自带散热器的功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板的制造方法
【专利摘要】本发明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；及散热器，被接合在该功率模块用基板的另一面侧，其中所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面分别由铝或铝合金构成，在所述散热器与所述功率模块用基板的接合界面形成有接合层(50)，该接合层(50)通过包含Mg的含Mg化合物(52)分散在Al-Si共晶组织中而成，其中，该含Mg化合物不包含MgO，接合层(50)的厚度t被设在5μm以上80μm以下的范围内。
【专利说明】自带散热器的功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种散热器的接合面及功率模块用基板的接合面分别由铝或铝合金构成的自带散热器的功率模块用基板、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3月30日在日本申请的专利申请2012-083247号主张优先权，将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003]作为上述自带散热器的功率模块用基板，例如提出专利文献I?3中公开的基板。
[0004]专利文献1、2中记载的自带散热器的功率模块用基板中，功率模块用基板与由铝构成的散热器通过使用Al-Si系钎料的钎焊来接合，所述功率模块用基板通过在由AlN (氮化铝)构成的陶瓷基板的两面接合Al(铝)的金属板(电路层及金属层)而成。
[0005]并且，在专利文献3中示出的半导体模块的冷却装置中，还提出在由陶瓷材构成的绝缘基板的两面接合有Al (铝)的金属板(上部电极及下部电极)，半导体元件接合于上部电极的半导体模块与由铝构成的冷却器的顶板通过使用焊剂的钎焊来接合。
[0006]使用该焊剂的钎焊主要为使铝部件彼此接合的技术，例如将Al-Si系钎料箔及焊剂配置在铝部件彼此之间，通过焊剂去除在铝部件的表面上形成的氧化膜，并且促进钎料的熔融而进行接合。
[0007]专利文献1:日本专利公开2010-093225号公报
[0008]专利文献2:日本专利公开2009-135392号公报
[0009]专利文献3:日本专利公开2009-105166号公报
[0010]在此，铝部件中，由于在其表面上形成铝的氧化被膜，因此若单纯进行钎焊，无法良好地接合。
[0011]因此，专利文献1、2中，通过使用真空炉来在真空气氛中进行钎焊，由此抑制铝的氧化被膜的影响，而使铝部件彼此接合。
[0012]然而，当进行钎焊时的真空度低的情况下，无法充分地抑制氧化被膜的影响而有可能使接合可靠性变差。若欲提高真空度，则存在需要大量的时间和劳力，而无法有效地进行钎焊，并且成本大幅增加之类的问题。
[0013]另一方面，专利文献3中，由于通过焊剂来去除铝的氧化被膜来使铝部件彼此接合，因此无需在真空气氛中进行钎焊，而能够在氮气等非氧化气氛中以常压条件进行钎焊。
[0014]然而，因使用焊剂而存在钎焊作业变得复杂的问题。并且，如上所述，在接合功率模块用基板和散热器时使用焊剂的情况下，焊剂成分的一部分会挥发而侵入功率模块用基板的陶瓷基板与金属板的接合界面等，有可能使陶瓷基板与金属板之间的接合可靠性下降。
【发明内容】
[0015]本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种无需使用焊剂而在常压条件下进行牢固地钎焊而成的自带散热器的功率模块用基板、及自带散热器的功率模块用基板的制造方法。
[0016]为了解决以上课题并达到所述目的，本发明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；及散热器，被接合在该功率模块用基板的另一面侧，其中，所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面分别由铝或铝合金构成，在所述散热器与所述功率模块用基板的接合界面形成有接合层，该接合层通过包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶组织中而成，所述接合层的厚度被设在5μπι以上80 μ m以下的范围内。
