自帶散熱器的功率模塊用基板及自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的自帶散熱器的功率模塊用基板具備：功率模塊用基板，在絕緣層的一面配設(shè)有電路層；及散熱器，被接合在該功率模塊用基板的另一面?zhèn)?，其中所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面分別由鋁或鋁合金構(gòu)成，在所述散熱器與所述功率模塊用基板的接合界面形成有接合層(50)，該接合層(50)通過包含Mg的含Mg化合物(52)分散在Al-Si共晶組織中而成，其中，該含Mg化合物不包含MgO，接合層(50)的厚度t被設(shè)在5μm以上80μm以下的范圍內(nèi)。
【專利說明】自帶散熱器的功率模塊用基板及自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種散熱器的接合面及功率模塊用基板的接合面分別由鋁或鋁合金構(gòu)成的自帶散熱器的功率模塊用基板、及自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法。
[0002]本申請基于2012年3月30日在日本申請的專利申請2012-083247號主張優(yōu)先權(quán)，將其內(nèi)容援用于此。

【背景技術(shù)】
[0003]作為上述自帶散熱器的功率模塊用基板，例如提出專利文獻(xiàn)I?3中公開的基板。
[0004]專利文獻(xiàn)1、2中記載的自帶散熱器的功率模塊用基板中，功率模塊用基板與由鋁構(gòu)成的散熱器通過使用Al-Si系釬料的釬焊來接合，所述功率模塊用基板通過在由AlN (氮化鋁)構(gòu)成的陶瓷基板的兩面接合Al(鋁)的金屬板(電路層及金屬層)而成。
[0005]并且，在專利文獻(xiàn)3中示出的半導(dǎo)體模塊的冷卻裝置中，還提出在由陶瓷材構(gòu)成的絕緣基板的兩面接合有Al (鋁)的金屬板(上部電極及下部電極)，半導(dǎo)體元件接合于上部電極的半導(dǎo)體模塊與由鋁構(gòu)成的冷卻器的頂板通過使用焊劑的釬焊來接合。
[0006]使用該焊劑的釬焊主要為使鋁部件彼此接合的技術(shù)，例如將Al-Si系釬料箔及焊劑配置在鋁部件彼此之間，通過焊劑去除在鋁部件的表面上形成的氧化膜，并且促進(jìn)釬料的熔融而進(jìn)行接合。
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本專利公開2010-093225號公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本專利公開2009-135392號公報(bào)
[0009]專利文獻(xiàn)3:日本專利公開2009-105166號公報(bào)
[0010]在此，鋁部件中，由于在其表面上形成鋁的氧化被膜，因此若單純進(jìn)行釬焊，無法良好地接合。
[0011]因此，專利文獻(xiàn)1、2中，通過使用真空爐來在真空氣氛中進(jìn)行釬焊，由此抑制鋁的氧化被膜的影響，而使鋁部件彼此接合。
[0012]然而，當(dāng)進(jìn)行釬焊時(shí)的真空度低的情況下，無法充分地抑制氧化被膜的影響而有可能使接合可靠性變差。若欲提高真空度，則存在需要大量的時(shí)間和勞力，而無法有效地進(jìn)行釬焊，并且成本大幅增加之類的問題。
[0013]另一方面，專利文獻(xiàn)3中，由于通過焊劑來去除鋁的氧化被膜來使鋁部件彼此接合，因此無需在真空氣氛中進(jìn)行釬焊，而能夠在氮?dú)獾确茄趸瘹夥罩幸猿簵l件進(jìn)行釬焊。
[0014]然而，因使用焊劑而存在釬焊作業(yè)變得復(fù)雜的問題。并且，如上所述，在接合功率模塊用基板和散熱器時(shí)使用焊劑的情況下，焊劑成分的一部分會(huì)揮發(fā)而侵入功率模塊用基板的陶瓷基板與金屬板的接合界面等，有可能使陶瓷基板與金屬板之間的接合可靠性下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種無需使用焊劑而在常壓條件下進(jìn)行牢固地釬焊而成的自帶散熱器的功率模塊用基板、及自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法。
[0016]為了解決以上課題并達(dá)到所述目的，本發(fā)明的自帶散熱器的功率模塊用基板，具備:功率模塊用基板，在絕緣層的一面配設(shè)有電路層；及散熱器，被接合在該功率模塊用基板的另一面?zhèn)?，其中，所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面分別由鋁或鋁合金構(gòu)成，在所述散熱器與所述功率模塊用基板的接合界面形成有接合層，該接合層通過包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中而成，所述接合層的厚度被設(shè)在5μπι以上80 μ m以下的范圍內(nèi)。
