功率模块用基板单元及功率模块的制作方法

本发明涉及一种控制大电流及高电压的半导体装置中所使用的功率模块用基板单元及功率模块。

本申请主张基于2014年4月25日于日本申请的专利申请2014-092054号的优选权，并将其内容援用于此。

背景技术：

车载用功率模块中使用在以氮化铝为首的陶瓷基板上接合铝板，并且在一侧经由铝板接合有铝类散热片的带散热片的功率模块用基板单元。

以往，这种带散热片的功率模块用基板单元是以如下方式来制造的。首先，在陶瓷基板的两面经由适合于接合陶瓷基板与铝板的钎料层叠铝板，并以规定的压力来加压的同时，进行加热直至达到其钎料溶融的温度以上，由此接合陶瓷基板与两面的铝板。接着，在一侧的铝板上经由适合于接合铝板与散热片的钎料层叠散热片，并以规定的压力加压的同时，进行加热直至达到其钎料溶融的温度以上，由此接合铝板与散热片。由此，制造带散热片的功率模块用基板单元。

这种带散热片的功率模块用基板单元中，一侧的铝板作为电路层来形成，在其上表面经由焊锡材搭载功率元件等半导体元件。

若在这种功率模块用基板中发生翘曲，则影响散热性能等，因此需要采用翘曲较少的基板。

以往，作为减少功率模块用基板的翘曲等的技术，例如有专利文献1及专利文献2中所记载的技术。

关于专利文献1中所记载的功率模块用基板，在作为电路层的金属板中使用层叠包含以质量％计铝纯度为99.0％以上且99.95％以下的第1层及铝纯度为99.99％以上的第2层的两个以上的层而成的包覆材料，并且其第2层接合在陶瓷基板上。且记载有，此时电路层的厚度为600μm，与该电路层相比设置于陶瓷基板的相反面的金属层厚度为400μm。

专利文献2中公开有在氮化硅基板的至少一侧表面接合有金属包覆材料的氮化硅电路基板。作为金属包覆材料优选采用Cu板或Al板等导电性材料与如可伐合金板或钨板等低热膨胀金属的组合。

专利文献1：日本专利公开2012-191004号公报

专利文献2：日本专利公开2003-168770号公报

在以往的带散热片的功率模块用基板单元中，将减少接合散热片时由绝缘基板与散热片的线膨胀差而引起的初始翘曲作为主要课题，但在接合散热片后安装半导体元件的工序中进行加热时，或由于使用环境的温度变化，也可能会引起翘曲的发生。

若安装工序中发生翘曲，则发生焊接部的位置偏差，或接合部发生歪斜或龟裂等，从而存在损坏接合可靠性的课题。并且，若在使用环境下发生翘曲，则介于散热片与冷却器之间的热传导性润滑脂通过泵出现象从散热片与冷却器之间流出，由此可能损坏散热片与冷却器的粘附性，导致热阻的增加。

技术实现要素：

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种不仅与散热片接合后的初始翘曲较少，而且在半导体元件的安装工序时及使用环境下翘曲也较少的带散热片的功率模块用基板单元及功率模块。

本发明的功率模块用基板单元具有至少一个功率模块用基板；及接合有该功率模块用基板的所述金属层的散热片，所述功率模块用基板具备一片陶瓷基板、形成在该陶瓷基板的一侧面的电路层及形成在所述陶瓷基板的另一侧面的金属层，其中所述金属层由纯度99.99质量％以上的铝板构成，所述散热片由纯度99.90质量％以下的铝板构成，所述电路层具有接合在所述陶瓷基板上的由纯度99.99质量％以上的铝板构成的第1层及接合在该第1层的表面上的由纯度小于99.90质量％的铝板构成的第2层的层叠结构。