[0017]根据该结构的自带散热器的功率模块用基板，通过形成有包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶组织中而成的接合层，所述接合层的厚度被设在5 μ m以上80 μ m以下的范围内，因此散热器和功率模块用基板被牢固地接合。即，由于分散在Al-Si共晶组织中的含Mg化合物通过铝的氧化物与Mg进行反应而生成，因此可去除在散热器的接合面及功率模块用基板的接合面形成的铝的氧化被膜，从而散热器与功率模块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共晶组织中的接合层厚度小于5 μ m时，无法充分去除在散热器的接合面及功率模块用基板的接合面形成的铝的氧化被膜，从而有可能无法牢固地接合散热器和功率模块用基板。另一方面，若所述接合层的厚度大于80 μ m时，有可能在接合层内部发生龟裂等。
[0019]因此，将包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶组织中的接合层的厚度规定在5μπι以上80μπι以下的范围内。
[0020]在此，所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面中的至少一面由含有Mg的含Mg铝合金构成，也可以在由所述含Mg铝合金构成的接合面的界面附近，形成有含Mg化合物的存在比率减少的Mg减少区域。
[0021]此时，在所述散热器的接合面及所述功率模块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发挥作用，与在所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面形成的铝的氧化被膜进行反应而成为含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共晶组织中的接合层。而且，在由所述含Mg铝合金构成的接合面的界面附近形成有含Mg化合物的存在比率减少的Mg减少区域，因此在该Mg减少区域中，变形阻力下降，而作为应力松弛层发挥作用。
[0022]并且，所述接合层中的MgO的含量优选设为20面积％以下。
[0023]由于进行冷热循环荷载时MgO成为发生龟裂的起始点，因此不优选。而且，MgO本身较大生长，会阻碍钎焊。因此，所述接合层中的MgO的含量优选抑制在20面积％以下。
[0024]另外，分散在所述接合层的含Mg化合物优选包含MgSi系化合物或MgAlO系化合物。
[0025]MgSi系化合物及MgAlO系化合物通过Mg与铝的氧化物进行反应而生成，由于分散成微细的颗粒状，因此能够可靠地去除在所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面形成的铝的氧化被膜，从而散热器与功率模块用基板被牢固地接合，提供接合可靠性优异的自带散热器的功率模块用基板。
[0026]本发明的自带散热器的功率模块用基板的制造方法中，该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；及散热器，被接合在该功率模块用基板的另一面侧，其中，所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面分别由铝或铝合金构成，在所述散热器与所述功率模块用基板的接合界面夹有Al-Si系钎料和Mg，层叠所述散热器和所述功率模块用基板，在向层叠方向对所述散热器和所述功率模块用基板进行加压的状态下，在非氧化气氛中以常压实施钎焊，在所述散热器和所述功率模块用基板的接合界面之间形成接合层，该接合层通过包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶组织中而成，所述接合层的厚度被设在5 μ m以上80 μ m以下的范围内。
[0027]根据被设为这种构成的本发明的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，在所述散热器与所述功率模块用基板的接合界面夹有Al-Si系钎料和Mg，因此无需使用焊剂而在常压条件下进行钎焊，也能够去除在所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面上形成的氧化被膜，并能够可靠地接合所述散热器与所述功率模块用基板。