[0017]根據(jù)該結(jié)構(gòu)的自帶散熱器的功率模塊用基板，通過形成有包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中而成的接合層，所述接合層的厚度被設(shè)在5 μ m以上80 μ m以下的范圍內(nèi)，因此散熱器和功率模塊用基板被牢固地接合。即，由于分散在Al-Si共晶組織中的含Mg化合物通過鋁的氧化物與Mg進(jìn)行反應(yīng)而生成，因此可去除在散熱器的接合面及功率模塊用基板的接合面形成的鋁的氧化被膜，從而散熱器與功率模塊用基板被牢固地接合。
[0018]在包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中的接合層厚度小于5 μ m時(shí)，無法充分去除在散熱器的接合面及功率模塊用基板的接合面形成的鋁的氧化被膜，從而有可能無法牢固地接合散熱器和功率模塊用基板。另一方面，若所述接合層的厚度大于80 μ m時(shí)，有可能在接合層內(nèi)部發(fā)生龜裂等。
[0019]因此，將包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中的接合層的厚度規(guī)定在5μπι以上80μπι以下的范圍內(nèi)。
[0020]在此，所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面中的至少一面由含有Mg的含Mg鋁合金構(gòu)成，也可以在由所述含Mg鋁合金構(gòu)成的接合面的界面附近，形成有含Mg化合物的存在比率減少的Mg減少區(qū)域。
[0021]此時(shí)，在所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面中的至少一面中所含有的Mg的一部分在接合界面發(fā)揮作用，與在所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面形成的鋁的氧化被膜進(jìn)行反應(yīng)而成為含Mg化合物，并形成包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中的接合層。而且，在由所述含Mg鋁合金構(gòu)成的接合面的界面附近形成有含Mg化合物的存在比率減少的Mg減少區(qū)域，因此在該Mg減少區(qū)域中，變形阻力下降，而作為應(yīng)力松弛層發(fā)揮作用。
[0022]并且，所述接合層中的MgO的含量優(yōu)選設(shè)為20面積％以下。
[0023]由于進(jìn)行冷熱循環(huán)荷載時(shí)MgO成為發(fā)生龜裂的起始點(diǎn)，因此不優(yōu)選。而且，MgO本身較大生長，會(huì)阻礙釬焊。因此，所述接合層中的MgO的含量優(yōu)選抑制在20面積％以下。
[0024]另外，分散在所述接合層的含Mg化合物優(yōu)選包含MgSi系化合物或MgAlO系化合物。
[0025]MgSi系化合物及MgAlO系化合物通過Mg與鋁的氧化物進(jìn)行反應(yīng)而生成，由于分散成微細(xì)的顆粒狀，因此能夠可靠地去除在所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面形成的鋁的氧化被膜，從而散熱器與功率模塊用基板被牢固地接合，提供接合可靠性優(yōu)異的自帶散熱器的功率模塊用基板。
[0026]本發(fā)明的自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法中，該自帶散熱器的功率模塊用基板具備:功率模塊用基板，在絕緣層的一面配設(shè)有電路層；及散熱器，被接合在該功率模塊用基板的另一面?zhèn)龋渲?，所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面分別由鋁或鋁合金構(gòu)成，在所述散熱器與所述功率模塊用基板的接合界面夾有Al-Si系釬料和Mg，層疊所述散熱器和所述功率模塊用基板，在向?qū)盈B方向?qū)λ錾崞骱退龉β誓K用基板進(jìn)行加壓的狀態(tài)下，在非氧化氣氛中以常壓實(shí)施釬焊，在所述散熱器和所述功率模塊用基板的接合界面之間形成接合層，該接合層通過包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中而成，所述接合層的厚度被設(shè)在5 μ m以上80 μ m以下的范圍內(nèi)。
[0027]根據(jù)被設(shè)為這種構(gòu)成的本發(fā)明的自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法，在所述散熱器與所述功率模塊用基板的接合界面夾有Al-Si系釬料和Mg，因此無需使用焊劑而在常壓條件下進(jìn)行釬焊，也能夠去除在所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面上形成的氧化被膜，并能夠可靠地接合所述散熱器與所述功率模塊用基板。