电路层为第1层及第2层的层叠结构，并且相对于刚性高的即屈服强度高的散热片在夹持陶瓷基板的相反侧配置有由刚性高的铝板构成的第2层，因此这些散热片与电路层的第2层成为以陶瓷基板为中心的对称结构，从而在加热时等作用于陶瓷基板两面的应力不易发生偏差，且不易发生翘曲。并且，作为与陶瓷基板接合的第1层，配置有纯度99.99质量％以上的较软的即屈服强度较低的铝板，因此在加热时等能够减少施加于陶瓷基板的热应力而防止破裂。另外，当将第2层通过屈服强度较高的小于99.0质量％的铝板来构成时，能够缩小第2层的厚度，因此无需增加热阻而能够设成更优选的结构。

在本发明的功率模块用基板单元中，当将所述第2层的厚度设为t1(mm)，将所述第2层的接合面积设为A1(mm²)，将所述第2层的屈服强度设为σ1(N/mm²)，将所述散热片的厚度设为t2(mm)，将所述散热片的接合面积设为A2(mm²)，将所述散热片的屈服强度设为σ2(N/mm²)时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)是0.85以上且1.40以下即可。

对于电路层的第2层与散热片，通过将这些厚度、接合面积及屈服强度的关系设定在该范围内，能够进一步提高以陶瓷基板为中心的对称性，并且可靠地防止翘曲的发生。即，通过在功率模块用基板单元的陶瓷基板上并列配设多个小电路层等来对电路层进行图案化的情况下，与陶瓷基板接合的电路层的接合部分和金属层所接合的散热片的接合部分形状不同，但通过考虑这些接合部分中的第2层的刚性与散热片20的刚性的对称性，能够可靠地防止翘曲的发生。

并且，在本发明的功率模块用基板单元中，还具有介于所述电路层的所述第1层与所述第2层之间的由铝合金板构成的电路侧接合芯材，当将所述第2层的厚度设为t1(mm)，将所述第2层的接合面积设为A1(mm²)，将所述第2层的屈服强度设为σ1(N/mm²)，将所述散热片的厚度设为t2(mm)，将所述散热片的接合面积设为A2(mm²)，将所述散热片的屈服强度设为σ2(N/mm²)，将所述电路侧接合芯材的厚度设为t3(mm)，将所述电路侧接合芯材与所述第1层的接合面积设为A3(mm²)，将屈服强度设为σ3(N/mm²)时，可将比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2)设为0.85以上且1.40以下。

并且，在本发明的功率模块用基板单元中，还具有介于所述金属层与所述散热片之间的由铝合金板构成的散热侧接合芯材，当将所述第2层的厚度设为t1(mm)，将所述第2层的接合面积设为A1(mm²)，将所述第2层的屈服强度设为σ1(N/mm²)，将所述散热片的厚度设为t2(mm)，将所述散热片的接合面积设为A2(mm²)，将所述散热片的屈服强度设为σ2(N/mm²)，将所述散热侧接合芯材的厚度设为t4(mm)，将所述散热侧接合芯材与所述金属层的接合面积设为A4(mm²)，将所述散热侧接合芯材的屈服强度设为σ4(N/mm²)时，可将比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)设为0.85以上且1.40以下。

并且，在本发明的功率模块用基板单元中，还具有介于所述电路层的所述第1层与所述第2层之间的由铝合金板构成的电路侧接合芯材及介于所述金属层与所述散热片之间的由铝合金板构成的散热侧接合芯材，当将所述第2层的厚度设为t1(mm)，将所述第2层的接合面积设为A1(mm²)，将所述第2层的屈服强度设为σ1(N/mm²)，将所述散热片的厚度设为t2(mm)，将所述散热片的接合面积设为A2(mm²)，将所述散热片的屈服强度设为σ2(N/mm²)，将所述电路侧接合芯材的厚度设为t3(mm)，将所述第1层与所述电路侧接合芯材的接合面积设为A3(mm²)，将所述电路侧接合芯材的屈服强度设为σ3(N/mm²)，将所述散热侧接合芯材的厚度设为t4(mm)，将所述金属层与所述散热侧接合芯材的接合面积设为A4(mm²)，将所述散热侧接合芯材的屈服强度设为σ4(N/mm²)时，可将比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)设为0.85以上且1.40以下。

