功率模塊用基板單元及功率模塊的制作方法

文檔序號：11851967閱讀：324來源：國知局

本發(fā)明涉及一種控制大電流及高電壓的半導體裝置中所使用的功率模塊用基板單元及功率模塊。

本申請主張基于2014年4月25日于日本申請的專利申請2014-092054號的優(yōu)選權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。

背景技術(shù)：

車載用功率模塊中使用在以氮化鋁為首的陶瓷基板上接合鋁板，并且在一側(cè)經(jīng)由鋁板接合有鋁類散熱片的帶散熱片的功率模塊用基板單元。

以往，這種帶散熱片的功率模塊用基板單元是以如下方式來制造的。首先，在陶瓷基板的兩面經(jīng)由適合于接合陶瓷基板與鋁板的釬料層疊鋁板，并以規(guī)定的壓力來加壓的同時，進行加熱直至達到其釬料溶融的溫度以上，由此接合陶瓷基板與兩面的鋁板。接著，在一側(cè)的鋁板上經(jīng)由適合于接合鋁板與散熱片的釬料層疊散熱片，并以規(guī)定的壓力加壓的同時，進行加熱直至達到其釬料溶融的溫度以上，由此接合鋁板與散熱片。由此，制造帶散熱片的功率模塊用基板單元。

這種帶散熱片的功率模塊用基板單元中，一側(cè)的鋁板作為電路層來形成，在其上表面經(jīng)由焊錫材搭載功率元件等半導體元件。

若在這種功率模塊用基板中發(fā)生翹曲，則影響散熱性能等，因此需要采用翹曲較少的基板。

以往，作為減少功率模塊用基板的翹曲等的技術(shù)，例如有專利文獻1及專利文獻2中所記載的技術(shù)。

關(guān)于專利文獻1中所記載的功率模塊用基板，在作為電路層的金屬板中使用層疊包含以質(zhì)量％計鋁純度為99.0％以上且99.95％以下的第1層及鋁純度為99.99％以上的第2層的兩個以上的層而成的包覆材料，并且其第2層接合在陶瓷基板上。且記載有，此時電路層的厚度為600μm，與該電路層相比設(shè)置于陶瓷基板的相反面的金屬層厚度為400μm。

專利文獻2中公開有在氮化硅基板的至少一側(cè)表面接合有金屬包覆材料的氮化硅電路基板。作為金屬包覆材料優(yōu)選采用Cu板或Al板等導電性材料與如可伐合金板或鎢板等低熱膨脹金屬的組合。

專利文獻1：日本專利公開2012-191004號公報

專利文獻2：日本專利公開2003-168770號公報

在以往的帶散熱片的功率模塊用基板單元中，將減少接合散熱片時由絕緣基板與散熱片的線膨脹差而引起的初始翹曲作為主要課題，但在接合散熱片后安裝半導體元件的工序中進行加熱時，或由于使用環(huán)境的溫度變化，也可能會引起翹曲的發(fā)生。

若安裝工序中發(fā)生翹曲，則發(fā)生焊接部的位置偏差，或接合部發(fā)生歪斜或龜裂等，從而存在損壞接合可靠性的課題。并且，若在使用環(huán)境下發(fā)生翹曲，則介于散熱片與冷卻器之間的熱傳導性潤滑脂通過泵出現(xiàn)象從散熱片與冷卻器之間流出，由此可能損壞散熱片與冷卻器的粘附性，導致熱阻的增加。

技術(shù)實現(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不僅與散熱片接合后的初始翹曲較少，而且在半導體元件的安裝工序時及使用環(huán)境下翹曲也較少的帶散熱片的功率模塊用基板單元及功率模塊。

本發(fā)明的功率模塊用基板單元具有至少一個功率模塊用基板；及接合有該功率模塊用基板的所述金屬層的散熱片，所述功率模塊用基板具備一片陶瓷基板、形成在該陶瓷基板的一側(cè)面的電路層及形成在所述陶瓷基板的另一側(cè)面的金屬層，其中所述金屬層由純度99.99質(zhì)量％以上的鋁板構(gòu)成，所述散熱片由純度99.90質(zhì)量％以下的鋁板構(gòu)成，所述電路層具有接合在所述陶瓷基板上的由純度99.99質(zhì)量％以上的鋁板構(gòu)成的第1層及接合在該第1層的表面上的由純度小于99.90質(zhì)量％的鋁板構(gòu)成的第2層的層疊結(jié)構(gòu)。

