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單元及功率模塊。

本申請主張基于2014年7月4日申請的日本專利申請2014-138716號及2015年6月30日申請的日本專利申請2015-130972號的優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容援用于此。

背景技術(shù)：

功率模塊中使用一種在以氮化鋁為首的陶瓷基板的一側(cè)面接合有形成電路層的金屬板，并且在另一側(cè)面接合有散熱板的功率模塊用基板。該功率模塊用基板的電路層上經(jīng)由焊材搭載有功率元件等半導(dǎo)體元件。

隨著半導(dǎo)體元件的高輸出功率密度化而推進(jìn)小型化，越來越要求模塊的集成化。作為一般的功率模塊的集成化，已知有在絕緣基板上排列附加多個電路層的方法。然而，存在若在絕緣基板設(shè)置多個電路層則因制造工序中或使用時的溫度變化而發(fā)生翹曲之類的課題。若在功率模塊用基板上發(fā)生翹曲，則在半導(dǎo)體元件的安裝工序中發(fā)生安裝不良而降低功率模塊的成品率，或在實(shí)際使用時散熱性能受阻，因此需要制造出翹曲較少的功率模塊用基板。

專利文獻(xiàn)1中公開有設(shè)置多個絕緣基板(在陶瓷基板上形成配線層而成的配線陶瓷基板)，并利用接合部件(引線框架)將這些多個絕緣基板接合，利用封裝樹脂將各絕緣基板及功率半導(dǎo)體元件成型的功率模塊。并且，該專利文獻(xiàn)1中記載通過使用多個絕緣基板的結(jié)構(gòu)，能夠防止陶瓷基板的龜裂和封裝樹脂的剝離。

專利文獻(xiàn)2中公開有不像專利文獻(xiàn)1中記載的功率模塊那樣使用引線框架而是通過定位部件直接支承，從而對多個絕緣基板(電路基板)進(jìn)行定位的功率模塊。

專利文獻(xiàn)1：日本專利公開2007-27261號公報

專利文獻(xiàn)2：日本專利公開2013-157578號公報

但是，專利文獻(xiàn)1中記載的方法中，即使能夠通過防止陶瓷基板的龜裂和封裝樹脂的剝離來維持良好的散熱性，也要使剛性不太高的配線部件(引線框架)承擔(dān)定位功能，因此很難獲得各絕緣基板的位置精度，且很難實(shí)現(xiàn)更高的集成化。

并且，如專利文獻(xiàn)2中所述，在直接支承絕緣基板的方法中，因?yàn)槟＞叩木窒扌缘?，也不容易對多個絕緣基板進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

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由溫度變化引起的形狀變化較少、散熱性優(yōu)異且能夠?qū)崿F(xiàn)電路的集成化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，其具有：陶瓷基板層；電路層，由接合在該陶瓷基板層的一側(cè)面的多個小電路層構(gòu)成；金屬層，接合在所述陶瓷基板層的另一側(cè)面；及一片散熱板，接合在所述金屬層，各所述小電路層為具有接合在所述陶瓷基板層的所述一側(cè)面的第1鋁層和固相擴(kuò)散接合在該第1鋁層的第1銅層的層疊結(jié)構(gòu)，所述金屬層由與所述第1鋁層相同的材料形成，所述散熱板由銅或銅合金形成，固相擴(kuò)散接合于所述金屬層，將所述第1銅層的厚度設(shè)為t1(mm)，將所述第1銅層的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將所述第1銅層的屈服強(qiáng)度設(shè)為σ1(N/mm²)，將與所述金屬層接合的位置上的所述散熱板的厚度設(shè)為t2(mm)，將所述散熱板的接合面積設(shè)為A2(mm²)，將所述散熱板的屈服強(qiáng)度設(shè)為σ2(N/mm²)時，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為0.80以上且1.20以下。

將電路層(小電路層)設(shè)為第1鋁層與第1銅層的層疊結(jié)構(gòu)，對于該電路層在陶瓷基板層的相反側(cè)經(jīng)由通過與第1鋁層相同材料形成的金屬層配置由銅或銅合金形成的散熱板，且對于電路層的第1銅層與散熱板，將它們的厚度、接合面積及屈服強(qiáng)度的關(guān)系設(shè)定在上述范圍內(nèi)，從而能夠構(gòu)成以陶瓷基板層為中心的對稱結(jié)構(gòu)。即，通過在散熱板上排列配設(shè)多個小電路層等來將電路層圖案化的情況下，雖然與電路層的接合部分和接合有金屬層的散熱板的接合部分的形狀不同，但考慮它們的接合部分上的第1銅層與散熱板的對稱性，從而能夠提高以陶瓷基板層為中心的對稱性。