[0028]并且，由于层叠所述散热器和所述功率模块用基板，并在向层叠方向加压的状态下实施钎焊，因此能够使所述散热器与所述功率模块用基板进行面接触，并能够抑制存在于接合界面的Mg挥发而逸散在气氛中，能够形成包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶组织中而成的接合层。另外，在气氛中挥发的Mg有可能与氧反应而成为MgO而阻碍接合，因此需要抑制Mg的挥发。
[0029]根据本发明，能够提供一种无需使用焊剂而在常压条件下进行牢固地钎焊而成的自带散热器的功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板的制造方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是表示本发明的第I实施方式的自带散热器的功率模块用基板的示意说明图。
[0031]图2是图1中的金属层与散热器的接合部的放大说明图。
[0032]图3是表示图1的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
[0033]图4是本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板的示意说明图。
[0034]图5是图4中的金属层与散热器的接合部的放大说明图。
[0035]图6是表示图4的自带散热器的功率模块用基板的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
[0036]以下，参考附图对本发明的实施方式的自带散热器的功率模块用基板进行说明。
[0037]图1中，示出了使用本发明的第I实施方式的自带散热器的功率模块用基板的功率模块。
[0038]该功率模块I具备自带散热器的功率模块用基板40、及经由焊料层2在该自带散热器的功率模块用基板40的一侧(图1中为上侧)的面接合的半导体元件(电子部件)3。
[0039]在此，焊料层2例如被设为Sn-Ag系、Sn-1n系或Sn-Ag-Cu系的焊料材。
[0040]自带散热器的功率模块用基板40具备功率模块用基板10、及冷却功率模块用基板10的散热器41。
[0041]功率模块用基板10具备绝缘基板11、配设在该绝缘基板11的一面的(图1中为上表面)的电路层12、及配设在绝缘基板11的另一面(图1中为下表面)的金属层13。
[0042]绝缘基板11为防止电路层12与金属层13之间的电连接的基板，且例如由A1N(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、A1203(氧化铝)等绝缘性较高的陶瓷构成，本实施方式中由Al2O3 (氧化铝)构成。并且，绝缘基板11的厚度被设定在0.2mm以上1.5mm以下的范围内，本实施方式中被设定为0.635mm。
[0043]电路层12通过由铜或铜合金构成的铜板在绝缘基板11的一面接合来形成。本实施方式中，作为构成电路层12的铜板，使用韧铜的轧制板。在该电路层12形成有电路图案，其另一面(图1中为上表面)被设为搭载半导体元件3的搭载面。
[0044]金属层13通过由铝或铝合金构成的铝板23在绝缘基板11的另一面接合而形成。本实施方式中，作为构成金属层13的铝板，使用纯度为99.99%以上的铝(所谓的4N铝)的轧制板。
[0045]本实施方式中的散热器41具备与功率模块用基板10接合的顶板部42、及层叠配置在该顶板部42的冷却部件43。在冷却部件43的内部形成有使冷却介质流通的通道44。
[0046]在此，顶板部42与冷却部件43被设为通过固定螺钉45来连结的结构。因此，顶板部42需要确保刚性，以便即使拧入固定螺钉45也不会轻松地变形。因此，本实施方式中散热器41的顶板部42由0.2%屈服强度为100N/mm2以上的金属材料构成，并将其厚度设为2mm以上。
[0047]具体而言，与功率模块用基板10接合的顶板部42由含有Mg的含Mg铝合金构成，本实施方式中，顶板部42由A6063合金(Mg为0.45质量％以上0.9质量％以下的铝合金)构成。在含有Mg的含Mg铝合金中，Mg含量优选0.2质量％以上2.5质量％以下，更优选0.5质量％以上1.5质量％以下。