[0028]并且，由于層疊所述散熱器和所述功率模塊用基板，并在向?qū)盈B方向加壓的狀態(tài)下實(shí)施釬焊，因此能夠使所述散熱器與所述功率模塊用基板進(jìn)行面接觸，并能夠抑制存在于接合界面的Mg揮發(fā)而逸散在氣氛中，能夠形成包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中而成的接合層。另外，在氣氛中揮發(fā)的Mg有可能與氧反應(yīng)而成為MgO而阻礙接合，因此需要抑制Mg的揮發(fā)。
[0029]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種無需使用焊劑而在常壓條件下進(jìn)行牢固地釬焊而成的自帶散熱器的功率模塊用基板及自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板的示意說明圖。
[0031]圖2是圖1中的金屬層與散熱器的接合部的放大說明圖。
[0032]圖3是表示圖1的自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。
[0033]圖4是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板的示意說明圖。
[0034]圖5是圖4中的金屬層與散熱器的接合部的放大說明圖。
[0035]圖6是表示圖4的自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036]以下，參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板進(jìn)行說明。
[0037]圖1中，示出了使用本發(fā)明的第I實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板的功率模塊。
[0038]該功率模塊I具備自帶散熱器的功率模塊用基板40、及經(jīng)由焊料層2在該自帶散熱器的功率模塊用基板40的一側(cè)(圖1中為上側(cè))的面接合的半導(dǎo)體元件(電子部件)3。
[0039]在此，焊料層2例如被設(shè)為Sn-Ag系、Sn-1n系或Sn-Ag-Cu系的焊料材。
[0040]自帶散熱器的功率模塊用基板40具備功率模塊用基板10、及冷卻功率模塊用基板10的散熱器41。
[0041]功率模塊用基板10具備絕緣基板11、配設(shè)在該絕緣基板11的一面的(圖1中為上表面)的電路層12、及配設(shè)在絕緣基板11的另一面(圖1中為下表面)的金屬層13。
[0042]絕緣基板11為防止電路層12與金屬層13之間的電連接的基板，且例如由A1N(氮化鋁)、Si3N4(氮化硅)、A1203(氧化鋁)等絕緣性較高的陶瓷構(gòu)成，本實(shí)施方式中由Al2O3 (氧化鋁)構(gòu)成。并且，絕緣基板11的厚度被設(shè)定在0.2mm以上1.5mm以下的范圍內(nèi)，本實(shí)施方式中被設(shè)定為0.635mm。
[0043]電路層12通過由銅或銅合金構(gòu)成的銅板在絕緣基板11的一面接合來形成。本實(shí)施方式中，作為構(gòu)成電路層12的銅板，使用韌銅的軋制板。在該電路層12形成有電路圖案，其另一面(圖1中為上表面)被設(shè)為搭載半導(dǎo)體元件3的搭載面。
[0044]金屬層13通過由鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁板23在絕緣基板11的另一面接合而形成。本實(shí)施方式中，作為構(gòu)成金屬層13的鋁板，使用純度為99.99%以上的鋁(所謂的4N鋁)的軋制板。
[0045]本實(shí)施方式中的散熱器41具備與功率模塊用基板10接合的頂板部42、及層疊配置在該頂板部42的冷卻部件43。在冷卻部件43的內(nèi)部形成有使冷卻介質(zhì)流通的通道44。
[0046]在此，頂板部42與冷卻部件43被設(shè)為通過固定螺釘45來連結(jié)的結(jié)構(gòu)。因此，頂板部42需要確保剛性，以便即使擰入固定螺釘45也不會(huì)輕松地變形。因此，本實(shí)施方式中散熱器41的頂板部42由0.2%屈服強(qiáng)度為100N/mm2以上的金屬材料構(gòu)成，并將其厚度設(shè)為2mm以上。
[0047]具體而言，與功率模塊用基板10接合的頂板部42由含有Mg的含Mg鋁合金構(gòu)成，本實(shí)施方式中，頂板部42由A6063合金(Mg為0.45質(zhì)量％以上0.9質(zhì)量％以下的鋁合金)構(gòu)成。在含有Mg的含Mg鋁合金中，Mg含量優(yōu)選0.2質(zhì)量％以上2.5質(zhì)量％以下，更優(yōu)選0.5質(zhì)量％以上1.5質(zhì)量％以下。