由此，能夠使在加熱時等作用于陶瓷基板層的兩面的應(yīng)力難以發(fā)生偏向，且難以發(fā)生翹曲。因此，不僅能夠抑制各層層疊時的初始翹曲，即使在半導(dǎo)體元件的安裝工序時和使用環(huán)境下也能夠抑制翹曲的發(fā)生，也作為絕緣基板也能夠提高可靠性，且能夠發(fā)揮良好的散熱性。并且，通過在一片散熱板上接合多個小電路層，能夠?qū)Χ鄠€小電路層進(jìn)行準(zhǔn)確地定位，且能夠?qū)崿F(xiàn)高集成化。

本發(fā)明的功率模塊用基板單元可以是如下結(jié)構(gòu)：所述陶瓷基板層由與所述小電路層的同等數(shù)量的小陶瓷基板構(gòu)成，所述金屬層由與所述小電路層同等數(shù)量的小金屬層構(gòu)成，經(jīng)由所述小陶瓷基板接合所述小電路層與所述小金屬層而成的多個功率模塊用基板隔著間隔接合在所述散熱板上。

本發(fā)明的功率模塊用基板單元可以是如下結(jié)構(gòu)：所述陶瓷基板層由與所述小電路層同等數(shù)量的小陶瓷基板構(gòu)成，所述金屬層由一片構(gòu)成，功率模塊用基板經(jīng)由所述金屬層而接合在所述散熱板上，所述功率模塊用基板通過接合所述小電路層與所述小陶瓷基板而得到的層疊基板隔著間隔接合在所述金屬層上而成。

本發(fā)明的功率模塊用基板單元可以是如下結(jié)構(gòu)：所述陶瓷基板層由一片構(gòu)成，所述金屬層由與所述小電路層同等數(shù)量的小金屬層構(gòu)成，功率模塊用基板經(jīng)由所述金屬層而接合在所述散熱板上，所述功率模塊用基板通過將所述小電路層與所述小金屬層經(jīng)由所述陶瓷基板層隔著間隔接合在該陶瓷基板層的表面方向上而成。

本發(fā)明的功率模塊用基板單元可以是如下結(jié)構(gòu)：所述陶瓷基板層由一片構(gòu)成，并且所述金屬層由一片構(gòu)成，功率模塊用基板經(jīng)由所述金屬層而接合在所述散熱板上，所述功率模塊用基板通過所述小電路層隔著間隔接合于所述陶瓷基板層的所述一側(cè)面，且在該陶瓷基板層的所述另一側(cè)面接合所述金屬層而成。

在上述各結(jié)構(gòu)中，將第1銅層與散熱板的關(guān)系設(shè)定為，使比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成為0.80以上且1.20以下，從而能夠構(gòu)成以陶瓷基板層為中心的對稱結(jié)構(gòu)，能夠使在加熱時等作用于陶瓷基板層的兩面的應(yīng)力難以發(fā)生偏向，且難以發(fā)生翹曲。

并且，在陶瓷基板層由熱膨脹系數(shù)比較小且剛性高的一片陶瓷基板構(gòu)成的情況下，由于能夠使加熱時等作用于陶瓷基板層的兩面的應(yīng)力難以發(fā)生偏向，因此能夠提高防止翹曲的發(fā)生的效果。

本發(fā)明的功率模塊用基板單元可以是如下結(jié)構(gòu)：所述第1鋁層與所述第1銅層經(jīng)由鈦層而固相擴(kuò)散接合。

本發(fā)明的功率模塊用基板單元可以是如下結(jié)構(gòu)：所述金屬層與所述散熱板經(jīng)由鈦層而固相擴(kuò)散接合。

本發(fā)明的功率模塊用基板單元可以是如下結(jié)構(gòu)：所述第1鋁層與所述第1銅層及所述金屬層與所述散熱板經(jīng)由鈦層而固相擴(kuò)散接合。

所述第1鋁層與所述第1銅層及所述金屬層與所述散熱板中任一個或雙方經(jīng)由鈦層而固相擴(kuò)散接合，因此功率模塊用基板單元變成高溫時，能夠抑制Al與Cu的金屬間化合物的生長，且能夠提高接合可靠性和壽命。

本發(fā)明的功率模塊具備：所述功率模塊用基板單元；接合在所述功率模塊用基板單元的至少一個所述小電路層的半導(dǎo)體元件及外部連接用引線框架；及封裝所述半導(dǎo)體元件和所述功率模塊用基板單元中除所述散熱板的表面以外的部分的樹脂模。

通過使用在一片散熱板接合多個小電路層的功率模塊用基板單元，從而能夠容易制造集成化的功率模塊。并且，功率模塊用基板單元通過一片散熱板而被一體化，因此即使在封裝時有樹脂壓力進(jìn)行作用也難以產(chǎn)生位置偏離和變形。