[0048]并且，如图2所示，在由4N铝构成的金属层13与由A6063合金构成的顶板部42之间形成有接合层50。该接合层50被设为包含Mg的含Mg化合物52分散在由Al-Si共晶组织构成的母相51的内部的结构。在此，接合层50的厚度t被设在5ym<t<80ym的范围内。
[0049]另外，通过实施截面观察并进行对位而使接合层50成为水平来测定接合层50的面积A,用接合层50的水平方向长度L除该面积A,由此计算接合层50的厚度t。
[0050]在该接合层50中，MgO的含量被设为20面积％以下，本实施方式中被设为10面积％以下。
[0051]并且，分散在接合层50的含Mg化合物52含有MgSi系化合物或MgAlO系化合物。作为MgSi系化合物，具体而言可以举出Mg2Si等，作为MgAlO系化合物，具体而言可以举出MgAl2O4 等。
[0052]在此，顶板部42由含有Mg的A6063合金构成，因此包含Mg的含Mg化合物48分散在顶板部42中。而且，在顶板部42中的接合层50的附近部分形成有该含Mg化合物48的存在比率减少的Mg减少区域49。Mg减少区域49的Mg浓度优选O?0.5质量％，更优选0.1?0.3质量％。
[0053]接着参考图3的流程图对该自带散热器的功率模块用基板40的制造方法进行说明。
[0054]首先，接合作为电路层12的铜板与绝缘基板11 (电路层形成工序S01)。在此，绝缘基板11由Al2O3构成，因此通过利用铜和氧的共晶反应的DBC法来接合铜板与绝缘基板
11。具体而言，使由韧铜构成的铜板与绝缘基板11接触，在氮气气氛中以1075°C加热10分钟，由此接合铜板与绝缘基板11。
[0055]接着，将作为金属层13的铝板接合于绝缘基板11的另一面侧(金属层形成工序S02)。
[0056]通过溅射将添加元素(S1、Cu、Zn、Mg、Ge、Ca、Li中的任一种或两种以上)固定在铝板的与绝缘基板11的接合面而形成固定层。在此，固定层中的添加元素量被设定在0.01mg/cm2以上10mg/cm2以下的范围内，本实施方式中，作为添加元素使用Cu,固定层中的Cu量被设定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下。
[0057]将该铝板层叠在绝缘基板11的另一面侧，在向层叠方向加压(压力I?35kgf/cm2)的状态下，装入真空加热炉内并进行加热。在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力被设定在10_3?10_6Pa的范围内，加热温度被设定在550°C以上650°C以下的范围内。于是，通过固定层的添加元素(Cu)扩散到铝板侧，使铝板的固定层附近的添加元素的浓度(Cu浓度)上升而熔点下降，从而在铝板与绝缘基板11的界面形成熔融金属区域。
[0058]接着，在形成熔融金属区域的状态下，将温度保持一定。于是，熔融金属区域中的Cu进一步扩散到铝板侧。由此，作为熔融金属区域的部分的Cu浓度逐渐下降而熔点上升，在温度保持一定的状态下进行凝固。由此，使绝缘基板11与铝板接合。即，绝缘基板11与招板(金属层13)通过所谓的扩散接合(Transient Liquid Phase Diffus1n Bonding)来接合。而且，在进行凝固之后，冷却至常温。
[0059]由此，制造出功率模块用基板10。
[0060]接着，接合功率模块用基板10的金属层13与散热器41的顶板部42 (散热器接合工序S03) ο
[0061]首先，在功率模块用基板10的金属层13与顶板部42之间夹有Al-Si系钎料，层叠功率模块用基板10和顶板部42 (层叠工序S31)。在此，本实施方式中，使用如下Al-Si系钎料箔:Si的含量为5.5质量％以上11.0质量％以下、Al的含量为89.0质量％以上94.5质量％以下(不含Mg)、厚度为5 μ m以上100 μ m以下。
[0062]在向层叠方向对功率模块用基板10及顶板部42进行加压(0.0OlMPa?0.5MPa)的状态下，装入被设为非氧化气氛的气氛炉内并进行加热(加热工序S32)。在此，本实施方式中，将气氛加热炉内设为氮气气氛，将氧分压设为120ppm以下，将炉内压力设为常压。并且，加热温度被设为590°C以上630°C以下。于是，在金属层13与顶板部42的接合界面使钎料箔、金属层13的一部分及顶板部42的一部分熔融，由此形成熔融金属区域。