在本发明所涉及的功率模块用基板单元中，所述功率模块用基板的所述电路层可通过互相分离的多个小电路层来形成。

并且，本发明所涉及的功率模块用基板单元可具备多个所述功率模块用基板。

本发明的功率模块具备所述功率模块用基板单元及搭载于所述电路层的表面上的半导体元件。

根据本发明，通过减少加热时的翘曲，能够消除通过焊接等安装半导体元件的工序中的不良状况，并且温度循环时的翘曲也较小，因此作为绝缘基板时的可靠性也被提高。并且，通过电路层中使用高刚性部件，电路层的变形被抑制，半导体元件的连接可靠性也良好。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的功率模块用基板单元的制造工序的剖视图。

图2是本发明的第1实施方式所涉及的功率模块用基板单元的制造中所使用的加压装置的主视图。

图3是表示本发明的第2实施方式所涉及的功率模块用基板单元的制造工序的剖视图。

图4是表示本发明的第3实施方式所涉及的功率模块用基板单元的制造工序的剖视图。

图5是表示本发明的第4实施方式所涉及的功率模块用基板单元的制造工序的剖视图。

图6是表示本发明的第5实施方式所涉及的功率模块用基板单元的制造工序的剖视图。

图7是本发明的第6实施方式所涉及的功率模块用基板单元的剖视图。

图8是本发明的第7实施方式所涉及的功率模块用基板单元的剖视图。

图9是表示图8的功率模块用基板单元的立体图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。图1的(c)所示的第1实施方式的功率模块用基板单元50具备功率模块用基板10及散热片20。通过在该功率模块用基板单元50的表面搭载半导体芯片等半导体元件30，制造功率模块100。

功率模块用基板10具备陶瓷基板11、通过钎焊接合在陶瓷基板11的一侧面的电路层12及通过钎焊接合在陶瓷基板11的另一侧面的金属层13。而且，在该功率模块用基板10的电路层12的表面焊接半导体元件30，在金属层13的表面钎焊散热片20。

陶瓷基板11例如可使用AlN(氮化铝)、Si₃N₄(氮化硅)等氮化物类陶瓷或Al₂O₃(氧化铝)等氧化物类陶瓷。并且，陶瓷基板11的厚度可设定在0.2～1.5mm的范围内。

电路层12设成与陶瓷基板11的表面接合的第1层15与接合在第1层15上的第2层16的层叠结构。第1层15可使用纯度99.99质量％以上的铝板(在JIS标准中为1N99(纯度99.99质量％以上：所谓的4N铝)的纯铝板)。第2层16可使用纯度小于99.90质量％的铝板(在JIS标准中为纯度99.0质量％以上的所谓的2N铝(例如A1050等)的纯铝板，或A3003、A6063、A5052等铝合金板)。第1层15的厚度为0.1mm以上且2.5mm以下，第2层16的厚度t1为0.5mm以上且5.0mm以下。

对金属层13，与电路层12的第1层15同样使用纯度99.99质量％以上(在JIS标准中为1N99(纯度99.99质量％以上：所谓的4N铝))的铝板，且形成为厚度为0.1mm以上且小于2.5mm。

作为与功率模块用基板10接合的散热片20的材质，可使用纯度为99.90质量％以下的铝板(在JIS标准中为1N90(纯度99.90质量％以上的所谓的3N铝)或纯度99.0质量％以上的所谓的2N铝(例如A1050等)的纯铝板、A3003、A6063、A5052等铝合金板)。

作为散热片20的形状，可采用平板状、通过热锻等一体形成的多个针状翅片或通过挤压成型而一体形成的互相平行的带状翅片等适当的形状。散热片20作为在内部流通制冷剂的冷却器的部件，用螺纹固定等方式组装于构成冷却器的其他部件后使用。尤其，优选将抑制翘曲效果好的平板状的散热片或一体形成为多个针状翅片的散热片用作散热片20。在本实施方式中，使用平板状的散热片20。