[0048]并且，如圖2所示，在由4N鋁構(gòu)成的金屬層13與由A6063合金構(gòu)成的頂板部42之間形成有接合層50。該接合層50被設(shè)為包含Mg的含Mg化合物52分散在由Al-Si共晶組織構(gòu)成的母相51的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。在此，接合層50的厚度t被設(shè)在5ym<t<80ym的范圍內(nèi)。
[0049]另外，通過實(shí)施截面觀察并進(jìn)行對位而使接合層50成為水平來測定接合層50的面積A,用接合層50的水平方向長度L除該面積A,由此計(jì)算接合層50的厚度t。
[0050]在該接合層50中，MgO的含量被設(shè)為20面積％以下，本實(shí)施方式中被設(shè)為10面積％以下。
[0051]并且，分散在接合層50的含Mg化合物52含有MgSi系化合物或MgAlO系化合物。作為MgSi系化合物，具體而言可以舉出Mg2Si等，作為MgAlO系化合物，具體而言可以舉出MgAl2O4 等。
[0052]在此，頂板部42由含有Mg的A6063合金構(gòu)成，因此包含Mg的含Mg化合物48分散在頂板部42中。而且，在頂板部42中的接合層50的附近部分形成有該含Mg化合物48的存在比率減少的Mg減少區(qū)域49。Mg減少區(qū)域49的Mg濃度優(yōu)選O?0.5質(zhì)量％，更優(yōu)選0.1?0.3質(zhì)量％。
[0053]接著參考圖3的流程圖對該自帶散熱器的功率模塊用基板40的制造方法進(jìn)行說明。
[0054]首先，接合作為電路層12的銅板與絕緣基板11 (電路層形成工序S01)。在此，絕緣基板11由Al2O3構(gòu)成，因此通過利用銅和氧的共晶反應(yīng)的DBC法來接合銅板與絕緣基板
11。具體而言，使由韌銅構(gòu)成的銅板與絕緣基板11接觸，在氮?dú)鈿夥罩幸?075°C加熱10分鐘，由此接合銅板與絕緣基板11。
[0055]接著，將作為金屬層13的鋁板接合于絕緣基板11的另一面?zhèn)?金屬層形成工序S02)。
[0056]通過濺射將添加元素(S1、Cu、Zn、Mg、Ge、Ca、Li中的任一種或兩種以上)固定在鋁板的與絕緣基板11的接合面而形成固定層。在此，固定層中的添加元素量被設(shè)定在0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下的范圍內(nèi)，本實(shí)施方式中，作為添加元素使用Cu,固定層中的Cu量被設(shè)定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下。
[0057]將該鋁板層疊在絕緣基板11的另一面?zhèn)?，在向?qū)盈B方向加壓(壓力I?35kgf/cm2)的狀態(tài)下，裝入真空加熱爐內(nèi)并進(jìn)行加熱。在此，本實(shí)施方式中，真空加熱爐內(nèi)的壓力被設(shè)定在10_3?10_6Pa的范圍內(nèi)，加熱溫度被設(shè)定在550°C以上650°C以下的范圍內(nèi)。于是，通過固定層的添加元素(Cu)擴(kuò)散到鋁板側(cè)，使鋁板的固定層附近的添加元素的濃度(Cu濃度)上升而熔點(diǎn)下降，從而在鋁板與絕緣基板11的界面形成熔融金屬區(qū)域。
[0058]接著，在形成熔融金屬區(qū)域的狀態(tài)下，將溫度保持一定。于是，熔融金屬區(qū)域中的Cu進(jìn)一步擴(kuò)散到鋁板側(cè)。由此，作為熔融金屬區(qū)域的部分的Cu濃度逐漸下降而熔點(diǎn)上升，在溫度保持一定的狀態(tài)下進(jìn)行凝固。由此，使絕緣基板11與鋁板接合。即，絕緣基板11與招板(金屬層13)通過所謂的擴(kuò)散接合(Transient Liquid Phase Diffus1n Bonding)來接合。而且，在進(jìn)行凝固之后，冷卻至常溫。
[0059]由此，制造出功率模塊用基板10。
[0060]接著，接合功率模塊用基板10的金屬層13與散熱器41的頂板部42 (散熱器接合工序S03) ο
[0061]首先，在功率模塊用基板10的金屬層13與頂板部42之間夾有Al-Si系釬料，層疊功率模塊用基板10和頂板部42 (層疊工序S31)。在此，本實(shí)施方式中，使用如下Al-Si系釬料箔:Si的含量為5.5質(zhì)量％以上11.0質(zhì)量％以下、Al的含量為89.0質(zhì)量％以上94.5質(zhì)量％以下(不含Mg)、厚度為5 μ m以上100 μ m以下。