[0063]此时，分散在顶板部42的接合界面附近的含Mg化合物48中的Mg在接合界面发挥作用，在顶板部42的接合面及金属层13的接合面形成的铝的氧化被膜与Mg进行反应而被去除。
[0064]并且，通过使气氛炉的炉内温度下降，使在金属层13与顶板部42的接合界面形成的熔融金属区域凝固，而接合金属层13与顶板部42 (熔融金属凝固工序S33)。此时，在金属层13与顶板部42的接合界面形成有以Al-Si共晶组织为母相51的接合层50。并且，在该接合层50的内部分散有铝的氧化被膜与Mg进行反应而生成的含Mg化合物(本实施方式中为MgAlO系化合物)。
[0065]另外，通过分散在顶板部42的接合界面附近的含Mg化合物48作用于接合界面，在顶板部42的接合界面附近形成有含Mg化合物的存在比率减少的Mg减少区域49。
[0066]由此，制造出本实施方式的自带散热器的功率模块用基板40。
[0067]根据本实施方式的自带散热器的功率模块用基板40，在由4N铝构成的金属层13与由A6063合金构成的顶板部42的接合界面，形成有以Al-Si共晶组织为母相51且含Mg化合物52分散在该母相51内的结构的接合层50，该接合层50的厚度被设在5μπι以上80 μ m以下的范围内，因此能够去除在金属层13的接合面与顶板部42的接合面形成的铝的氧化被膜，从而牢固地接合金属层13与顶板部42。因此，能够构成功率模块用基板10与散热器41的接合可靠性优异的自带散热器的功率模块用基板40。
[0068]并且，接合层50中的MgO的含量被设为20面积％以下，因此进行冷热循环荷载时，接合层50中的龟裂的发生得到抑制，并且能够良好地进行钎焊，功率模块用基板10与散热器41的接合可靠性会大幅提高。尤其，在本实施方式中，将接合层50中的MgO含量设为10面积％以下，因此能够可靠地提高功率模块用基板10与散热器41的接合可靠性。
[0069]另外，分散在接合层50的母相51中的含Mg化合物52被设为MgSi系化合物、MgAlO系，因此能够在接合层50内以微细的颗粒状分散，可靠地且牢固地接合功率模块用基板10与散热器41。
[0070]并且，顶板部42由含有Mg的A6063合金构成，在顶板部42中的接合层50的附近部分形成有含Mg化合物48的存在比率减少的Mg减少区域49，因此该Mg减少区域49的变形阻力下降，从而作为应力松弛层发挥作用。因此，能够通过该Mg减少区域49的变形来使由散热器41与绝缘基板11的热膨胀系数之差引起的热应力松弛，能够防止绝缘基板11的破裂。
[0071]并且，根据本实施方式的自带散热器的功率模块用基板40的制造方法，在氮气气氛、氧分压为120ppm以下、常压条件下，使功率模块用基板10与散热器41接合，因此能够有效地且低成本制造出接合可靠性优异的自带散热器的功率模块用基板40。
[0072]另外，由于未使用焊剂，当接合功率模块用基板10与散热器41时，对电路层12与绝缘基板11的接合界面及绝缘基板11与金属层13的接合界面的影响较小，能够防止电路层12与绝缘基板11及绝缘基板11与金属层13的接合可靠性的劣化。
[0073]并且，向层叠方向对功率模块用基板10及顶板部42进行加压(0.0OlMPa?0.5MPa)的状态下，通过装入被设为非氧化气氛的气氛炉内并进行加热来进行钎焊，因此能够使功率模块用基板10与顶板部42进行面接触，从而能够抑制存在于接合界面的Mg挥发而逸散在气氛中，能够形成包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶组织中的接合层50。
[0074]以下，对本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板进行说明。图4中示出使用本发明的第2实施方式的自带散热器的功率模块用基板的功率模块。
[0075]该功率模块101具备自带散热器的功率模块用基板140、及经由焊料层2在该自带散热器的功率模块用基板140的一侧(图4中为上侧)的面接合的半导体元件(电子部件)3。
[0076]在此，焊料层2例如被设为Sn-Ag系、Sn-1n系或Sn-Ag-Cu系的焊料材。
[0077]自带散热器的功率模块用基板140具备功率模块用基板110、及对功率模块用基板110进行冷却的散热器141。