该散热片20与电路层12的第2层16被设定成满足如下关系，即当将第2层16的厚度设为t1，将第1层15与第2层16的接合面积设为A1，将第2层16的屈服强度设为σ1，将散热片20的厚度设为t2，将散热片20与金属层13的接合面积设为A2，将散热片20的屈服强度设为σ2时，设定为比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.85以上且1.40以下的关系。

例如，如下组合的情况下，成为比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)＝1.08，即第2层16为厚度t1＝1.5mm的A3003铝合金(屈服强度σ1＝40N/mm²)且第1层15与第2层16的接合面积A1被设为900mm²，并且散热片20为厚度t2＝1.0mm的A6063铝合金(屈服强度σ2＝50N/mm²)且金属层13与散热片20的接合面积A2被设为1000mm²。另外，本发明中的屈服强度的值为室温(25℃)时的值。

接着，对制造如此构成的功率模块用基板单元50的方法进行说明。以如下方式制造该功率模块用基板单元50，即接合陶瓷基板11和电路层12中的第1层15及金属层13(第1接合工序)之后，在第1层15之上接合第2层16，在金属层13接合散热片20(第2接合工序)。以下，对该工序顺序进行说明。

(第1接合工序)

首先，如图1的(a)所示，在陶瓷基板11的一侧面层叠成为电路层12中的第1层15的第1层铝板15a，在另一侧面层叠成为金属层13的金属层铝板13a，并将它们接合为一体。这些接合中，使用Al-Si类等合金的钎料40。该钎料40可以以箔的形态来使用。

如图1的(a)所示，将这些陶瓷基板11、第1层铝板15a及金属层铝板13a经由钎料40层叠，并使用图2所示的加压装置110使该层叠体S保持向层叠方向加压的状态。

该加压装置110具备底座板111、垂直安装在底座板111的上面四角的导柱112、固定在这些导柱112的上端部的固定板113、在这些底座板111与固定板113之间上下移动自如地被支承在导柱112的按压板114及设置在固定板113与按压板114之间且对按压板114向下方施力的弹簧等施力机构115。

固定板113及按压板114相对于底座板111被平行地配置，在底座板111与按压板114之间配置前述的层叠体S。在层叠体S的两面配设碳片116以便均匀加压。

在用该加压装置110加压的状态下，连同加压装置110设置在省略图示的加热炉内，并在真空气氛下加热至钎焊温度而进行钎焊。作为此时的加压力例如可设为0.68MPa(7kgf/cm²)，作为加热温度例如可设为640℃。

(第2接合工序)

如图1的(b)所示，在通过第1接合工序得到的接合体60中的电路层12的第1层15上，经由钎料40层叠成为第2层16的第2层铝板16a，对金属层13经由钎料40层叠散热片20。这些钎料40可以以箔的形态使用Al-Si类等合金钎料。

然后，以使用与图2相同的加压装置110将这些层叠体向层叠方向加压的状态，连同加压装置110在真空气氛下加热而分别钎焊第2层16及散热片20。作为此时的加压力例如可设为0.68MPa(7kgf/cm²)，作为加热温度例如可设为615℃。

对如此制造出的功率模块用基板单元50，如图1的(c)所示，在电路层12(第2层16)的上表面通过焊接接合半导体元件30，以制造功率模块100。

如上述那样制造的功率模块100中，如上所述，对于功率模块用基板单元50，将电路层12设为第1层15与第2层16的层叠结构，并且相对于刚性高的即屈服强度高的散热片20，在陶瓷基板11的相反侧配置由刚性高的第2层铝板16a构成的第2层16，将这些散热片20与电路层12的第2层16设为以陶瓷基板11为中心的对称结构，因此在加热时等作用于陶瓷基板11的两面的应力不易发生偏差，且不易发生翘曲。并且，作为与陶瓷基板11接合的第1层15，配置有纯度99.99质量％以上的较软的即屈服强度较低的第1层铝板15a，因此在加热时等能够减少施加于陶瓷基板11的热应力而防止破裂的发生。另外，在通过屈服强度较高的小于99.0质量％的铝板来构成第2层16的情况下，能够减小第2层16的厚度，因此无需增加热阻而能够设成更优选的结构。