根據(jù)本發(fā)明，能夠抑制因半導(dǎo)體元件的安裝工序時和使用環(huán)境下的溫度變化引起的形狀變化，且能夠提高作為絕緣基板的可靠性和半導(dǎo)體元件的連接可靠性，并發(fā)揮良好的散熱性。并且，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行多個小電路層的定位，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高集成化。

附圖說明

圖1為表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的功率模塊的剖視圖。

圖2為表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的功率模塊用基板單元的制造工序的剖視圖。

圖3為表示在本發(fā)明的第1實(shí)施方式的功率模塊用基板單元的制造中使用的加壓裝置的例的主視圖。

圖4為圖1所示的第1實(shí)施方式的功率模塊用基板單元的立體圖。

圖5為說明第1銅層與散熱板的厚度的關(guān)系的第2實(shí)施方式的功率模塊用基板單元的剖視圖。

圖6為表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式的功率模塊用基板單元的剖視圖。

圖7為表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式的功率模塊用基板單元的剖視圖。

圖8為表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式的功率模塊用基板單元的剖視圖。

圖9為作為本發(fā)明的另一實(shí)施方式的功率模塊用基板單元的主視圖。

具體實(shí)施方式

以下，參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。

圖1所示的本實(shí)施方式的功率模塊100具備功率模塊用基板單元51，接合在該功率模塊用基板單元51的半導(dǎo)體元件60及外部連接用引線框架70，半導(dǎo)體元件60與功率模塊用基板單元51除了散熱板30的表面(裸露面30a)以外被樹脂模40來樹脂封裝。而且，該功率模塊100例如在將散熱板30的裸露面30a按壓在散熱片80的表面的狀態(tài)下被固定。

如圖1、圖2的2C及圖4所示，功率模塊用基板單元51在陶瓷基板層11的一側(cè)面接合有電路層12，并且在陶瓷基板層11的另一側(cè)面經(jīng)由金屬層13接合有一片散熱板30。電路層12由多個小電路層12S構(gòu)成，陶瓷基板層11由至少一片構(gòu)成，金屬層13由至少一片構(gòu)成。

圖1、圖2的2C及圖4所示的本實(shí)施方式的功率模塊用基板單元51中，陶瓷基板層11由與小電路層12S同等數(shù)量的小陶瓷基板11S構(gòu)成，金屬層13由與小電路層12S同等數(shù)量的小金屬層13S構(gòu)成。經(jīng)由小陶瓷基板11S接合小電路層12S與小金屬層13S的功率模塊用基板21隔著間隔接合在一片散熱板30上。這些功率模塊用基板21在小陶瓷基板11S的一側(cè)面通過釬焊小電路層12S而被接合，且在小陶瓷基板11S的另一側(cè)面通過釬焊小金屬層13S而被接合，從而形成。

構(gòu)成陶瓷基板層11的小陶瓷基板11S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。小陶瓷基板11S的厚度能夠設(shè)定在0.2～1.5mm的范圍內(nèi)。

構(gòu)成電路層12的各小電路層12S為具有接合于陶瓷基板層11(小陶瓷基板11S)的表面的第1鋁層15和接合于該第1鋁層15的第1銅層16的層疊結(jié)構(gòu)。

該第1鋁層15通過將由純鋁或鋁合金構(gòu)成的板材接合到陶瓷基板層11(小陶瓷基板11S)來形成。本實(shí)施方式中，第1鋁層15由純度99.99質(zhì)量％以上且按JIS規(guī)格為1N99(純度99.99質(zhì)量％以上：所謂4N鋁)的鋁板釬焊于小陶瓷基板11S而形成。第1銅層16通過將由純銅或銅合金構(gòu)成的板材接合到第1鋁層15而形成。本實(shí)施方式中，第1銅層16通過無氧銅的銅板在第1鋁層15固相擴(kuò)散接合而形成。第1鋁層15的厚度為0.1mm以上且3.0mm以下，第1銅層16的厚度為0.5mm以上且5.0mm以下。

構(gòu)成金屬層13的小金屬層13S由與電路層12(小電路層12S)的第1鋁層15相同材料形成。本實(shí)施方式中，小金屬層13S由與第1鋁層15相同的純度99.99質(zhì)量％以上且厚度形成為0.1mm以上且小于3.0mm的鋁板釬焊于小陶瓷基板11S而形成。小電路層12S與小金屬層13S形成為大致相同尺寸的平面形狀。

散熱板30通過由純銅或銅合金構(gòu)成的板材形成，各功率模塊用基板21的小金屬層13S被固相擴(kuò)散接合。本實(shí)施方式中，散熱板30由添加鋯的耐熱銅合金(三菱伸銅株式會社制的ZC合金：Cu99.98重量％-Zr0.02重量％)形成為厚度1.5mm的平板狀，且該平板狀如圖1及圖2的2C所示形成為大于包括小電路層12S的電路層12和包括小金屬層13S的金屬層13且大于電路層12與陶瓷基板層11的接合面的平面形狀。

