。

最后，如圖4的(d)所示，在帶散熱片的功率模塊用基板20的電路層12的一側(cè)面(圖4中的上表面)通過(guò)焊料層31接合半導(dǎo)體元件30(半導(dǎo)體元件接合工序S14)，由此得到本實(shí)施方式所涉及的帶散熱片的功率模塊100。將該帶散熱片的功率模塊100的制造流程示于圖5。

根據(jù)具有以上結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式的功率模塊用基板10、帶散熱片的功率模塊用基板20及帶散熱片的功率模塊100，電路層12由與陶瓷基板11的一側(cè)面11f接合的第一鋁層12A及與該第一鋁層12A接合的第一銅層12B形成，并在該第一銅層12B上搭載半導(dǎo)體元件30，因此能夠在第一銅層12B中向面方向擴(kuò)散而有效地發(fā)散從半導(dǎo)體元件30產(chǎn)生的熱量。

并且，變形阻力相對(duì)較小的第一鋁層12A接合在陶瓷基板11與第一銅層12B之間，因此施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)由第一鋁層12A吸收因陶瓷基板11與電路層12(第一銅層12B)的熱膨脹系數(shù)之差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，能夠抑制陶瓷基板11出現(xiàn)破裂。而且，通過(guò)與該第一鋁層12A接合的變形阻力相對(duì)較大的第一銅層12B，能夠抑制施加功率循環(huán)負(fù)載時(shí)的電路層12的變形，因此能夠抑制接合電路層12與半導(dǎo)體元件30的焊料層31出現(xiàn)龜裂。

并且，第一鋁層12A與第一銅層12B通過(guò)固相擴(kuò)散接合來(lái)接合，因此在施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，能夠抑制第一鋁層12A與第一銅層12B之間出現(xiàn)剝離，并且良好地維持電路層12的熱傳導(dǎo)性及導(dǎo)電性。

而且，第一銅層12B的厚度t1設(shè)為1.7mm以上且5mm以下。這是因?yàn)?，若厚度t1小于1.7mm，則難以向面方向擴(kuò)散來(lái)自半導(dǎo)體元件30的熱量，因此不能充分降低施加功率循環(huán)負(fù)載時(shí)的熱電阻而難以確保對(duì)功率循環(huán)的可靠性。并且，若厚度t1在大于5mm的范圍中，則散熱性能上沒(méi)有大的差異，因此從功率模塊整體小型化的觀點(diǎn)考慮，厚度t1設(shè)為5mm以下。

而且，第一銅層12B的厚度t1與第二銅層13B的厚度t2的合計(jì)設(shè)為7mm以下。若它們的厚度的合計(jì)大于7mm，則在施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，陶瓷基板可受到過(guò)大的熱應(yīng)力而導(dǎo)致陶瓷基板出現(xiàn)破裂。對(duì)第一銅層12B的厚度t1與第二銅層13B的厚度t2的合計(jì)的下限并無(wú)特別限定，但優(yōu)選設(shè)為3.4mm以上。

另一方面，金屬層13由與陶瓷基板11的另一側(cè)面11b接合的第二鋁層13A及與該第二鋁層13A接合的第二銅層13B形成，因此無(wú)需形成鍍鎳層而能夠良好地接合金屬層13與散熱片40。并且，經(jīng)由焊料層45與散熱片40接合的第二銅層13B的變形阻力相對(duì)較高，因此在施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，能夠抑制因金屬層13的變形所產(chǎn)生的焊料層45內(nèi)的龜裂，并且抑制接合可靠性的下降及熱電阻的上升。而且，變形阻力相對(duì)較小的第二鋁層13A與第二銅層13B接合，因此即使施加冷熱循環(huán)負(fù)載也能夠由第二鋁層13A來(lái)吸收陶瓷基板11與第二銅層13B之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力而抑制陶瓷基板11出現(xiàn)破裂。

并且，第二鋁層13A與第二銅層13B通過(guò)固相擴(kuò)散接合來(lái)接合，因此即使在施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)，也能夠抑制第二鋁層13A與第二銅層13B之間的剝離，并且良好地維持金屬層13的熱傳導(dǎo)性。

第一銅層12B的厚度t1與第二銅層13B的厚度t2的比率t2/t1設(shè)在大于0且1.2以下的范圍中除去0.6以上且0.8以下的范圍(即，大于0且小于0.6及大于0.8且1.2以下的范圍)。