電路層為第1層及第2層的層疊結(jié)構(gòu)，并且相對于剛性高的即屈服強度高的散熱片在夾持陶瓷基板的相反側(cè)配置有由剛性高的鋁板構(gòu)成的第2層，因此這些散熱片與電路層的第2層成為以陶瓷基板為中心的對稱結(jié)構(gòu)，從而在加熱時等作用于陶瓷基板兩面的應(yīng)力不易發(fā)生偏差，且不易發(fā)生翹曲。并且，作為與陶瓷基板接合的第1層，配置有純度99.99質(zhì)量％以上的較軟的即屈服強度較低的鋁板，因此在加熱時等能夠減少施加于陶瓷基板的熱應(yīng)力而防止破裂。另外，當將第2層通過屈服強度較高的小于99.0質(zhì)量％的鋁板來構(gòu)成時，能夠縮小第2層的厚度，因此無需增加熱阻而能夠設(shè)成更優(yōu)選的結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的功率模塊用基板單元中，當將所述第2層的厚度設(shè)為t1(mm)，將所述第2層的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將所述第2層的屈服強度設(shè)為σ1(N/mm²)，將所述散熱片的厚度設(shè)為t2(mm)，將所述散熱片的接合面積設(shè)為A2(mm²)，將所述散熱片的屈服強度設(shè)為σ2(N/mm²)時，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)是0.85以上且1.40以下即可。

對于電路層的第2層與散熱片，通過將這些厚度、接合面積及屈服強度的關(guān)系設(shè)定在該范圍內(nèi)，能夠進一步提高以陶瓷基板為中心的對稱性，并且可靠地防止翹曲的發(fā)生。即，通過在功率模塊用基板單元的陶瓷基板上并列配設(shè)多個小電路層等來對電路層進行圖案化的情況下，與陶瓷基板接合的電路層的接合部分和金屬層所接合的散熱片的接合部分形狀不同，但通過考慮這些接合部分中的第2層的剛性與散熱片20的剛性的對稱性，能夠可靠地防止翹曲的發(fā)生。

并且，在本發(fā)明的功率模塊用基板單元中，還具有介于所述電路層的所述第1層與所述第2層之間的由鋁合金板構(gòu)成的電路側(cè)接合芯材，當將所述第2層的厚度設(shè)為t1(mm)，將所述第2層的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將所述第2層的屈服強度設(shè)為σ1(N/mm²)，將所述散熱片的厚度設(shè)為t2(mm)，將所述散熱片的接合面積設(shè)為A2(mm²)，將所述散熱片的屈服強度設(shè)為σ2(N/mm²)，將所述電路側(cè)接合芯材的厚度設(shè)為t3(mm)，將所述電路側(cè)接合芯材與所述第1層的接合面積設(shè)為A3(mm²)，將屈服強度設(shè)為σ3(N/mm²)時，可將比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2)設(shè)為0.85以上且1.40以下。

并且，在本發(fā)明的功率模塊用基板單元中，還具有介于所述金屬層與所述散熱片之間的由鋁合金板構(gòu)成的散熱側(cè)接合芯材，當將所述第2層的厚度設(shè)為t1(mm)，將所述第2層的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將所述第2層的屈服強度設(shè)為σ1(N/mm²)，將所述散熱片的厚度設(shè)為t2(mm)，將所述散熱片的接合面積設(shè)為A2(mm²)，將所述散熱片的屈服強度設(shè)為σ2(N/mm²)，將所述散熱側(cè)接合芯材的厚度設(shè)為t4(mm)，將所述散熱側(cè)接合芯材與所述金屬層的接合面積設(shè)為A4(mm²)，將所述散熱側(cè)接合芯材的屈服強度設(shè)為σ4(N/mm²)時，可將比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)設(shè)為0.85以上且1.40以下。

并且，在本發(fā)明的功率模塊用基板單元中，還具有介于所述電路層的所述第1層與所述第2層之間的由鋁合金板構(gòu)成的電路側(cè)接合芯材及介于所述金屬層與所述散熱片之間的由鋁合金板構(gòu)成的散熱側(cè)接合芯材，當將所述第2層的厚度設(shè)為t1(mm)，將所述第2層的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將所述第2層的屈服強度設(shè)為σ1(N/mm²)，將所述散熱片的厚度設(shè)為t2(mm)，將所述散熱片的接合面積設(shè)為A2(mm²)，將所述散熱片的屈服強度設(shè)為σ2(N/mm²)，將所述電路側(cè)接合芯材的厚度設(shè)為t3(mm)，將所述第1層與所述電路側(cè)接合芯材的接合面積設(shè)為A3(mm²)，將所述電路側(cè)接合芯材的屈服強度設(shè)為σ3(N/mm²)，將所述散熱側(cè)接合芯材的厚度設(shè)為t4(mm)，將所述金屬層與所述散熱側(cè)接合芯材的接合面積設(shè)為A4(mm²)，將所述散熱側(cè)接合芯材的屈服強度設(shè)為σ4(N/mm²)時，可將比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)設(shè)為0.85以上且1.40以下。