并且，对于功率模块用基板单元50中，当将电路层12中的第2层16的厚度设为t1，将第1层15与第2层16的接合面积设为A1，将第2层16的屈服强度设为σ1，将散热片20的厚度设为t2，将金属层13与散热片20的接合面积设为A2，将散热片20的屈服强度设为σ2时，将比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)设定为0.85以上且1.40以下的范围，由此对于半导体元件30的安装工序时及之后的使用环境下的温度变化，翘曲发生较少，作为绝缘基板时具有长期的高可靠性。

如此，功率模块用基板单元50中，当比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00时、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下时，能够良好地构成以陶瓷基板11为中心的对称结构。并且，关于功率模块用基板单元50，在电路层12中，对焊接半导体元件30的第2层16中使用刚性高的即屈服强度较高的铝板，因此也能够抑制电路层12的变形。

对半导体元件30的焊接，例如使用Sn-Sb类、Sn-Ag类、Sn-Cu类、Sn-In类或Sn-Ag-Cu类的焊料，并通过加热至275℃～335℃来进行。

另外，在上述的第1实施方式中，作为钎料使用Al-Si类合金且在真空气氛下进行钎焊，但也可使用Al-Si-Mg类、Al-Mg类、Al-Ge类、Al-Cu类或Al-Mn类等钎料。当使用含有Mg的Al-Si-Mg类、Al-Mg类合金的钎料来进行钎焊时，能够在非氧化气氛下进行钎焊。

图3表示第2实施方式的功率模块用基板单元51的制造方法。在该实施方式中，对与图1的第1实施方式共同的要件标注相同符号(在以下的各实施方式中也相同)。

该功率模块用基板单元51中，功率模块用基板17中的电路层18的第1层15与第2层16之间通过在电路侧接合芯材41a的两面形成有钎料层42的两面钎焊包覆材料43a来接合。并且，金属层13与散热片20之间也通过在散热侧接合芯材41b的两面形成有钎料层42的两面钎焊包覆材料43b来接合。

在两面钎焊包覆材料43a、43b中，对电路侧接合芯材41a及散热侧接合芯材41b采用厚度0.05mm～0.6mm的JIS的A3003铝合金，而对两面的钎料层42采用Al-Si-Mg类合金。

对该第2实施方式的功率模块用基板单元51的制造方法进行说明。首先，与第1实施方式的第1接合工序同样地，通过使用钎料40(参考图1的(a))的钎焊在陶瓷基板11的一侧面接合电路层18的第1层15，在另一侧面接合金属层13，以进行第1接合工序。然后，如图3的(a)所示，在第1层15上经由两面钎焊包覆材料43a层叠成为第2层16的第2层铝板16a，并且在金属层13上经由两面钎焊包覆材料43b层叠散热片20，并将它们向层叠方向加压后，在氮气氛等非氧化气氛下加热而进行钎焊。

如图3的(b)所示，如此制造的第2实施方式的功率模块用基板单元51成为在电路层18的第1层15与第2层16之间存在薄的铝合金层(电路侧接合芯材41a)且在金属层13与散热片20之间存在薄的铝合金层(散热侧接合芯材41b)的状态。

该功率模块用基板单元51中，当将电路层18中的第2层16的厚度设为t1，将电路侧接合芯材41a与第2层16的接合面积设为A1，将第2层16的屈服强度设为σ1，将散热片20的厚度设为t2，将散热侧接合芯材41b与散热片20的接合面积设为A2，将散热片20的材料的屈服强度设为σ2，将电路侧接合芯材41a的厚度设为t3，将第1层15与电路侧接合芯材41a的接合面积设为A3，将电路侧接合芯材41a的屈服强度设为σ3，将散热侧接合芯材41b的厚度设为t4，将金属层13与散热侧接合芯材41b的接合面积设为A4，将散热侧接合芯材41b的材料的屈服强度设为σ4时，比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)被设为0.85以上且1.40以下。