若比率t2/t1在0.6以上且0.8以下的范圍中，則第一銅層12B的厚度t1與第二銅層13B的厚度t2比較接近而功率模塊用基板10整體的翹曲變小，但相對(duì)于第一銅層12B較厚地設(shè)置的第二銅層13B的剛性較高，施加冷熱循環(huán)時(shí)所產(chǎn)生的第一銅層12B與第二銅層13B的相反方向的翹曲會(huì)施加于陶瓷基板11。其結(jié)果，盡管功率模塊用基板10整體所產(chǎn)生的翹曲量較小，但施加于陶瓷基板11的負(fù)載變大而導(dǎo)致陶瓷基板11可能出現(xiàn)破裂。

另一方面，若比率t2/t1小于0.6，則與第一銅層12B的厚度t1相比第二銅層13B的厚度t2較小，第二銅層13B的剛性相對(duì)較低，因此因第一銅層12B與第二銅層13B的熱伸縮差而在施加冷熱循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的功率模塊用基板10的翹曲變大，但第二銅層13B會(huì)跟隨第一銅層12B變形，由此能夠降低陶瓷基板11中所產(chǎn)生的應(yīng)力，能夠避免陶瓷基板11出現(xiàn)破裂。

并且，若比率t2/t1為大于0.8的范圍，則第一銅層12B的厚度t1與第二銅層13B的厚度t2大致相同，因此施加冷熱循環(huán)時(shí)的第一銅層12B中所產(chǎn)生的翹曲與第二銅層13B中所產(chǎn)生的翹曲成為保持平衡的狀態(tài)，能夠減少功率模塊用基板10中產(chǎn)生的翹曲，能夠抑制陶瓷基板11的破裂。

另外，上述實(shí)施方式并不限定本發(fā)明，對(duì)于細(xì)微部分結(jié)構(gòu)，在不脫離本發(fā)明的精神的范圍內(nèi)，可進(jìn)行各種變更。

例如，上述實(shí)施方式中，對(duì)散熱片40由無(wú)氧銅構(gòu)成的情形進(jìn)行了說(shuō)明，但也可由韌銅等純銅或銅合金構(gòu)成。并且，散熱片也可由鋁或鋁合金構(gòu)成，在這種情況下，對(duì)散熱片實(shí)施鍍鎳，由此能夠通過(guò)焊料良好地接合功率模塊用基板與散熱片。而且，散熱片40的散熱板41與冷卻部42的接合并不限定于基于螺絲的固定，例如也可通過(guò)固相擴(kuò)散接合來(lái)接合。散熱片40也可以采用不使用散熱板41而直接接合功率模塊用基板10與冷卻部42的方式。并且散熱片中可采用熱管等散熱的各種結(jié)構(gòu)。

并且，在上述實(shí)施方式中，對(duì)同時(shí)固相擴(kuò)散接合第一鋁層12A與第一銅層12B及第二鋁層13A與第二銅層13B的情形進(jìn)行了說(shuō)明，但它們也可以分別固相擴(kuò)散接合。

并且，第一鋁層12A及第二鋁層13A并不限定于純度99.99％的純鋁，也可以是純度99％的鋁(所謂的2N鋁)或鋁合金等。

實(shí)施例

接著，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)進(jìn)行說(shuō)明。

(本發(fā)明例1～12，比較例1～4)

在前述的功率模塊的制造工序中，制造了多個(gè)成為本發(fā)明例1～12及比較例1～4的功率模塊的試樣。

在各例子中，使用了在40mm×40mm、厚度0.635mm的由表1中所記載的材料構(gòu)成的陶瓷基板上層疊電路層及金屬層的功率模塊用基板。電路層的第一鋁層及金屬層的第二鋁層分別是將37mm×37mm、厚度0.6mm的表1中所記載的鋁板通過(guò)Al-Si類(lèi)釬料通過(guò)與陶瓷基板接合來(lái)形成。電路層的第一銅層及金屬層的第二銅層分別是將37mm×37mm的表1中所記載的銅板通過(guò)與第一鋁層及第二鋁層固相擴(kuò)散接合來(lái)形成，從而作為各例子的試樣制造了功率模塊用基板。將真空加熱爐內(nèi)的壓力設(shè)為1.0×10^-6Pa以上且1.0×10^-3Pa以下來(lái)進(jìn)行了固相擴(kuò)散接合。

然后，對(duì)得到的各功率模塊用基板實(shí)施冷熱循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的各功率模塊用基板進(jìn)行了陶瓷基板的破裂的評(píng)價(jià)。

冷熱循環(huán)試驗(yàn)使用ESPEC CORP.制的冷熱沖擊試驗(yàn)機(jī)TSB-51，并對(duì)各功率模塊用基板，在液相(氟類(lèi)惰性液體(3M Company制Fluorinert))下，以-40℃×5分鐘及125℃×5分鐘的條件來(lái)重復(fù)了3000次循環(huán)。