在本發(fā)明所涉及的功率模塊用基板單元中，所述功率模塊用基板的所述電路層可通過互相分離的多個小電路層來形成。

并且，本發(fā)明所涉及的功率模塊用基板單元可具備多個所述功率模塊用基板。

本發(fā)明的功率模塊具備所述功率模塊用基板單元及搭載于所述電路層的表面上的半導體元件。

根據(jù)本發(fā)明，通過減少加熱時的翹曲，能夠消除通過焊接等安裝半導體元件的工序中的不良狀況，并且溫度循環(huán)時的翹曲也較小，因此作為絕緣基板時的可靠性也被提高。并且，通過電路層中使用高剛性部件，電路層的變形被抑制，半導體元件的連接可靠性也良好。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式所涉及的功率模塊用基板單元的制造工序的剖視圖。

圖2是本發(fā)明的第1實施方式所涉及的功率模塊用基板單元的制造中所使用的加壓裝置的主視圖。

圖3是表示本發(fā)明的第2實施方式所涉及的功率模塊用基板單元的制造工序的剖視圖。

圖4是表示本發(fā)明的第3實施方式所涉及的功率模塊用基板單元的制造工序的剖視圖。

圖5是表示本發(fā)明的第4實施方式所涉及的功率模塊用基板單元的制造工序的剖視圖。

圖6是表示本發(fā)明的第5實施方式所涉及的功率模塊用基板單元的制造工序的剖視圖。

圖7是本發(fā)明的第6實施方式所涉及的功率模塊用基板單元的剖視圖。

圖8是本發(fā)明的第7實施方式所涉及的功率模塊用基板單元的剖視圖。

圖9是表示圖8的功率模塊用基板單元的立體圖。

具體實施方式

以下，參考附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。圖1的(c)所示的第1實施方式的功率模塊用基板單元50具備功率模塊用基板10及散熱片20。通過在該功率模塊用基板單元50的表面搭載半導體芯片等半導體元件30，制造功率模塊100。

功率模塊用基板10具備陶瓷基板11、通過釬焊接合在陶瓷基板11的一側(cè)面的電路層12及通過釬焊接合在陶瓷基板11的另一側(cè)面的金屬層13。而且，在該功率模塊用基板10的電路層12的表面焊接半導體元件30，在金屬層13的表面釬焊散熱片20。

陶瓷基板11例如可使用AlN(氮化鋁)、Si₃N₄(氮化硅)等氮化物類陶瓷或Al₂O₃(氧化鋁)等氧化物類陶瓷。并且，陶瓷基板11的厚度可設(shè)定在0.2～1.5mm的范圍內(nèi)。

電路層12設(shè)成與陶瓷基板11的表面接合的第1層15與接合在第1層15上的第2層16的層疊結(jié)構(gòu)。第1層15可使用純度99.99質(zhì)量％以上的鋁板(在JIS標準中為1N99(純度99.99質(zhì)量％以上：所謂的4N鋁)的純鋁板)。第2層16可使用純度小于99.90質(zhì)量％的鋁板(在JIS標準中為純度99.0質(zhì)量％以上的所謂的2N鋁(例如A1050等)的純鋁板，或A3003、A6063、A5052等鋁合金板)。第1層15的厚度為0.1mm以上且2.5mm以下，第2層16的厚度t1為0.5mm以上且5.0mm以下。

對金屬層13，與電路層12的第1層15同樣使用純度99.99質(zhì)量％以上(在JIS標準中為1N99(純度99.99質(zhì)量％以上：所謂的4N鋁))的鋁板，且形成為厚度為0.1mm以上且小于2.5mm。

作為與功率模塊用基板10接合的散熱片20的材質(zhì)，可使用純度為99.90質(zhì)量％以下的鋁板(在JIS標準中為1N90(純度99.90質(zhì)量％以上的所謂的3N鋁)或純度99.0質(zhì)量％以上的所謂的2N鋁(例如A1050等)的純鋁板、A3003、A6063、A5052等鋁合金板)。