如此，该功率模块用基板单元51中，当比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)为1.00时、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下时，与第1实施方式同样地，能够良好地构成以陶瓷基板11为中心的对称结构。

图4表示第3实施方式的功率模块用基板单元52的制造方法。在该功率模块用基板单元52中，电路层18与第2实施方式同样地，对第1层15与第2层16之间，通过在电路侧接合芯材41a的两面形成有钎料层42的两面钎焊包覆材料43a来接合。并且，对金属层13与散热片20之间，与第1实施方式同样地通过Al-Si类等合金的钎料45来接合。

对该第3实施方式的功率模块用基板单元52的制造方法进行说明。首先，与第1实施方式的第1接合工序同样地，通过使用钎料40(参考图1的(a))的钎焊在陶瓷基板11的一侧面接合电路层18的第1层15，在另一侧面接合金属层13，以进行第1接合工序。然后，如图4的(a)所示，在第1层15上经由两面钎焊包覆材料43a层叠成为第2层16的第2层铝板16a，并且在金属层13上经由由Al-Si-Mg类合金构成的钎料45层叠散热片20，并将它们向层叠方向进行加压后，在氮气氛等非氧化气氛下加热而进行钎焊。

该功率模块用基板单元52中，如图4的(b)所示，成为在电路层18的第1层15与第2层16之间存在薄的铝合金层(两面钎焊包覆材料43a的电路侧接合芯材41a)的状态。

该功率模块用基板单元52中，当将电路层18中的第2层16的厚度设为t1，将电路侧接合芯材41a与第2层16的接合面积设为A1，将第2层16的屈服强度设为σ1，将散热片20的厚度设为t2，将金属层13与散热片20的接合面积设为A2，将散热片20的屈服强度设为σ2，将电路侧接合芯材41a的厚度设为t3，将电路侧接合芯材41a与第1层15的接合面积设为A3，将电路侧接合芯材41a的屈服强度设为σ3时，比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2)被设为0.85以上且1.40以下。

如此，该功率模块用基板单元52中，当比率(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2)为1.00时、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下时，与第1实施方式同样地，能够良好地构成以陶瓷基板11为中心的对称结构。

图5表示第4实施方式的功率模块用基板单元53的制造方法。该功率模块用基板单元53中，电路层12的第2层16通过在第2层铝板16a的一面上接合层叠有由Al-Si-Mg类合金构成的钎料层44的包覆板19而成。首先，与第1实施方式的第1接合工序同样地，通过钎焊在陶瓷基板11的一侧面接合电路层12的第1层15，在另一侧面接合金属层13而进行第1接合工序后，如图5的(a)所示，以在第1层15上重叠钎料层44的方式层叠包覆板19，并且金属层13上经由在第2实施方式中使用的散热侧接合芯材41b的两面形成有钎料层42的两面钎焊包覆材料43b层叠散热片20，并将它们向层叠方向进行加压后，在氮气氛等非氧化气氛下加热而进行钎焊。

图5的(b)所示的该功率模块用基板单元53中，当将电路层12中的第2层16的铝板的厚度设为t1，将第1层15与第2层16的接合面积设为A1，将第2层16的屈服强度设为σ1，将散热片20的厚度设为t2，将散热侧接合芯材41b与散热片20的接合面积设为A2，将散热片20的屈服强度设为σ2，将散热侧接合芯材41b的厚度设为t4，将金属层13与散热侧接合芯材41b的接合面积设为A4，将散热侧接合芯材41b的屈服强度设为σ4时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)被设为0.85以上且1.40以下。

如此，该功率模块用基板单元53中，当比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)为1.00时、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下时，与第1实施方式同样地，能够良好地构成以陶瓷基板11为中心的对称结构。