[0078]功率模块用基板110具备绝缘基板111、配设在该绝缘基板111的一面(图4中为上表面)的电路层112、及配设在绝缘基板111的另一面(图4中为下表面)的金属层113。
[0079]绝缘基板111为防止电路层112与金属层113之间的电连接的基板，且例如由AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、A1203(氧化铝)等绝缘性较高的陶瓷构成，本实施方式中由绝缘性较高的AlN (氮化铝)构成。并且，绝缘基板111的厚度被设定在0.2mm以上1.5mm以下的范围内，本实施方式中被设定为0.635mm。
[0080]电路层112通过由铝或铝合金构成的铝板在绝缘基板111的一面接合来形成。本实施方式中，作为构成电路层112的铝板，使用纯度为99.99%以上的铝(所谓的4N铝)的轧制板。在该电路层112形成有电路图案，其另一面(图4中为上表面)被设为搭载半导体元件3的搭载面。
[0081]金属层113通过由铝或铝合金构成的铝板在绝缘基板111的另一面接合而形成。本实施方式中，作为构成金属层113的铝板，使用纯度为99.99%以上的铝(所谓的4N铝)的轧制板。
[0082]本实施方式中的散热器141具备与功率模块用基板110接合的顶板部142、及使冷却介质(例如冷却水)流通的通道144。
[0083]在此，散热器141 (顶板部142)优选由导热性良好的材质构成，并且需要确保作为结构材的刚性。因此，本实施方式中，散热器141的顶板部142由A3003(铝合金)构成。
[0084]并且，如图5所示，在由4N铝构成的金属层113与由A3003合金构成的顶板部142之间形成有接合层150。该接合层150被设为包含Mg的含Mg化合物152分散在由Al-Si共晶组织构成的母相151的内部的结构。在此，接合层150的厚度t被设为5ym<t<80ym的范围内。
[0085]另外，通过实施截面观察并进行对位而使接合层150成为水平来测定接合层150的面积A，用接合层150的水平方向长度L除该面积A，由此计算接合层150的厚度t。
[0086]在该接合层150中，MgO的含量被设为20面积％以下，本实施方式中被设为10面积％以下。
[0087]并且，分散在接合层150的含Mg化合物152含有MgSi系化合物或MgAlO系化合物。作为MgSi系化合物,具体而言可以举出Mg2Si等,作为MgAlO系化合物,具体而言可以举出MgAl2O4等。
[0088]接着，参考图6的流程图对该自带散热器的功率模块用基板140的制造方法进行说明。
[0089]首先，接合作为电路层112的铝板与绝缘基板111 (电路层形成工序S101)。并且接合作为金属层113的铝板与绝缘基板111 (金属层形成工序S102)。本实施方式中，同时实施这些电路形成工序SlOl及金属层形成工序S102。
[0090]通过网版印刷向绝缘基板111的一面及另一面涂布包含添加元素(S1、Cu、Zn、Mg、Ge、Ca、Li中的任一种或两种以上)的糊膏并使其干燥，由此形成固定层。
[0091]在此，本实施方式中，作为添加元素使用Ag。所使用的Ag糊膏含有Ag粉末、树脂、溶剂及分散剂，Ag粉末的含量被设为总Ag糊骨的60质量％以上90质量％以下,剩余部分为树脂、溶剂及分散剂。另外，本实施方式中，Ag粉末的含量被设为总Ag糊膏的85质量％。
[0092]接着，层叠作为电路层112的铝板、绝缘基板111及作为金属层113的铝板，在向层叠方向加压(压力I?35kgf/cm2)的状态下，装入真空加热炉内并进行加热。在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力被设定在10_3?10_6Pa的范围内，加热温度被设定在550°C以上650°C以下的范围内。于是，通过固定层的添加元素(Ag)扩散到铝板侧，由此铝板的固定层附近的添加元素的浓度(Ag浓度)上升而熔点下降，从而在铝板与绝缘基板111的界面分别形成熔融金属区域。
[0093]接着，在形成熔融金属区域的状态下，温度保持一定。于是，熔融金属区域中的Ag进一步扩散到铝板侧。由此，作为熔融金属区域的部分的Ag浓度逐渐下降而熔点上升，在温度保持一定的状态下进行凝固。由此，使绝缘基板111与铝板接合。即，电路层112与绝缘基板111、及绝缘基板111与金属层113通过所谓的扩散接合(Transient Liquid PhaseDiffus1n Bonding)来接合。而且，在进行凝固之后，冷却至常温。