作為散熱片20的形狀，可采用平板狀、通過熱鍛等一體形成的多個針狀翅片或通過擠壓成型而一體形成的互相平行的帶狀翅片等適當?shù)男螤睢Ｉ崞?0作為在內(nèi)部流通制冷劑的冷卻器的部件，用螺紋固定等方式組裝于構(gòu)成冷卻器的其他部件后使用。尤其，優(yōu)選將抑制翹曲效果好的平板狀的散熱片或一體形成為多個針狀翅片的散熱片用作散熱片20。在本實施方式中，使用平板狀的散熱片20。

該散熱片20與電路層12的第2層16被設(shè)定成滿足如下關(guān)系，即當將第2層16的厚度設(shè)為t1，將第1層15與第2層16的接合面積設(shè)為A1，將第2層16的屈服強度設(shè)為σ1，將散熱片20的厚度設(shè)為t2，將散熱片20與金屬層13的接合面積設(shè)為A2，將散熱片20的屈服強度設(shè)為σ2時，設(shè)定為比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為0.85以上且1.40以下的關(guān)系。

例如，如下組合的情況下，成為比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)＝1.08，即第2層16為厚度t1＝1.5mm的A3003鋁合金(屈服強度σ1＝40N/mm²)且第1層15與第2層16的接合面積A1被設(shè)為900mm²，并且散熱片20為厚度t2＝1.0mm的A6063鋁合金(屈服強度σ2＝50N/mm²)且金屬層13與散熱片20的接合面積A2被設(shè)為1000mm²。另外，本發(fā)明中的屈服強度的值為室溫(25℃)時的值。

接著，對制造如此構(gòu)成的功率模塊用基板單元50的方法進行說明。以如下方式制造該功率模塊用基板單元50，即接合陶瓷基板11和電路層12中的第1層15及金屬層13(第1接合工序)之后，在第1層15之上接合第2層16，在金屬層13接合散熱片20(第2接合工序)。以下，對該工序順序進行說明。

(第1接合工序)

首先，如圖1的(a)所示，在陶瓷基板11的一側(cè)面層疊成為電路層12中的第1層15的第1層鋁板15a，在另一側(cè)面層疊成為金屬層13的金屬層鋁板13a，并將它們接合為一體。這些接合中，使用Al-Si類等合金的釬料40。該釬料40可以以箔的形態(tài)來使用。

如圖1的(a)所示，將這些陶瓷基板11、第1層鋁板15a及金屬層鋁板13a經(jīng)由釬料40層疊，并使用圖2所示的加壓裝置110使該層疊體S保持向?qū)盈B方向加壓的狀態(tài)。

該加壓裝置110具備底座板111、垂直安裝在底座板111的上面四角的導柱112、固定在這些導柱112的上端部的固定板113、在這些底座板111與固定板113之間上下移動自如地被支承在導柱112的按壓板114及設(shè)置在固定板113與按壓板114之間且對按壓板114向下方施力的彈簧等施力機構(gòu)115。

固定板113及按壓板114相對于底座板111被平行地配置，在底座板111與按壓板114之間配置前述的層疊體S。在層疊體S的兩面配設(shè)碳片116以便均勻加壓。

在用該加壓裝置110加壓的狀態(tài)下，連同加壓裝置110設(shè)置在省略圖示的加熱爐內(nèi)，并在真空氣氛下加熱至釬焊溫度而進行釬焊。作為此時的加壓力例如可設(shè)為0.68MPa(7kgf/cm²)，作為加熱溫度例如可設(shè)為640℃。

(第2接合工序)

如圖1的(b)所示，在通過第1接合工序得到的接合體60中的電路層12的第1層15上，經(jīng)由釬料40層疊成為第2層16的第2層鋁板16a，對金屬層13經(jīng)由釬料40層疊散熱片20。這些釬料40可以以箔的形態(tài)使用Al-Si類等合金釬料。

然后，以使用與圖2相同的加壓裝置110將這些層疊體向?qū)盈B方向加壓的狀態(tài)，連同加壓裝置110在真空氣氛下加熱而分別釬焊第2層16及散熱片20。作為此時的加壓力例如可設(shè)為0.68MPa(7kgf/cm²)，作為加熱溫度例如可設(shè)為615℃。