[0062]在向?qū)盈B方向?qū)β誓K用基板10及頂板部42進(jìn)行加壓(0.0OlMPa?0.5MPa)的狀態(tài)下，裝入被設(shè)為非氧化氣氛的氣氛爐內(nèi)并進(jìn)行加熱(加熱工序S32)。在此，本實(shí)施方式中，將氣氛加熱爐內(nèi)設(shè)為氮?dú)鈿夥?，將氧分壓設(shè)為120ppm以下，將爐內(nèi)壓力設(shè)為常壓。并且，加熱溫度被設(shè)為590°C以上630°C以下。于是，在金屬層13與頂板部42的接合界面使釬料箔、金屬層13的一部分及頂板部42的一部分熔融，由此形成熔融金屬區(qū)域。
[0063]此時(shí)，分散在頂板部42的接合界面附近的含Mg化合物48中的Mg在接合界面發(fā)揮作用，在頂板部42的接合面及金屬層13的接合面形成的鋁的氧化被膜與Mg進(jìn)行反應(yīng)而被去除。
[0064]并且，通過使氣氛爐的爐內(nèi)溫度下降，使在金屬層13與頂板部42的接合界面形成的熔融金屬區(qū)域凝固，而接合金屬層13與頂板部42 (熔融金屬凝固工序S33)。此時(shí)，在金屬層13與頂板部42的接合界面形成有以Al-Si共晶組織為母相51的接合層50。并且，在該接合層50的內(nèi)部分散有鋁的氧化被膜與Mg進(jìn)行反應(yīng)而生成的含Mg化合物(本實(shí)施方式中為MgAlO系化合物)。
[0065]另外，通過分散在頂板部42的接合界面附近的含Mg化合物48作用于接合界面，在頂板部42的接合界面附近形成有含Mg化合物的存在比率減少的Mg減少區(qū)域49。
[0066]由此，制造出本實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板40。
[0067]根據(jù)本實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板40，在由4N鋁構(gòu)成的金屬層13與由A6063合金構(gòu)成的頂板部42的接合界面，形成有以Al-Si共晶組織為母相51且含Mg化合物52分散在該母相51內(nèi)的結(jié)構(gòu)的接合層50，該接合層50的厚度被設(shè)在5μπι以上80 μ m以下的范圍內(nèi)，因此能夠去除在金屬層13的接合面與頂板部42的接合面形成的鋁的氧化被膜，從而牢固地接合金屬層13與頂板部42。因此，能夠構(gòu)成功率模塊用基板10與散熱器41的接合可靠性優(yōu)異的自帶散熱器的功率模塊用基板40。
[0068]并且，接合層50中的MgO的含量被設(shè)為20面積％以下，因此進(jìn)行冷熱循環(huán)荷載時(shí)，接合層50中的龜裂的發(fā)生得到抑制，并且能夠良好地進(jìn)行釬焊，功率模塊用基板10與散熱器41的接合可靠性會(huì)大幅提高。尤其，在本實(shí)施方式中，將接合層50中的MgO含量設(shè)為10面積％以下，因此能夠可靠地提高功率模塊用基板10與散熱器41的接合可靠性。
[0069]另外，分散在接合層50的母相51中的含Mg化合物52被設(shè)為MgSi系化合物、MgAlO系，因此能夠在接合層50內(nèi)以微細(xì)的顆粒狀分散，可靠地且牢固地接合功率模塊用基板10與散熱器41。
[0070]并且，頂板部42由含有Mg的A6063合金構(gòu)成，在頂板部42中的接合層50的附近部分形成有含Mg化合物48的存在比率減少的Mg減少區(qū)域49，因此該Mg減少區(qū)域49的變形阻力下降，從而作為應(yīng)力松弛層發(fā)揮作用。因此，能夠通過該Mg減少區(qū)域49的變形來使由散熱器41與絕緣基板11的熱膨脹系數(shù)之差引起的熱應(yīng)力松弛，能夠防止絕緣基板11的破裂。
[0071]并且，根據(jù)本實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板40的制造方法，在氮?dú)鈿夥?、氧分壓?20ppm以下、常壓條件下，使功率模塊用基板10與散熱器41接合，因此能夠有效地且低成本制造出接合可靠性優(yōu)異的自帶散熱器的功率模塊用基板40。
[0072]另外，由于未使用焊劑，當(dāng)接合功率模塊用基板10與散熱器41時(shí)，對電路層12與絕緣基板11的接合界面及絕緣基板11與金屬層13的接合界面的影響較小，能夠防止電路層12與絕緣基板11及絕緣基板11與金屬層13的接合可靠性的劣化。
[0073]并且，向?qū)盈B方向?qū)β誓K用基板10及頂板部42進(jìn)行加壓(0.0OlMPa?0.5MPa)的狀態(tài)下，通過裝入被設(shè)為非氧化氣氛的氣氛爐內(nèi)并進(jìn)行加熱來進(jìn)行釬焊，因此能夠使功率模塊用基板10與頂板部42進(jìn)行面接觸，從而能夠抑制存在于接合界面的Mg揮發(fā)而逸散在氣氛中，能夠形成包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中的接合層50。
