自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块及自带散热器的功率模块用基板 ...的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种具备在绝缘层（陶瓷基板）的一面配设有电路层并且在另一面配 设有金属层的功率模块用基板及接合于该功率模块用基板的散热器的自带散热器的功率 模块用基板、在该自带散热器的功率模块用基板上搭载有半导体元件的自带散热器的功率 模块、及自带散热器的功率模块用基板的制造方法。
[0002] 本申请基于2012年10月16日在日本申请的专利申请2012-228870号主张优选 权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] 在各种半导体元件中，为了控制电动车和电动车辆等而使用的大功率控制用的 功率元件由于发热量较多，因此作为搭载该功率元件的基板，一直W来广泛使用在例如由 A1N(氮化侣）等构成的陶瓷基板（绝缘层）的一面及另一面接合导电性优异的金属板作为 电路层及金属层的功率模块用基板。
[0004] 并且，该种功率模块用基板在其电路层上经由焊锡材料搭载作为功率元件的半导 体元件（电子部件），从而成为功率模块。并且，成为在金属层的下方接合散热器并使其进 行散热的结构。
[0005] W往，作为接合功率模块用基板和散热器的方法，例如在专利文献1中记载有使 润滑脂夹在功率模块用基板的金属层与散热器之间并通过紧固进行接合的方法。并且，在 专利文献2中记载有经由焊锡来接合功率模块用基板的金属层和散热器的方法。
[0006] 专利文献1 ;日本专利公开2004-288828号公报
[0007] 专利文献2 ;日本专利公开2009-224571号公报
[000引然而，如专利文献1及专利文献2所示，当经由润滑脂或焊锡来接合金属层和散热 器时，与金属层和散热器相比，润滑脂和焊锡的热阻较大，因此在金属层与散热器的接合部 中，从电子部件（半导体元件）产生的热量的发散不充分而温度上升，有可能导致电子部件 的性能下降。尤其在使用润滑脂的情况下，在负荷热循环及功率循环时，有时润滑脂劣化或 者在润滑脂的内部形成空隙，从而产生在接合部中热阻进一步增大的问题。因此，在使用 电子部件时，要求使金属层与散热器的接合部的热阻下降而使来自电子部件的热量充分发 散。
【发明内容】
[0009] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种相互接合的金属层及散热 器中的一个由侣或侣合金构成且另一个由铜或铜合金构成时，能够减小金属层与散热器的 接合部的热阻来抑制电子部件的温度上升的自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的 功率模块、及自带散热器的功率模块用基板的制造方法。
[0010] (1)本发明的一方式的自带散热器的功率模块用基板具备；功率模块用基板，在 绝缘层的一面配设有电路层，且在所述绝缘层的另一面配设有金属层；及散热器，接合于所 述功率模块用基板的所述金属层，其中，所述金属层及所述散热器中的一个由侣或侣合金 构成，且另一个由铜或铜合金构成，所述金属层和所述散热器被固相扩散接合，在所述金属 层与所述散热器的接合界面形成有由化和A1构成的金属间化合物层，在由铜或铜合金构 成的所述金属层或所述散热器与所述金属间化合物层的界面，氧化物沿着所述界面W层状 分散。
[0011] 根据上述自带散热器的功率模块用基板，金属层及散热器中的一个由侣或侣合金 构成且另一个由铜或铜合金构成，该些金属层和散热器通过固相扩散接合来接合，因此与 经由润滑脂或焊锡来接合的情况相比，能够减小金属层与散热器的接合部的热阻。
[0012] 并且，金属层和散热器通过固相扩散接合来牢固接合，在热循环负荷时，可W抑制 在金属层与散热器的界面产生剥离，从而能够提高金属层与散热器的接合部的接合可靠 性。
[0013] 另外，由于金属层和散热器固相扩散接合，因此在金属层与散热器的接合部难W 形成间隙，使接合部的导热性变得良好，从而能够减小热阻。
[0014] 并且，当W低于所述侣或侣合金和所述铜或铜合金的共晶温度的温度保持并固相 扩散接合时，在金属层与散热器之间不会形成液相。因此，在金属层与散热器之间无法大量 生成侣与铜的化合物，从而能够提高金属层与散热器的接合部的接合可靠性。