對如此制造出的功率模塊用基板單元50，如圖1的(c)所示，在電路層12(第2層16)的上表面通過焊接接合半導體元件30，以制造功率模塊100。

如上述那樣制造的功率模塊100中，如上所述，對于功率模塊用基板單元50，將電路層12設(shè)為第1層15與第2層16的層疊結(jié)構(gòu)，并且相對于剛性高的即屈服強度高的散熱片20，在陶瓷基板11的相反側(cè)配置由剛性高的第2層鋁板16a構(gòu)成的第2層16，將這些散熱片20與電路層12的第2層16設(shè)為以陶瓷基板11為中心的對稱結(jié)構(gòu)，因此在加熱時等作用于陶瓷基板11的兩面的應(yīng)力不易發(fā)生偏差，且不易發(fā)生翹曲。并且，作為與陶瓷基板11接合的第1層15，配置有純度99.99質(zhì)量％以上的較軟的即屈服強度較低的第1層鋁板15a，因此在加熱時等能夠減少施加于陶瓷基板11的熱應(yīng)力而防止破裂的發(fā)生。另外，在通過屈服強度較高的小于99.0質(zhì)量％的鋁板來構(gòu)成第2層16的情況下，能夠減小第2層16的厚度，因此無需增加熱阻而能夠設(shè)成更優(yōu)選的結(jié)構(gòu)。

并且，對于功率模塊用基板單元50中，當將電路層12中的第2層16的厚度設(shè)為t1，將第1層15與第2層16的接合面積設(shè)為A1，將第2層16的屈服強度設(shè)為σ1，將散熱片20的厚度設(shè)為t2，將金屬層13與散熱片20的接合面積設(shè)為A2，將散熱片20的屈服強度設(shè)為σ2時，將比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)設(shè)定為0.85以上且1.40以下的范圍，由此對于半導體元件30的安裝工序時及之后的使用環(huán)境下的溫度變化，翹曲發(fā)生較少，作為絕緣基板時具有長期的高可靠性。

如此，功率模塊用基板單元50中，當比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00時、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下時，能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。并且，關(guān)于功率模塊用基板單元50，在電路層12中，對焊接半導體元件30的第2層16中使用剛性高的即屈服強度較高的鋁板，因此也能夠抑制電路層12的變形。

對半導體元件30的焊接，例如使用Sn-Sb類、Sn-Ag類、Sn-Cu類、Sn-In類或Sn-Ag-Cu類的焊料，并通過加熱至275℃～335℃來進行。

另外，在上述的第1實施方式中，作為釬料使用Al-Si類合金且在真空氣氛下進行釬焊，但也可使用Al-Si-Mg類、Al-Mg類、Al-Ge類、Al-Cu類或Al-Mn類等釬料。當使用含有Mg的Al-Si-Mg類、Al-Mg類合金的釬料來進行釬焊時，能夠在非氧化氣氛下進行釬焊。

圖3表示第2實施方式的功率模塊用基板單元51的制造方法。在該實施方式中，對與圖1的第1實施方式共同的要件標注相同符號(在以下的各實施方式中也相同)。

該功率模塊用基板單元51中，功率模塊用基板17中的電路層18的第1層15與第2層16之間通過在電路側(cè)接合芯材41a的兩面形成有釬料層42的兩面釬焊包覆材料43a來接合。并且，金屬層13與散熱片20之間也通過在散熱側(cè)接合芯材41b的兩面形成有釬料層42的兩面釬焊包覆材料43b來接合。

在兩面釬焊包覆材料43a、43b中，對電路側(cè)接合芯材41a及散熱側(cè)接合芯材41b采用厚度0.05mm～0.6mm的JIS的A3003鋁合金，而對兩面的釬料層42采用Al-Si-Mg類合金。

對該第2實施方式的功率模塊用基板單元51的制造方法進行說明。首先，與第1實施方式的第1接合工序同樣地，通過使用釬料40(參考圖1的(a))的釬焊在陶瓷基板11的一側(cè)面接合電路層18的第1層15，在另一側(cè)面接合金屬層13，以進行第1接合工序。然后，如圖3的(a)所示，在第1層15上經(jīng)由兩面釬焊包覆材料43a層疊成為第2層16的第2層鋁板16a，并且在金屬層13上經(jīng)由兩面釬焊包覆材料43b層疊散熱片20，并將它們向?qū)盈B方向加壓后，在氮氣氛等非氧化氣氛下加熱而進行釬焊。

如圖3的(b)所示，如此制造的第2實施方式的功率模塊用基板單元51成為在電路層18的第1層15與第2層16之間存在薄的鋁合金層(電路側(cè)接合芯材41a)且在金屬層13與散熱片20之間存在薄的鋁合金層(散熱側(cè)接合芯材41b)的狀態(tài)。