[0074]以下，對本發(fā)明的第2實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板進(jìn)行說明。圖4中示出使用本發(fā)明的第2實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板的功率模塊。
[0075]該功率模塊101具備自帶散熱器的功率模塊用基板140、及經(jīng)由焊料層2在該自帶散熱器的功率模塊用基板140的一側(cè)(圖4中為上側(cè))的面接合的半導(dǎo)體元件(電子部件)3。
[0076]在此，焊料層2例如被設(shè)為Sn-Ag系、Sn-1n系或Sn-Ag-Cu系的焊料材。
[0077]自帶散熱器的功率模塊用基板140具備功率模塊用基板110、及對功率模塊用基板110進(jìn)行冷卻的散熱器141。
[0078]功率模塊用基板110具備絕緣基板111、配設(shè)在該絕緣基板111的一面(圖4中為上表面)的電路層112、及配設(shè)在絕緣基板111的另一面(圖4中為下表面)的金屬層113。
[0079]絕緣基板111為防止電路層112與金屬層113之間的電連接的基板，且例如由AlN(氮化鋁)、Si3N4(氮化硅)、A1203(氧化鋁)等絕緣性較高的陶瓷構(gòu)成，本實(shí)施方式中由絕緣性較高的AlN (氮化鋁)構(gòu)成。并且，絕緣基板111的厚度被設(shè)定在0.2mm以上1.5mm以下的范圍內(nèi)，本實(shí)施方式中被設(shè)定為0.635mm。
[0080]電路層112通過由鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁板在絕緣基板111的一面接合來形成。本實(shí)施方式中，作為構(gòu)成電路層112的鋁板，使用純度為99.99%以上的鋁(所謂的4N鋁)的軋制板。在該電路層112形成有電路圖案，其另一面(圖4中為上表面)被設(shè)為搭載半導(dǎo)體元件3的搭載面。
[0081]金屬層113通過由鋁或鋁合金構(gòu)成的鋁板在絕緣基板111的另一面接合而形成。本實(shí)施方式中，作為構(gòu)成金屬層113的鋁板，使用純度為99.99%以上的鋁(所謂的4N鋁)的軋制板。
[0082]本實(shí)施方式中的散熱器141具備與功率模塊用基板110接合的頂板部142、及使冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)流通的通道144。
[0083]在此，散熱器141 (頂板部142)優(yōu)選由導(dǎo)熱性良好的材質(zhì)構(gòu)成，并且需要確保作為結(jié)構(gòu)材的剛性。因此，本實(shí)施方式中，散熱器141的頂板部142由A3003(鋁合金)構(gòu)成。
[0084]并且，如圖5所示，在由4N鋁構(gòu)成的金屬層113與由A3003合金構(gòu)成的頂板部142之間形成有接合層150。該接合層150被設(shè)為包含Mg的含Mg化合物152分散在由Al-Si共晶組織構(gòu)成的母相151的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。在此，接合層150的厚度t被設(shè)為5ym<t<80ym的范圍內(nèi)。
[0085]另外，通過實(shí)施截面觀察并進(jìn)行對位而使接合層150成為水平來測定接合層150的面積A，用接合層150的水平方向長度L除該面積A，由此計(jì)算接合層150的厚度t。
[0086]在該接合層150中，MgO的含量被設(shè)為20面積％以下，本實(shí)施方式中被設(shè)為10面積％以下。
[0087]并且，分散在接合層150的含Mg化合物152含有MgSi系化合物或MgAlO系化合物。作為MgSi系化合物,具體而言可以舉出Mg2Si等,作為MgAlO系化合物,具體而言可以舉出MgAl2O4等。
[0088]接著，參考圖6的流程圖對該自帶散熱器的功率模塊用基板140的制造方法進(jìn)行說明。
[0089]首先，接合作為電路層112的鋁板與絕緣基板111 (電路層形成工序S101)。并且接合作為金屬層113的鋁板與絕緣基板111 (金屬層形成工序S102)。本實(shí)施方式中，同時(shí)實(shí)施這些電路形成工序SlOl及金屬層形成工序S102。
[0090]通過網(wǎng)版印刷向絕緣基板111的一面及另一面涂布包含添加元素(S1、Cu、Zn、Mg、Ge、Ca、Li中的任一種或兩種以上)的糊膏并使其干燥，由此形成固定層。
[0091]在此，本實(shí)施方式中，作為添加元素使用Ag。所使用的Ag糊膏含有Ag粉末、樹脂、溶劑及分散劑，Ag粉末的含量被設(shè)為總Ag糊骨的60質(zhì)量％以上90質(zhì)量％以下,剩余部分為樹脂、溶劑及分散劑。另外，本實(shí)施方式中，Ag粉末的含量被設(shè)為總Ag糊膏的85質(zhì)量％。