該散熱板30與各小電路層12S的第1銅層16，在將第1銅層16的厚度設(shè)為t1(mm)，將第1銅層16相對于第1鋁層15的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將第1銅層16的屈服強(qiáng)度設(shè)為σ1(N/mm²)，將與金屬層13(小金屬層13S)接合的位置上的散熱板30的厚度設(shè)為t2(mm)，將散熱板30相對于金屬層13的接合面積設(shè)為A2(mm²)，將散熱板30的屈服強(qiáng)度設(shè)為σ2(N/mm²)時，被設(shè)定為如下關(guān)系：比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為0.80以上且1.20以下。

例如，在第1銅層16為厚度t1＝2.0mm的C1020(屈服強(qiáng)度σ1＝195N/mm²)，第1銅層16與第1鋁層15的接合面積A1為800mm²，散熱板30為厚度t2＝1.4mm的三菱伸銅株式會社制的耐熱合金ZC(屈服強(qiáng)度σ2＝280N/mm²)，金屬層13與散熱板30的接合面積A2為900mm²的組合的情況下，成為比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)＝0.88。另外，本發(fā)明中的屈服強(qiáng)度的值為室溫(25℃)時的值。并且，接合面積A1為各功率模塊用基板21中第1銅層16相對于第1鋁層15的接合面積的總和。同樣，接合面積A2也是各功率模塊用基板21中小金屬層13S相對于散熱板30的接合面積的總和。

在構(gòu)成該功率模塊用基板單元51的各功率模塊用基板21的小電路層12S的表面焊錫接合有半導(dǎo)體元件60，在該半導(dǎo)體元件60和小電路層12S連接有外部連接用引線框架70。半導(dǎo)體元件60與功率模塊用基板單元51除了散熱板30的表面(裸露面30a)之外被樹脂模40來樹脂封裝而被一體化。外部連接用引線框架70以其一部分向樹脂模40的外部突出的方式設(shè)置。

半導(dǎo)體元件60為具備半導(dǎo)體的電子零件，且根據(jù)所需功能，選擇IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、FWD(自振蕩二極管)等各種半導(dǎo)體元件。接合半導(dǎo)體元件60的焊材例如設(shè)為Sn-Sb類、Sn-Ag類、Sn-Cu類、Sn-In類或Sn-Ag-Cu類的焊材(所謂無鉛焊材)。

外部連接用引線框架70例如由銅或銅合金形成，通過超聲波接合或焊錫接合等連接。

樹脂模40例如能夠使用摻雜SiO₂填料的環(huán)氧類樹脂等，例如由傳送模形成。

如此構(gòu)成的功率模塊100如圖1所示在固定于散熱片80的狀態(tài)下使用。散熱片80用于發(fā)散功率模塊100的熱，本實(shí)施方式中，包括固定有功率模塊100的散熱板30的頂板部81和設(shè)置有用于使冷卻介質(zhì)(例如，冷卻水)流通的流路83的冷卻部82。例如脂膏(省略圖示)介于功率模塊100的散熱板30與散熱片80的頂板部81之間，通過彈簧等將這些功率模塊100與散熱片80按壓固定。

散熱片80優(yōu)選由導(dǎo)熱性良好的材料構(gòu)成，本實(shí)施方式中，由鋁合金(A6063合金)形成。作為固定功率模塊100的散熱片80，能夠采用平板狀散熱片、通過熱鍛造等一體形成為若干個針狀扇的散熱片、通過擠出成型一體形成為相互平行的帶狀扇的散熱片等適當(dāng)?shù)男螤睢Ａ硗?，關(guān)于由鋁或銅形成的散熱片，也能夠?qū)⒐β誓K焊錫接合而進(jìn)行固定。

接著，對制造如此構(gòu)成的功率模塊用基板單元51及功率模塊100的方法的一例進(jìn)行說明。

首先，如圖2的2A所示，在小陶瓷基板11S的一側(cè)面層疊小電路層12S中成為第1鋁層15的第1層鋁板15a，在另一側(cè)面層疊成為小金屬層13S的金屬層鋁板13a并將它們接合為一體。將這些接合時，使用Al-Si類等合金的釬料。例如，使用圖3所示的加壓裝置110沿層疊方向?qū)?jīng)由所述合金的釬料箔18層疊小陶瓷基板11S、第1層鋁板15a及金屬層鋁板13a的層疊體S進(jìn)行加壓。

該圖3所示的加壓裝置110具備底座板111、垂直安裝于底座板111的上表面的四個角落的導(dǎo)柱112、固定于這些導(dǎo)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于導(dǎo)柱112的按壓板114及設(shè)置于固定板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(jī)構(gòu)115。