該功率模塊用基板單元51中，當將電路層18中的第2層16的厚度設(shè)為t1，將電路側(cè)接合芯材41a與第2層16的接合面積設(shè)為A1，將第2層16的屈服強度設(shè)為σ1，將散熱片20的厚度設(shè)為t2，將散熱側(cè)接合芯材41b與散熱片20的接合面積設(shè)為A2，將散熱片20的材料的屈服強度設(shè)為σ2，將電路側(cè)接合芯材41a的厚度設(shè)為t3，將第1層15與電路側(cè)接合芯材41a的接合面積設(shè)為A3，將電路側(cè)接合芯材41a的屈服強度設(shè)為σ3，將散熱側(cè)接合芯材41b的厚度設(shè)為t4，將金屬層13與散熱側(cè)接合芯材41b的接合面積設(shè)為A4，將散熱側(cè)接合芯材41b的材料的屈服強度設(shè)為σ4時，比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)被設(shè)為0.85以上且1.40以下。

如此，該功率模塊用基板單元51中，當比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)為1.00時、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下時，與第1實施方式同樣地，能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

圖4表示第3實施方式的功率模塊用基板單元52的制造方法。在該功率模塊用基板單元52中，電路層18與第2實施方式同樣地，對第1層15與第2層16之間，通過在電路側(cè)接合芯材41a的兩面形成有釬料層42的兩面釬焊包覆材料43a來接合。并且，對金屬層13與散熱片20之間，與第1實施方式同樣地通過Al-Si類等合金的釬料45來接合。

對該第3實施方式的功率模塊用基板單元52的制造方法進行說明。首先，與第1實施方式的第1接合工序同樣地，通過使用釬料40(參考圖1的(a))的釬焊在陶瓷基板11的一側(cè)面接合電路層18的第1層15，在另一側(cè)面接合金屬層13，以進行第1接合工序。然后，如圖4的(a)所示，在第1層15上經(jīng)由兩面釬焊包覆材料43a層疊成為第2層16的第2層鋁板16a，并且在金屬層13上經(jīng)由由Al-Si-Mg類合金構(gòu)成的釬料45層疊散熱片20，并將它們向?qū)盈B方向進行加壓后，在氮氣氛等非氧化氣氛下加熱而進行釬焊。

該功率模塊用基板單元52中，如圖4的(b)所示，成為在電路層18的第1層15與第2層16之間存在薄的鋁合金層(兩面釬焊包覆材料43a的電路側(cè)接合芯材41a)的狀態(tài)。

該功率模塊用基板單元52中，當將電路層18中的第2層16的厚度設(shè)為t1，將電路側(cè)接合芯材41a與第2層16的接合面積設(shè)為A1，將第2層16的屈服強度設(shè)為σ1，將散熱片20的厚度設(shè)為t2，將金屬層13與散熱片20的接合面積設(shè)為A2，將散熱片20的屈服強度設(shè)為σ2，將電路側(cè)接合芯材41a的厚度設(shè)為t3，將電路側(cè)接合芯材41a與第1層15的接合面積設(shè)為A3，將電路側(cè)接合芯材41a的屈服強度設(shè)為σ3時，比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2)被設(shè)為0.85以上且1.40以下。

如此，該功率模塊用基板單元52中，當比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2)為1.00時、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下時，與第1實施方式同樣地，能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

圖5表示第4實施方式的功率模塊用基板單元53的制造方法。該功率模塊用基板單元53中，電路層12的第2層16通過在第2層鋁板16a的一面上接合層疊有由Al-Si-Mg類合金構(gòu)成的釬料層44的包覆板19而成。首先，與第1實施方式的第1接合工序同樣地，通過釬焊在陶瓷基板11的一側(cè)面接合電路層12的第1層15，在另一側(cè)面接合金屬層13而進行第1接合工序后，如圖5的(a)所示，以在第1層15上重疊釬料層44的方式層疊包覆板19，并且金屬層13上經(jīng)由在第2實施方式中使用的散熱側(cè)接合芯材41b的兩面形成有釬料層42的兩面釬焊包覆材料43b層疊散熱片20，并將它們向?qū)盈B方向進行加壓后，在氮氣氛等非氧化氣氛下加熱而進行釬焊。

圖5的(b)所示的該功率模塊用基板單元53中，當將電路層12中的第2層16的鋁板的厚度設(shè)為t1，將第1層15與第2層16的接合面積設(shè)為A1，將第2層16的屈服強度設(shè)為σ1，將散熱片20的厚度設(shè)為t2，將散熱側(cè)接合芯材41b與散熱片20的接合面積設(shè)為A2，將散熱片20的屈服強度設(shè)為σ2，將散熱側(cè)接合芯材41b的厚度設(shè)為t4，將金屬層13與散熱側(cè)接合芯材41b的接合面積設(shè)為A4，將散熱側(cè)接合芯材41b的屈服強度設(shè)為σ4時，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)被設(shè)為0.85以上且1.40以下。