图6表示第5实施方式的功率模块用基板单元54的制造方法。该功率模块用基板单元54中，电路层12的第1层15与第2层16作为预先接合的包覆材料来制造。

如图6的(a)所示，在陶瓷基板11的一侧面经由由Al-Si类合金构成的钎料40而层叠包覆材料的电路层12，并且在另一侧面经由由Al-Si类合金构成的钎料40层叠金属层13，并以将它们在真空气氛下加压的状态来加热而进行钎焊(第1接合工序)。由此，在陶瓷基板11的两面形成接合有电路层12及金属层13的功率模块用基板10(图6的(b))。

接着，如图6的(b)所示，对得到的功率模块用基板10的金属层13经由由Al-Si-Mg类合金构成的钎料45来层叠散热片20，并以将它们在氮气氛等非氧化气氛下加压的状态来加热而进行钎焊(第2接合工序)。

图6的(c)所示的该功率模块用基板单元54中，当将电路层12的第2层16的厚度设为t1，将第1层15与第2层16的接合面积设为A1，将第2层16的屈服强度设为σ1，将散热片20的厚度设为t2，将金属层13与散热片20的接合面积设为A2，将散热片20的屈服强度设为σ2时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)被设为0.85以上且1.40以下。

如此，该功率模块用基板单元54中，当比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00时、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下时，与第1实施方式同样地，能够良好地构成以陶瓷基板11为中心的对称结构。

图7表示第6实施方式的功率模块用基板单元55。上述第1实施方式至第5实施方式中，示出了一组功率模块用基板与一片散热片接合的方式，但如图7所示的功率模块用基板单元55那样，多个功率模块用基板10S与一片散热片20接合时也同样能够适用本发明。如此构成的功率模块用基板单元55中，在散热片20上隔着间隔接合多个功率模块用基板10S，由此能够实现基板的高度集成化。

该功率模块用基板单元55中，各功率模块用基板10S通过层叠由第1层15及第2层16层叠而成的小电路层12S、小陶瓷基板11S及小金属层13S而形成。当将第2层16的厚度设为t1，将第1层15与第2层16的接合面积设为A1(此时，将构成电路层12的各小电路层12S中的第2层16与第1层15的接合面积的总和设为A1)，将第2层16的屈服强度设为σ1，将散热片20的厚度设为t2，将由多个小金属层13S构成的金属层13与散热片20的接合面积设为A2(此时，将散热片20与各小金属层13S的接合面积的总和设为A2)，将散热片20的屈服强度设为σ2时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)被设为0.85以上且1.40以下。

如此，该功率模块用基板单元55中，当比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00时、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下时，与第1实施方式同样地，能够良好地构成以陶瓷基板11为中心的对称结构。

当如功率模块用基板单元55那样具备多个功率模块用基板10S时，在各接合部分中，通过考虑第2层16的刚性(考虑厚度t1与接合面积A1相乘的体积的屈服强度)与散热片20的刚性(考虑厚度t2与接合面积A2相乘的体积的屈服强度)的对称性，能够可靠地防止翘曲的发生。

图8及图9表示第7实施方式的功率模块用基板单元56。该功率模块用基板单元56中，金属层13与陶瓷基板11用一片来构成，但电路层12由在陶瓷基板11上沿面方向隔着间隔配设的多个小电路层12S来形成。如此，电路层12由分离的多个小电路层12S形成的情况下，同样也能够适用本发明。如此构成的功率模块用基板单元56中，通过在陶瓷基板11上隔着间隔接合多个小电路层12S而形成被图案化的电路层12，因此与第6实施方式的功率模块用基板单元55同样地，能够实现基板的高度集成化。

该功率模块用基板单元56中，各小电路层12S通过层叠第1层15及第2层16而形成。当将第2层16的厚度设为t1，将第1层15与第2层16的接合面积设为A1(此时，将构成电路层12的各小电路层12S中的第2层16与第1层15的接合面积的总和设为A1)，将第2层16的屈服强度设为σ1，将散热片20的厚度设为t2，将金属层13与散热片20的接合面积设为A2，将散热片20的屈服强度设为σ2时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)被设为0.85以上且1.40以下。