[0015] 并且，在绝缘层的另一面配设有由变形阻力较小的侣或侣合金构成的金属层的情 况下，在热循环负荷时，金属层会吸收因绝缘层与散热器的热膨胀系数之差而产生的热应 力，因此能够抑制绝缘层产生破裂。
[0016] 并且，在绝缘层的另一面配设有由导热性优异的铜或铜合金构成的金属层的情况 下，能够将来自半导体元件的热量有效地传递至散热器侧。
[0017] 并且，由于散热器由导热性优异的铜或铜合金、或者侣或侣合金构成，因此能够提 高自带散热器的功率模块用基板的散热性。
[0018] 并且，由于在金属层与散热器的接合界面形成有由化和A1构成的金属间化合物 层，因此金属层或散热器中的A1 (侣原子）和散热器或金属层中的化（铜原子）充分相互 扩散，从而金属层和散热器会牢固接合。
[0019] 并且，由于在由铜或铜合金构成的金属层或散热器与金属间化合物层的接合界 面，氧化物沿着界面W层状分散，因此形成于由侣或侣合金构成的金属层或散热器的表面 上的氧化膜被破坏而充分进行固相扩散接合。
[0020] 另外，优选金属间化合物层成为多个金属间化合物沿着金属层与散热器的接合界 面而层压的结构。此时，能够抑制较脆的金属间化合物层大幅生长。并且，金属层或散热器 中的A1和散热器或金属层中的化相互扩散，由此适于各自的组成的金属间化合物从金属 层侧朝向散热器侧W层状形成，因此能够使接合界面附近的特性变得稳定。
[0021] 具体而言，在金属间化合物层中层压有0相、n2相、C2相该=种金属间化合物， 因此金属间化合物层内部的体积变动变小，从而可W抑制内部应变。
[0022] 在此，优选由铜或铜合金构成的金属层或散热器的平均晶体粒径设在50ymW上 200ymW下的范围内，由侣或侣合金构成的金属层或散热器的平均晶体粒径设为500ym W上。此时，由于金属层、散热器的平均晶体粒径设定为比较大，因此金属层、散热器中不会 积蓄超出所需程度的应变，疲劳特性变得良好。因此，在热循环负荷时，针对在功率模块用 基板与散热器之间产生的热应力的接合可靠性得到提高。
[0023] (2)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块具备；（1)所述的自带散热器的 功率模块用基板；及接合于所述电路层的一侧的半导体元件。
[0024] 根据上述自带散热器的功率模块，如上所述，金属层与散热器的接合部中的热阻 设为较小，因此能够将来自半导体元件的热量有效地传递至散热器侧。并且，由于散热器 由导热性优异的铜或铜合金、或者侣或侣合金构成，因此能够提高自带散热器的功率模块 用基板的散热性。并且，能够抑制半导体元件的温度上升，使半导体元件在规定的温度下工 作，从而能够提高工作的稳定性。
[0025] 并且，当在绝缘层的另一面配设有由变形阻力较小的侣或侣合金构成的金属层 时，能够抑制绝缘层的破裂来提高自带散热器的功率模块的可靠性。
[0026] 并且，当金属层由导热性优异的铜或铜合金构成时，能够将从半导体元件产生的 热量更有效地传递至散热器侧。并且，能够抑制半导体元件的温度上升来使半导体元件在 规定的温度下工作，从而能够提高工作的稳定性。
[0027] (3)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，所述带散热 器的功率模块用基板具备；功率模块用基板，在绝缘层的一面配设有电路层，且在所述绝缘 层的另一面配设有金属层；及散热器，接合于所述功率模块用基板的所述金属层，其中，由 侣或侣合金构成所述金属层及所述散热器中的一个，另一个由铜或铜合金构成，使所述金 属层和所述散热器固相扩散接合，由此，在所述金属层与所述散热器的接合界面形成由化 和A1构成的金属间化合物层，并且在由所述铜或铜合金构成的所述金属层或所述散热器 与所述金属间化合物层的界面，使氧化物沿着所述界面W层状分散。
[002引根据上述自带散热器的功率模块用基板的制造方法，成为金属层及散热器中的一 个由侣或侣合金构成且另一个由铜或铜合金构成，并且将所述金属层和所述散热器通过固 相扩散接合来接合的结构，因此与经由润滑脂或焊锡来接合的情况相比，能够得到一种金 属层与散热器的接合部中的热阻较小的自带散热器的功率模块用基板。