如此，該功率模塊用基板單元53中，當比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)為1.00時、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下時，與第1實施方式同樣地，能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

圖6表示第5實施方式的功率模塊用基板單元54的制造方法。該功率模塊用基板單元54中，電路層12的第1層15與第2層16作為預先接合的包覆材料來制造。

如圖6的(a)所示，在陶瓷基板11的一側(cè)面經(jīng)由由Al-Si類合金構(gòu)成的釬料40而層疊包覆材料的電路層12，并且在另一側(cè)面經(jīng)由由Al-Si類合金構(gòu)成的釬料40層疊金屬層13，并以將它們在真空氣氛下加壓的狀態(tài)來加熱而進行釬焊(第1接合工序)。由此，在陶瓷基板11的兩面形成接合有電路層12及金屬層13的功率模塊用基板10(圖6的(b))。

接著，如圖6的(b)所示，對得到的功率模塊用基板10的金屬層13經(jīng)由由Al-Si-Mg類合金構(gòu)成的釬料45來層疊散熱片20，并以將它們在氮氣氛等非氧化氣氛下加壓的狀態(tài)來加熱而進行釬焊(第2接合工序)。

圖6的(c)所示的該功率模塊用基板單元54中，當將電路層12的第2層16的厚度設(shè)為t1，將第1層15與第2層16的接合面積設(shè)為A1，將第2層16的屈服強度設(shè)為σ1，將散熱片20的厚度設(shè)為t2，將金屬層13與散熱片20的接合面積設(shè)為A2，將散熱片20的屈服強度設(shè)為σ2時，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)被設(shè)為0.85以上且1.40以下。

如此，該功率模塊用基板單元54中，當比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00時、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下時，與第1實施方式同樣地，能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

圖7表示第6實施方式的功率模塊用基板單元55。上述第1實施方式至第5實施方式中，示出了一組功率模塊用基板與一片散熱片接合的方式，但如圖7所示的功率模塊用基板單元55那樣，多個功率模塊用基板10S與一片散熱片20接合時也同樣能夠適用本發(fā)明。如此構(gòu)成的功率模塊用基板單元55中，在散熱片20上隔著間隔接合多個功率模塊用基板10S，由此能夠?qū)崿F(xiàn)基板的高度集成化。

該功率模塊用基板單元55中，各功率模塊用基板10S通過層疊由第1層15及第2層16層疊而成的小電路層12S、小陶瓷基板11S及小金屬層13S而形成。當將第2層16的厚度設(shè)為t1，將第1層15與第2層16的接合面積設(shè)為A1(此時，將構(gòu)成電路層12的各小電路層12S中的第2層16與第1層15的接合面積的總和設(shè)為A1)，將第2層16的屈服強度設(shè)為σ1，將散熱片20的厚度設(shè)為t2，將由多個小金屬層13S構(gòu)成的金屬層13與散熱片20的接合面積設(shè)為A2(此時，將散熱片20與各小金屬層13S的接合面積的總和設(shè)為A2)，將散熱片20的屈服強度設(shè)為σ2時，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)被設(shè)為0.85以上且1.40以下。

如此，該功率模塊用基板單元55中，當比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00時、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下時，與第1實施方式同樣地，能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

當如功率模塊用基板單元55那樣具備多個功率模塊用基板10S時，在各接合部分中，通過考慮第2層16的剛性(考慮厚度t1與接合面積A1相乘的體積的屈服強度)與散熱片20的剛性(考慮厚度t2與接合面積A2相乘的體積的屈服強度)的對稱性，能夠可靠地防止翹曲的發(fā)生。

圖8及圖9表示第7實施方式的功率模塊用基板單元56。該功率模塊用基板單元56中，金屬層13與陶瓷基板11用一片來構(gòu)成，但電路層12由在陶瓷基板11上沿面方向隔著間隔配設(shè)的多個小電路層12S來形成。如此，電路層12由分離的多個小電路層12S形成的情況下，同樣也能夠適用本發(fā)明。如此構(gòu)成的功率模塊用基板單元56中，通過在陶瓷基板11上隔著間隔接合多個小電路層12S而形成被圖案化的電路層12，因此與第6實施方式的功率模塊用基板單元55同樣地，能夠?qū)崿F(xiàn)基板的高度集成化。