如此，该功率模块用基板单元56中，当比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为1.00、0.85以上且小于1.00及大于1.00且1.40以下时，与第1实施方式同样地，能够良好地构成以陶瓷基板11为中心的对称结构。

当如功率模块用基板单元56那样通过互相分离的多个小电路层12S形成电路层12时，与陶瓷基板11接合的电路层12与金属层13为不同形状，但它们的接合部分中，通过考虑第2层16的刚性(考虑厚度t1与接合面积A1相乘的体积的屈服强度)与散热片20的刚性(考虑厚度t2与接合面积A2相乘的体积的屈服强度)的对称性，能够可靠地防止翘曲的发生。

实施例

接着，对为了确认本发明的效果而进行的实施例进行说明。作为发明例1～18，准备厚度0.635mm的由AlN构成的陶瓷基板、厚度0.6mm的由4N-Al构成的第1层及金属层，并且对电路层的第2层及散热片，准备具有表1所示的厚度、接合面积、铝纯度及屈服强度的各物件。另外，散热片为平板状，整体的平面尺寸设为60mm×50mm。

通过第1实施方式至第5实施方式中叙述的各接合方法接合它们，制作了功率模块用基板单元。表1的实施方式(接合方法)表示以何种实施方式的制造方法制作各试样。并且，作为以往例1，制作了在第1实施方式中叙述的接合方法中没有接合电路层的第2层而没有形成第2层的功率模块用基板单元。

另外，关于表1的“比率”，当实施方式(接合方法)为1及5时表示(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)，当实施方式为2时表示(t1×A1×σ1+t3×A3×σ3)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)，当实施方式为3时表示(t1×A1×σ1+t3×A2×σ3)/(t2×A2×σ2)，当实施方式为4时表示(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2+t4×A4×σ4)。

然后，对得到的各试样，分别测量接合后的常温(25℃)下的翘曲量(初始翘曲)及280℃下加热时的翘曲量(加热时翘曲)。使用云纹式三维形状测量仪测量散热片背面的平面度的变化来评价翘曲量，并且将向电路层侧凸状翘曲的情形设为正的翘曲量(+)，将向电路层侧凹状翘曲的情形设为负的翘曲量(-)。将其结果示于表1中。

由表1可知，在电路层上没有层叠由纯度小于99.90质量％的铝板构成的第2层的以往例1中，确认到常温时及加热时的翘曲较大。与此相比，在电路层上层叠由纯度小于99.90质量％的铝板构成的第2层的发明例1～18中，确认到能够获得常温时及加热时的翘曲较小的功率模块用基板单元。

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以下的范围内的发明例1～14中，可知能够进一步缩小翘曲量。因此，即使该功率模块用基板单元在焊接半导体元件时或之后的使用环境下处于高温，翘曲的发生也较少，且能够长期维持可靠性。

另外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的精神的范围内可进行各种变更。例如，在上述各实施方式中，使用了平板状的散热片，但对金属层所接合的平板部，可使用设置有多个针状翅片或带状翅片形状的散热片。此时，平板部的厚度设为散热片的厚度t2。

产业上的可利用性

能够实现不仅与散热片接合后的初始翘曲较少，而且在半导体元件的安装工序时及使用环境下翘曲也较少的带散热片的功率模块用基板单元及功率模块。

符号说明

10 功率模块用基板单元

11 陶瓷基板

11S 小陶瓷基板

12 电路层

12S 小电路层

13 金属层

13S 小金属层

13a 金属层铝板

15 第1层

15a 第1层铝板

16 第2层

16a 第2层铝板

17 功率模块用基板

18 电路层

19 包覆板

20 散热片

30 半导体元件

40 钎料

41a 电路侧接合芯材

41b 散热侧接合芯材

42 钎料层

43a、43b 两面钎焊包覆材料

44 钎料层

45 钎料

50～56 功率模块用基板单元

60 接合体

110 加压装置