(陶瓷基板的破裂的評(píng)價(jià))

使用超聲波探傷裝置進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)在陶瓷基板上沒(méi)有確認(rèn)到破裂的設(shè)為良好“good”，出現(xiàn)破裂的設(shè)為否定“poor”。將評(píng)價(jià)結(jié)果示于表1中。

[表1]

(本發(fā)明例13～16)

將上述的本發(fā)明例5、7、10、12的各功率模塊用基板與表2中所示的各散熱片用Sn-Sb焊料接合，制作了表2中所示的本發(fā)明例13～16的帶散熱片的功率模塊用基板。

本發(fā)明例13中使用了本發(fā)明例5的功率模塊用基板。本發(fā)明例14中使用了本發(fā)明例7的功率模塊用基板。本發(fā)明例15中使用了本發(fā)明例10的功率模塊用基板。本發(fā)明例16中使用了本發(fā)明例12的功率模塊用基板。并且，本發(fā)明例13及本發(fā)明例16使用了由實(shí)施鍍鎳的Al合金(A6063)構(gòu)成的散熱片，本發(fā)明例14及本發(fā)明例15使用了由無(wú)氧銅構(gòu)成的散熱片。

然后，對(duì)得到的各帶散熱片的功率模塊用基板，進(jìn)行了對(duì)冷熱循環(huán)試驗(yàn)前后的第二銅層與焊料層界面的接合率及冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的陶瓷破裂的評(píng)價(jià)。

使用超聲波探傷裝置對(duì)冷熱循環(huán)試驗(yàn)前后的第二銅層與焊料層界面的初始接合率及循環(huán)后接合率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。并且，各接合率由以下式算出。

接合率(％)＝{(初始接合面積)-(剝離面積)}/(初始接合面積)

在此，初始接合面積是指接合前應(yīng)接合的面積，即本實(shí)施例中設(shè)為第二銅層的面積。在超聲波探傷圖像中，焊料層的龜裂表現(xiàn)為接合部?jī)?nèi)的白色部，因此將該白色部的面積設(shè)為剝離面積。

與本發(fā)明例1～12同樣的方式進(jìn)行了冷熱循環(huán)試驗(yàn)及陶瓷基板的破裂的評(píng)價(jià)。

[表2]

由表1可知，將第一銅層的厚度t1設(shè)為1.7mm以上且5mm以下，將比率t2/t1設(shè)定在大于0且1.2以下的范圍中除去0.6以上且0.8以下的范圍，將第一銅層的厚度t1與第二銅層的厚度t2的合計(jì)設(shè)為7mm以下的本發(fā)明例1～12中，能夠獲得冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的陶瓷基板沒(méi)有出現(xiàn)破裂的功率模塊用基板。

而且，由表2可知，在焊接有散熱片的各發(fā)明例的帶散熱片的功率模塊用基板中，能夠獲得冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的陶瓷基板沒(méi)有出現(xiàn)破裂的接合率良好的帶散熱片的功率模塊用基板。

另一方面，對(duì)于比率t2/t1設(shè)為0.6以上且0.8以下的比較例1～2、第一銅層的厚度t1與第二銅層的厚度t2的合計(jì)大于7mm的比較例3、比率t2/t1大于1.2的比較例4中，從圖6的超聲波圖像可以看出，成為冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的陶瓷基板出現(xiàn)破裂的結(jié)果。由圖6的超聲波圖像可知，比較例1～4中，確認(rèn)到放射狀的條紋，陶瓷基板的厚度方向出現(xiàn)龜裂。并且，除了放射狀的條紋以外可觀察到局部分散存在的白色區(qū)域，在陶瓷基板的水平方向也出現(xiàn)了龜裂。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

功率模塊用基板、帶散熱片的功率模塊用基板及帶散熱片的功率模塊，抑制施加冷熱循環(huán)負(fù)載時(shí)接合可靠性的下降及熱電阻的上升且防止陶瓷基板的破裂。

符號(hào)說(shuō)明

10-功率模塊用基板，11-陶瓷基板，11f-一側(cè)面，11b-另一側(cè)面，12-電路層，12a-鋁板，12A-第一鋁層，12b-銅板，12B-第一銅層，13-金屬層，13a-鋁板，13A-第二鋁層，13b-銅板，13B-第二銅層，14-金屬間化合物層，16-θ相，17-η₂相，18A-ζ₂相，18B-δ相，18C-γ₂相，19-氧化物，20-帶散熱片的功率模塊用基板，30-半導(dǎo)體元件，31-焊料層，40-散熱片，41-散熱板，42-冷卻部，42a-流路，43-螺絲，45-焊料層，50-真空加熱爐，100-帶散熱片的功率模塊。