該功率模塊用基板單元56中，各小電路層12S通過層疊第1層15及第2層16而形成。當將第2層16的厚度設(shè)為t1，將第1層15與第2層16的接合面積設(shè)為A1(此時，將構(gòu)成電路層12的各小電路層12S中的第2層16與第1層15的接合面積的總和設(shè)為A1)，將第2層16的屈服強度設(shè)為σ1，將散熱片20的厚度設(shè)為t2，將金屬層13與散熱片20的接合面積設(shè)為A2，將散熱片20的屈服強度設(shè)為σ2時，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)被設(shè)為0.85以上且1.40以下。

如此，該功率模塊用基板單元56中，當比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下時，與第1實施方式同樣地，能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

當如功率模塊用基板單元56那樣通過互相分離的多個小電路層12S形成電路層12時，與陶瓷基板11接合的電路層12與金屬層13為不同形狀，但它們的接合部分中，通過考慮第2層16的剛性(考慮厚度t1與接合面積A1相乘的體積的屈服強度)與散熱片20的剛性(考慮厚度t2與接合面積A2相乘的體積的屈服強度)的對稱性，能夠可靠地防止翹曲的發(fā)生。

實施例

接著，對為了確認本發(fā)明的效果而進行的實施例進行說明。作為發(fā)明例1～18，準備厚度0.635mm的由AlN構(gòu)成的陶瓷基板、厚度0.6mm的由4N-Al構(gòu)成的第1層及金屬層，并且對電路層的第2層及散熱片，準備具有表1所示的厚度、接合面積、鋁純度及屈服強度的各物件。另外，散熱片為平板狀，整體的平面尺寸設(shè)為60mm×50mm。

通過第1實施方式至第5實施方式中敘述的各接合方法接合它們，制作了功率模塊用基板單元。表1的實施方式(接合方法)表示以何種實施方式的制造方法制作各試樣。并且，作為以往例1，制作了在第1實施方式中敘述的接合方法中沒有接合電路層的第2層而沒有形成第2層的功率模塊用基板單元。

另外，關(guān)于表1的“比率”，當實施方式(接合方法)為1及5時表示(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)，當實施方式為2時表示(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)，當實施方式為3時表示(t1×A1×σ1+t3×A2×σ3)/(t2×A2×σ2)，當實施方式為4時表示(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)。

然后，對得到的各試樣，分別測量接合后的常溫(25℃)下的翹曲量(初始翹曲)及280℃下加熱時的翹曲量(加熱時翹曲)。使用云紋式三維形狀測量儀測量散熱片背面的平面度的變化來評價翹曲量，并且將向電路層側(cè)凸狀翹曲的情形設(shè)為正的翹曲量(+)，將向電路層側(cè)凹狀翹曲的情形設(shè)為負的翹曲量(-)。將其結(jié)果示于表1中。

由表1可知，在電路層上沒有層疊由純度小于99.90質(zhì)量％的鋁板構(gòu)成的第2層的以往例1中，確認到常溫時及加熱時的翹曲較大。與此相比，在電路層上層疊由純度小于99.90質(zhì)量％的鋁板構(gòu)成的第2層的發(fā)明例1～18中，確認到能夠獲得常溫時及加熱時的翹曲較小的功率模塊用基板單元。

而且，(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)、(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)或(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2)、(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)在0.85以上且1.40以下的范圍內(nèi)的發(fā)明例1～14中，可知能夠進一步縮小翹曲量。因此，即使該功率模塊用基板單元在焊接半導體元件時或之后的使用環(huán)境下處于高溫，翹曲的發(fā)生也較少，且能夠長期維持可靠性。

另外，本發(fā)明并不限定于上述實施方式，在不脫離本發(fā)明的精神的范圍內(nèi)可進行各種變更。例如，在上述各實施方式中，使用了平板狀的散熱片，但對金屬層所接合的平板部，可使用設(shè)置有多個針狀翅片或帶狀翅片形狀的散熱片。此時，平板部的厚度設(shè)為散熱片的厚度t2。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

能夠?qū)崿F(xiàn)不僅與散熱片接合后的初始翹曲較少，而且在半導體元件的安裝工序時及使用環(huán)境下翹曲也較少的帶散熱片的功率模塊用基板單元及功率模塊。

符號說明

10 功率模塊用基板單元

11 陶瓷基板

11S 小陶瓷基板

12 電路層

12S 小電路層

13 金屬層

13S 小金屬層

13a 金屬層鋁板