固定板113及按壓板114相對于底座板111平行配置，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。

將用該加壓裝置110加壓的狀態(tài)的層疊體S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(jìn)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℃。

而且，如圖2的2B所示，在接合小陶瓷基板11S、第1鋁層15及小金屬層13S的接合體19上接合成為第1銅層16的第1層銅板16a及散熱板30。在接合體19的第1鋁層15層疊第1層銅板16a，并利用如圖3所示的加壓裝置110沿層疊方向?qū)υ谛〗饘賹?3S層疊散熱板30的層疊體進(jìn)行加壓的狀態(tài)下，在真空氣氛下對每個加壓裝置110進(jìn)行加熱，將第1鋁層15及第1銅層16固相擴(kuò)散接合而形成小電路層12S，并且將小金屬層13S及散熱板30固相擴(kuò)散接合。該情況下，作為加壓力例如設(shè)為0.29MPa以上且3.43MPa以下，作為加熱溫度設(shè)為400℃以上且小于548℃。將該加壓及加熱狀態(tài)保持5分鐘以上且240分鐘以下，從而第1鋁層15及第1銅層16、小金屬層13S及散熱板30同時被固相擴(kuò)散接合，而獲得功率模塊用基板單元51(圖2的2C、圖4)。

本實(shí)施方式中，第1鋁層15與第1銅層16的各接合面、小金屬層13S與散熱板30的各接合面的傷痕在固相擴(kuò)散接合之前被去除而呈平滑狀態(tài)。固相擴(kuò)散接合時真空加熱的優(yōu)選加熱溫度為鋁和銅的共晶溫度-5℃以上且小于共晶溫度的范圍。

另外，第1鋁層15及第1銅層16、小金屬層13S及散熱板30的固相擴(kuò)散接合并不限定于同時進(jìn)行。首先將第1鋁層15與第1銅層16接合，而形成功率模塊用基板21之后，再接合小金屬層13S與散熱板30等，各工序能夠不受上述實(shí)施方式的限定而進(jìn)行。

在如此制造的功率模塊用基板單元51的小電路層12S焊錫接合(芯片焊接)半導(dǎo)體元件60。此外，通過超聲波接合或焊錫接合等方法在半導(dǎo)體元件60及小電路層12S連接外部連接用引線框架70之后，通過傳送模成型來形成樹脂模40，對于半導(dǎo)體元件60與功率模塊用基板單元51除了散熱板30的裸露面30a之外進(jìn)行樹脂封裝。

在如此制造的功率模塊用基板單元51中，將第1銅層16的厚度設(shè)為t1(mm)，將第1鋁層15與第1銅層16的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將第1銅層16的屈服強(qiáng)度設(shè)為σ1(N/mm²)，將與金屬層13的接合位置即與各小金屬層13S的接合位置上的散熱板30的厚度設(shè)為t2(mm)，將金屬層13與散熱板30的接合面積設(shè)為A2(mm²)，將散熱板30的屈服強(qiáng)度設(shè)為σ2(N/mm²)時，將比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)設(shè)定在0.80以上且1.20以下的范圍內(nèi)，因此成為以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。即比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00的情況、0.80以上且小于1.00的情況、超過1.00且1.20以下的情況下，能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

如本實(shí)施方式，通過考慮電路層12的接合部分、接合有金屬層13的散熱板30的接合部分的上述比率，能夠提高以陶瓷基板層11為中心的對稱性。由此，能夠使加熱時等作用于陶瓷基板層11的兩面的應(yīng)力難以發(fā)生偏向，且難以發(fā)生翹曲。因此，不僅能夠抑制各層層疊時的初始翹曲，即使在半導(dǎo)體元件60安裝工序時和使用環(huán)境下也能夠抑制翹曲的發(fā)生，也能夠提高作為絕緣基板的可靠性，且能夠發(fā)揮良好的散熱性。并且，通過在一片散熱板30接合多個功率模塊用基板21(小電路層12S)，能夠?qū)Χ鄠€功率模塊用基板21(小電路層12S)進(jìn)行準(zhǔn)確地定位，并實(shí)現(xiàn)高集成化。

此外，通過使用在一片散熱板30接合多個功率模塊用基板21的功率模塊用基板單元51，能夠如本實(shí)施方式的功率模塊100容易制造集成化的功率模塊。并且，功率模塊用基板單元51通過一片散熱板30被一體化，因此即使有樹脂壓力作用也難以產(chǎn)生位置偏離和變形，且容易實(shí)現(xiàn)位置精度，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高集成化。