[0092]接著，層疊作為電路層112的鋁板、絕緣基板111及作為金屬層113的鋁板，在向?qū)盈B方向加壓(壓力I?35kgf/cm2)的狀態(tài)下，裝入真空加熱爐內(nèi)并進(jìn)行加熱。在此，本實(shí)施方式中，真空加熱爐內(nèi)的壓力被設(shè)定在10_3?10_6Pa的范圍內(nèi)，加熱溫度被設(shè)定在550°C以上650°C以下的范圍內(nèi)。于是，通過固定層的添加元素(Ag)擴(kuò)散到鋁板側(cè)，由此鋁板的固定層附近的添加元素的濃度(Ag濃度)上升而熔點(diǎn)下降，從而在鋁板與絕緣基板111的界面分別形成熔融金屬區(qū)域。
[0093]接著，在形成熔融金屬區(qū)域的狀態(tài)下，溫度保持一定。于是，熔融金屬區(qū)域中的Ag進(jìn)一步擴(kuò)散到鋁板側(cè)。由此，作為熔融金屬區(qū)域的部分的Ag濃度逐漸下降而熔點(diǎn)上升，在溫度保持一定的狀態(tài)下進(jìn)行凝固。由此，使絕緣基板111與鋁板接合。即，電路層112與絕緣基板111、及絕緣基板111與金屬層113通過所謂的擴(kuò)散接合(Transient Liquid PhaseDiffus1n Bonding)來接合。而且，在進(jìn)行凝固之后，冷卻至常溫。
[0094]由此，制造出功率模塊用基板110。
[0095]接著，接合功率模塊用基板110的金屬層113與散熱器141 (散熱器接合工序S103)。
[0096]首先，在功率模塊用基板110的金屬層113與散熱器141之間夾有Al-Si系釬料，層疊功率模塊用基板110與散熱器141 (層疊工序S131)。在此，本實(shí)施方式中，使用如下Al-Si系釬料箔:Si的含量為5.5質(zhì)量％以上11.0質(zhì)量％以下、Al的含量為86.5質(zhì)量％以上94.4質(zhì)量％以下、厚度為5μπι以上100 μ m以下。并且，在該釬料箔中以0.1質(zhì)量％以上2.5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)含有Mg。
[0097]在向?qū)盈B方向?qū)β誓K用基板110及散熱器141進(jìn)行加壓(0.0OlMPa?0.5MPa)的狀態(tài)下，裝入被設(shè)為非氧化氣氛的氣氛爐內(nèi)并進(jìn)行加熱(加熱工序S132)。在此，本實(shí)施方式中，將氣氛加熱爐內(nèi)設(shè)為氮?dú)鈿夥?，將氧分壓設(shè)為120ppm以下。并且,將爐內(nèi)壓力設(shè)為常壓。并且，加熱溫度被設(shè)為590°C以上630°C以下。于是，在金屬層113與散熱器141的接合界面使釬料箔、金屬層113的一部分及散熱器141的一部分熔融，由此形成熔融金屬區(qū)域。
[0098]此時(shí)，在散熱器141的接合面及金屬層13的接合面形成的鋁的氧化被膜通過與釬料箔所含有的Mg進(jìn)行反應(yīng)而被去除。
[0099]并且，通過使氣氛爐的爐內(nèi)溫度下降，使在金屬層113與散熱器141的接合界面形成的熔融金屬區(qū)域凝固，從而接合金屬層113與散熱器141 (凝固工序S133)。此時(shí)，在金屬層113與散熱器141的接合界面形成有以Al-Si共晶組織為母相151的接合層150。并且，在該接合層150的內(nèi)部分散有鋁的氧化被膜與Mg進(jìn)行反應(yīng)而生成的含Mg化合物152 (本實(shí)施方式中為MgAlO系化合物)。
[0100]由此，制造出本實(shí)施方式的自帶散熱器的功率模塊用基板140。
[0101]根據(jù)利用本實(shí)施方式的鋁部件的接合結(jié)構(gòu)的自帶散熱器的功率模塊用基板140，在由4N鋁構(gòu)成的金屬層113與由A3003合金構(gòu)成的散熱器141的接合界面，形成有以Al-Si共晶組織為母相151且含Mg化合物152分散在該母相151內(nèi)的結(jié)構(gòu)的接合層150，該接合層150的厚度被設(shè)在5 μ m以上80 μ m以下的范圍內(nèi)，因此能夠去除在金屬層113的接合面及散熱器141的接合面形成的鋁的氧化被膜，從而牢固地接合金屬層113與散熱器141。因此，能夠構(gòu)成功率模塊用基板110與散熱器141的接合可靠性優(yōu)異的自帶散熱器的功率模塊用基板140。
[0102]并且，由于在釬料箔內(nèi)含有Mg，因此能夠經(jīng)由接合層150接合由不含有Mg的鋁或鋁合金構(gòu)成的金屬層113 (4N鋁)與散熱器141 (A3003合金)，所述接合層150具有以Al-Si共晶組織為母相151且含Mg化合物152分散在該母相151內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
[0103]并且，在向?qū)盈B方向?qū)β誓K用基板110與散熱器141進(jìn)行加壓(0.0OlMPa?