另外，上述實(shí)施方式中，構(gòu)成了使用平板狀的散熱板30的功率模塊用基板單元51，但也能夠使用在平板部設(shè)置針扇等由溫度變化引起的形狀變化較小的扇的散熱板或具有厚度不同的形狀的散熱板等。該情況下，將接合有金屬層的平板部的厚度作為散熱板的厚度t2，通過使第1銅層相對于散熱板的關(guān)系即比率(t1×A1×σ1)/(t2×A1×σ2)為0.80以上且1.20以下的第1銅層與散熱板的關(guān)系成立，由此即使在使用具有如此復(fù)雜的形狀的散熱板的功率模塊用基板單元中，也能夠構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

例如，如圖5所示的第2實(shí)施方式的功率模塊用基板單元52，在散熱板32不是相同的平板狀，而具有不同厚度的形狀部分的情況下，第1鋁層15與第1銅層16的接合位置、金屬層13與散熱板32的接合位置上，將第1銅層16與散熱板32的關(guān)系設(shè)定為比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成為0.80以上且1.20以下，從而能夠構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。

該情況下，將第1鋁層15與第1銅層16的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將金屬層13與散熱板32的接合面積設(shè)為A2(mm²)。如此，功率模塊用基板單元52中，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00的情況、0.80以上且小于1.00的情況、超過1.00且1.20以下的情況下，與第1實(shí)施方式同樣能夠良好地構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。因此，能夠使加熱時等作用于陶瓷基板層11的兩面的應(yīng)力難以產(chǎn)生偏向，且難以發(fā)生翹曲，并且能夠發(fā)揮良好的散熱性。

另外，接合面積A1為各功率模塊用基板21中第1銅層16相對于第1鋁層15的接合面積的總和。同樣，接合面積A2也是各功率模塊用基板21中小金屬層13S相對于散熱板30的接合面積的總和。

圖6表示第3實(shí)施方式的功率模塊用基板單元53。該功率模塊用基板單元53中，陶瓷基板層11由與小電路層12S同等數(shù)量的小陶瓷基板11S構(gòu)成，金屬層13由一片構(gòu)成。小電路層12S與小陶瓷基板11S接合的層疊基板14在金屬層13上隔著間隔接合，從而形成功率模塊用基板23。功率模塊用基板23的金屬層13接合于散熱板30上，從而形成功率模塊用基板單元53。

在該情況下，第1鋁層15與第1銅層16的接合位置、金屬層13與散熱板30的接合位置中，將第1銅層16與散熱板30的關(guān)系設(shè)定為比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成為0.80以上且1.20以下，從而能夠構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。該情況下，將第1鋁層15與第1銅層16的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將金屬層13與散熱板30的接合面積設(shè)為A2(mm²)。

如本實(shí)施方式的功率模塊用基板單元53，在接合面積A1與接合面積A2不同的情況下，將這些接合部分上的第1銅層16與散熱板30的關(guān)系設(shè)定為比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成為0.80以上且1.20以下，從而能夠與第1實(shí)施方式同樣良好地構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。即，功率模塊用基板單元53中，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00的情況、0.80以上且小于1.00的情況、超過1.00且1.20以下的情況下，與第1實(shí)施方式同樣良好地構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。另外，接合面積A1為各層疊基板14中第1銅層16相對于第1鋁層15的接合面積的總和。

圖7表示第4實(shí)施方式的功率模塊用基板單元54。該功率模塊用基板單元54中，陶瓷基板層11由一片構(gòu)成，金屬層13由與小電路層12S同等數(shù)量的小金屬層13S構(gòu)成。小電路層12S與小金屬層13S經(jīng)由陶瓷基板層11沿陶瓷基板層11的表面方向隔著間隔接合，從而形成功率模塊用基板24。功率模塊用基板24的金屬層13(各小金屬層13S)接合于散熱板30上，從而形成功率模塊用基板單元54。

如此，在陶瓷基板層11由一片構(gòu)成的情況下，第1鋁層15與第1銅層16的接合位置、小金屬層13S與散熱板30的接合位置上，將第1銅層16與散熱板30的關(guān)系設(shè)定為比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成為0.80以上且1.20以下，從而能夠構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。該情況下，將第1鋁層15與第1銅層16的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將金屬層13與散熱板30的接合面積設(shè)為A2(mm²)。

如此，功率模塊用基板單元54中，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00的情況、0.80以上且小于1.00的情況、超過1.00且1.20以下的情況下，與第1實(shí)施方式同樣良好地構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。而且，如該第4實(shí)施方式的功率模塊用基板單元54，通過由一片線膨脹系數(shù)較小且剛性高的陶瓷基板層11構(gòu)成，能夠進(jìn)一步使加熱時等作用于陶瓷基板層11的兩面的應(yīng)力難以產(chǎn)生偏向，因此能夠進(jìn)一步提高防止翹曲的發(fā)生的效果。另外，接合面積A1為各功率模塊用基板24中第1銅層16相對于第1鋁層15的接合面積的總和。同樣，接合面積A2也是各功率模塊用基板24中小金屬層13S相對于散熱板30的接合面積的總和。

圖8表示第5實(shí)施方式的功率模塊用基板單元55。該功率模塊用基板單元55中，陶瓷基板層11由一片構(gòu)成，并且金屬層13也由一片構(gòu)成。小電路層12S在陶瓷基板層11的一側(cè)面隔著間隔接合，在陶瓷基板層11的另一側(cè)面接合有金屬層13，從而形成功率模塊用基板25。該功率模塊用基板25的金屬層13接合于散熱板30上，從而形成功率模塊用基板單元55。

如此，陶瓷基板層11由一片構(gòu)成，并且金屬層13由一片構(gòu)成的情況下，第1鋁層15與第1銅層16的接合位置、金屬層13與散熱板30的接合位置上，將第1銅層16與散熱板30的關(guān)系設(shè)定為使比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成為0.80以上且1.20以下，從而能夠構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。該情況下，將第1鋁層15與第1銅層16的接合面積設(shè)為A1(mm²)，將金屬層13與散熱板30的接合面積設(shè)為A2(mm²)。

如此，在功率模塊用基板單元55中，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為1.00的情況、0.80以上且小于1.00的情況、超過1.00且1.20以下的情況下，與第1實(shí)施方式同樣良好地構(gòu)成以陶瓷基板層11為中心的對稱結(jié)構(gòu)。而且，該情況下也有一片線膨脹系數(shù)較小且剛性高的陶瓷基板層11，從而能夠進(jìn)一步使加熱時等作用于陶瓷基板層的兩面的應(yīng)力難以產(chǎn)生偏向，因此能夠進(jìn)一步提高防止發(fā)生翹曲的效果。另外，接合面積A1為各小電路層12S中第1銅層16相對于第1鋁層15的接合面積的總和。

在以上說明的各實(shí)施方式中，對在散熱板30上搭載兩個電路(小電路層12S)的所謂二合一結(jié)構(gòu)的功率模塊進(jìn)行了說明，但只要使用本發(fā)明的功率模塊用基板單元及功率模塊的結(jié)構(gòu)，則能夠容易進(jìn)行如搭載三個電路的三合一結(jié)構(gòu)、如圖9所示的功率模塊用基板單元56在散熱板30搭載了六個電路(小電路層12S)的六合一結(jié)構(gòu)的延伸。另外，圖9中，省略了除了小電路層12S與散熱板30的陶瓷基板層11、金屬層13的圖示。

此外，設(shè)為將具有散熱板的功率模塊用基板單元分別配置在半導(dǎo)體元件的兩面的結(jié)構(gòu)，從而能夠設(shè)為兩面冷卻結(jié)構(gòu)。

上述實(shí)施方式中，第1鋁層15與第1銅層16被直接固相擴(kuò)散，金屬層13與散熱板30、32被直接固相擴(kuò)散接合。

然而，本發(fā)明并不限定于直接固相擴(kuò)散接合的情況，也可以設(shè)為如下結(jié)構(gòu)。

上述實(shí)施方式中，也可以是第1鋁層15與第1銅層16及金屬層13與散熱板30、32中任一個或雙方經(jīng)由鈦層被固相擴(kuò)散接合的結(jié)構(gòu)。該情況下，在功率模塊用基板單元成為高溫時，能夠抑制Al與Cu的金屬間化合物的生長，且能夠提高接合可靠性和壽命。

鈦層的厚度能夠設(shè)為5μm以上且50μm以下。鈦層的厚度小于5μm的情況下，固相擴(kuò)散接合時鈦層容易破損，因此抑制Al與Cu的金屬間化合物的生長的效果變低。鈦層的厚度超過50μm的情況下，導(dǎo)熱較差的鈦層變厚，因此功率模塊用基板單元的熱阻的上升變得顯著。

能夠?qū)⑩亴拥拇嬖趯βN曲造成的影響忽略不計。

作為制造包含鈦層的功率模塊用基板單元的方法，在利用上述實(shí)施方式中記載的制造方法制造時，只要在第1鋁層15與第1銅板16a之間或金屬層13與散熱板30、32之間插入鈦箔進(jìn)行固相擴(kuò)散接合即可。鈦箔的厚度可以設(shè)為5μm以上且50μm以下。

實(shí)施例

接著，對為了確認(rèn)本發(fā)明的效果而進(jìn)行的實(shí)施例進(jìn)行說明。

作為功率模塊用基板單元的試樣，作為陶瓷基板層準(zhǔn)備包括厚度0.635mm的AlN的陶瓷基板、作為第1鋁層及金屬層(第1層鋁板及金屬層鋁板)準(zhǔn)備厚度0.6mm的純度99.99質(zhì)量％以上(4N)的鋁板。作為第1銅層及散熱板(第1層銅板及散熱板)，通過C1020(屈服強(qiáng)度＝195N/mm²)或三菱伸銅株式會社制的耐熱合金ZC(屈服強(qiáng)度＝280N/mm²)，準(zhǔn)備表1所示的厚度的板材。另外，屈服強(qiáng)度的值為室溫(25℃)時的值。各部件的平面尺寸形成為如表1所示。