0.5MPa)的狀態(tài)下，裝入氧分壓為120ppm以下的非氧化氣氛的氣氛爐內(nèi)并進(jìn)行加熱來進(jìn)行釬焊，因此能夠使功率模塊用基板110與散熱器141進(jìn)行面接觸，抑制存在于接合界面的Mg揮發(fā)而逸散于氣氛中，能夠形成包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶組織中的接合層150。
[0104]以上，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限定于此，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)能夠進(jìn)行適當(dāng)變更。
[0105]例如，散熱器的結(jié)構(gòu)及功率模塊用基板的結(jié)構(gòu)并未特別限定，只要是接合鋁部件彼此的結(jié)構(gòu)，則也可為其他結(jié)構(gòu)的散熱器及功率模塊用基板。
[0106]并且，本實(shí)施方式中，對于構(gòu)成金屬層的鋁板作為純度99.99%的純鋁的軋制板進(jìn)行了說明，但并不限定于此，也可為純度99%的鋁(2N鋁)。
[0107]另外，對使用由A1203、AlN構(gòu)成的陶瓷板作為絕緣層的部件進(jìn)行了說明，但并不限定于此，可以使用由Si3N4構(gòu)成的陶瓷板，也可以通過絕緣樹脂構(gòu)成絕緣層。
[0108]實(shí)施例
[0109]以下，對為了確認(rèn)本發(fā)明的效果而進(jìn)行的確認(rèn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行說明。
[0110]如表I所示，接合絕緣基板、作為電路層的鋁板、及作為金屬層的鋁板，制作功率模塊用基板。
[0111]作為電路層的鋁板與絕緣基板、及絕緣基板與作為金屬層的鋁板的接合是在以下條件下實(shí)施。經(jīng)由Al-?ο質(zhì)量％ Si的釬料箔層疊作為電路層的鋁板、絕緣基板、及作為金屬層的鋁板，且向?qū)盈B方向以5kgf/cm2進(jìn)行加壓的狀態(tài)下，裝入真空加熱爐內(nèi)，以650°C加熱30分鐘來使它們接合。
[0112]用于表I中的金屬層的Al 100為Al純度99 %以上的鋁，A1050為Al純度99.50 %以上的鋁。
[0113]

【權(quán)利要求】
1.一種自帶散熱器的功率模塊用基板，其特征在于，具備: 功率模塊用基板，在絕緣層的一面配設(shè)有電路層；及 散熱器，被接合在所述功率模塊用基板的另一面?zhèn)龋? 所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面分別由鋁或鋁合金構(gòu)成， 在所述散熱器與所述功率模塊用基板的接合界面形成有接合層，該接合層通過包含Mg的含Mg化合物分散在Al-Si共晶組織中而成，其中，該含Mg化合物不包含MgO， 所述接合層的厚度被設(shè)在5μπι以上80μπι以下的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自帶散熱器的功率模塊用基板，其中， 所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面中的至少一面由含有Mg的含Mg招合金構(gòu)成， 在由所述含Mg鋁合金構(gòu)成的接合面的接合界面附近，形成有含Mg化合物的存在比率減少的Mg減少區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自帶散熱器的功率模塊用基板，其中， 所述接合層中的MgO的含量被設(shè)為20面積％以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的自帶散熱器的功率模塊用基板，其中， 分散在所述接合層的含Mg化合物包含MgSi系化合物或MgAlO系化合物。
5.一種自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法，該自帶散熱器的功率模塊用基板具備:功率模塊用基板，在絕緣層的一面配設(shè)有電路層；及散熱器，被接合在該功率模塊用基板的另一面?zhèn)?，所述自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法的特征在于， 所述散熱器的接合面及所述功率模塊用基板的接合面分別由鋁或鋁合金構(gòu)成， 在所述散熱器與所述功率模塊用基板的接合界面夾有Al-Si系釬料和Mg，層疊所述散熱器和所述功率模塊用基板， 向?qū)盈B方向?qū)λ錾崞骱退龉β誓K用基板進(jìn)行加壓的狀態(tài)下，在非氧化氣氛中以常壓實(shí)施釬焊， 在所述散熱器和所述功率模塊用基板的接合界面形成接合層，該接合層通過包含Mg的含Mg化合物分散在Al-Si共晶組織中而成，其中，該含Mg化合物不包含MgO，所述接合層的厚度被設(shè)在5 μ m以上80 μ m以下的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自帶散熱器的功率模塊用基板的制造方法，其中， 當(dāng)進(jìn)行所述釬焊時(shí)，在0.0OlMPa以上0.5MPa以下的條件下，向?qū)盈B方向?qū)λ錾崞骱退龉β誓K用基板進(jìn)行加壓。
【文檔編號】H01L23/36GK104205324SQ201380016243
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】長友義幸, 石塚博彌, 長瀨敏之, 黑光祥郎, 江戶正和, 三宅秀幸 申請人:三菱綜合材料株式會(huì)社