通過上述實(shí)施方式中敘述的接合方法將它們接合而制作功率模塊用基板單元的試樣。表1中“實(shí)施方式”表示各試樣用哪一實(shí)施方式的制造方法制成。并且，作為以往例，制作在第1實(shí)施方式中敘述的接合方法中不接合電路層的第1銅層而沒有形成第1銅層的(即，電路層僅由第1鋁層形成)功率模塊用基板單元(表1的以往例1)。

表1中，“電路數(shù)”表示構(gòu)成電路層的小電路層的數(shù)量。并且，陶瓷基板層的“構(gòu)成數(shù)”表示陶瓷基板層由多個小陶瓷基板構(gòu)成的情況下的小陶瓷基板的數(shù)量。金屬層的“構(gòu)成數(shù)”表示金屬層由多個小金屬層構(gòu)成的情況下的小金屬層的數(shù)量。因此，例如陶瓷基板層由一片構(gòu)成的情況下，“構(gòu)成數(shù)”記為“1”。另外，電路層、陶瓷基板層及金屬層的各“平面尺寸”分別為小電路層、小陶瓷基板及小金屬層的尺寸形成為如表1所示。并且，散熱板為平板狀，整體的平面尺寸設(shè)為100mm×100mm。另外，表1的“比率”表示比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)。

就所獲各試樣，分別測定接合后的常溫(25℃)時的翹曲量(初始翹曲)、假定安裝工序的285℃加熱時的翹曲量(加熱時翹曲)。對于翹曲量，使用疊紋式三維形狀測定機(jī)測定散熱板的后面的平面度的變化來進(jìn)行評價。另外，關(guān)于翹曲量，在電路層側(cè)凸?fàn)顝澢那闆r設(shè)為正翹曲量(+)，在電路層側(cè)凹狀彎曲的情況設(shè)為負(fù)翹曲量(-)。

并且，評價半導(dǎo)體元件的安裝工序中的成品率。對100個各試樣，將半導(dǎo)體元件安裝到第1銅層上，位置從安裝位置向水平方向發(fā)生100μm以上偏離的設(shè)為不良，成為不良的個數(shù)為兩個以下的情況作為最佳被評價為“A”，三個以上小于10個的情況作為良好被評價為“B”，10個以上的的情況作為不良被評價為“C”。在表1示出結(jié)果。

從表1可知，在未設(shè)置第1銅層的以往例1中確認(rèn)到常溫時及加熱時的翹曲量較大，且安裝半導(dǎo)體元件時不良也變多。相對于此，在具有第1銅層且比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)為0.80以上且1.20以下的發(fā)明例1～14中確認(rèn)到可獲得常溫時的翹曲量及加熱時的翹曲量較小的功率模塊基板單元。并且，獲知通過使用這種功率模塊基板單元，能夠以高成品率安裝半導(dǎo)體元件。

尤其，獲知在常溫時的翹曲量為±120μm以下并且常溫時和加熱時的翹曲量的差量小于120μm的發(fā)明例1～4、7～10、12～14中，可獲得能夠以更高的成品率安裝半導(dǎo)體元件的功率模塊用基板單元。

另一方面，即使具有第1銅層，在比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)小于0.80或超過1.20的比較例1～6中，也確認(rèn)到功率模塊基板單元在常溫時的翹曲量及加熱時的翹曲量變大，半導(dǎo)體元件安裝工序中的成品率較低。

另外，本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變更。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

提供一種因溫度變化引起的形狀變化較少且散熱性優(yōu)異，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電路的集成化的功率模塊用基板單元及功率模塊。

符號說明

11-陶瓷基板層，11S-小陶瓷基板，12-電路層，12S-小電路層，13-金屬層，13a-金屬層鋁板，13S-小金屬層，14-層疊基板，15-第1鋁層，15a-第1層鋁板，16-第1銅層，16a-第1層銅板，18-釬料箔，19-接合體，21～25-功率模塊用基板，30、32-散熱板，30a-裸露面，40-樹脂模，51～56-功率模塊用基板單元，60-半導(dǎo)體元件，70-外部連接用引線框架，80-散熱片，81-頂板部，82-冷卻部，83-流路，100-功率模塊，110-加壓裝置，111-底座板，112-導(dǎo)柱，113-固定板，114-按壓板，115-施力機(jī)構(gòu)，116-碳片。