[0094]由此，制造出功率模块用基板110。
[0095]接着，接合功率模块用基板110的金属层113与散热器141 (散热器接合工序S103)。
[0096]首先，在功率模块用基板110的金属层113与散热器141之间夹有Al-Si系钎料，层叠功率模块用基板110与散热器141 (层叠工序S131)。在此，本实施方式中，使用如下Al-Si系钎料箔:Si的含量为5.5质量％以上11.0质量％以下、Al的含量为86.5质量％以上94.4质量％以下、厚度为5μπι以上100 μ m以下。并且，在该钎料箔中以0.1质量％以上2.5质量％以下的范围内含有Mg。
[0097]在向层叠方向对功率模块用基板110及散热器141进行加压(0.0OlMPa?0.5MPa)的状态下，装入被设为非氧化气氛的气氛炉内并进行加热(加热工序S132)。在此，本实施方式中，将气氛加热炉内设为氮气气氛，将氧分压设为120ppm以下。并且,将炉内压力设为常压。并且，加热温度被设为590°C以上630°C以下。于是，在金属层113与散热器141的接合界面使钎料箔、金属层113的一部分及散热器141的一部分熔融，由此形成熔融金属区域。
[0098]此时，在散热器141的接合面及金属层13的接合面形成的铝的氧化被膜通过与钎料箔所含有的Mg进行反应而被去除。
[0099]并且，通过使气氛炉的炉内温度下降，使在金属层113与散热器141的接合界面形成的熔融金属区域凝固，从而接合金属层113与散热器141 (凝固工序S133)。此时，在金属层113与散热器141的接合界面形成有以Al-Si共晶组织为母相151的接合层150。并且，在该接合层150的内部分散有铝的氧化被膜与Mg进行反应而生成的含Mg化合物152 (本实施方式中为MgAlO系化合物)。
[0100]由此，制造出本实施方式的自带散热器的功率模块用基板140。
[0101]根据利用本实施方式的铝部件的接合结构的自带散热器的功率模块用基板140，在由4N铝构成的金属层113与由A3003合金构成的散热器141的接合界面，形成有以Al-Si共晶组织为母相151且含Mg化合物152分散在该母相151内的结构的接合层150，该接合层150的厚度被设在5 μ m以上80 μ m以下的范围内，因此能够去除在金属层113的接合面及散热器141的接合面形成的铝的氧化被膜，从而牢固地接合金属层113与散热器141。因此，能够构成功率模块用基板110与散热器141的接合可靠性优异的自带散热器的功率模块用基板140。
[0102]并且，由于在钎料箔内含有Mg，因此能够经由接合层150接合由不含有Mg的铝或铝合金构成的金属层113 (4N铝)与散热器141 (A3003合金)，所述接合层150具有以Al-Si共晶组织为母相151且含Mg化合物152分散在该母相151内的结构。
[0103]并且，在向层叠方向对功率模块用基板110与散热器141进行加压(0.0OlMPa?
0.5MPa)的状态下，装入氧分压为120ppm以下的非氧化气氛的气氛炉内并进行加热来进行钎焊，因此能够使功率模块用基板110与散热器141进行面接触，抑制存在于接合界面的Mg挥发而逸散于气氛中，能够形成包含Mg的含Mg化合物(除MgO以外)分散在Al-Si共晶组织中的接合层150。
[0104]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内能够进行适当变更。
[0105]例如，散热器的结构及功率模块用基板的结构并未特别限定，只要是接合铝部件彼此的结构，则也可为其他结构的散热器及功率模块用基板。
[0106]并且，本实施方式中，对于构成金属层的铝板作为纯度99.99%的纯铝的轧制板进行了说明，但并不限定于此，也可为纯度99%的铝(2N铝)。
[0107]另外，对使用由A1203、AlN构成的陶瓷板作为绝缘层的部件进行了说明，但并不限定于此，可以使用由Si3N4构成的陶瓷板，也可以通过绝缘树脂构成绝缘层。
[0108]实施例
[0109]以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
[0110]如表I所示，接合绝缘基板、作为电路层的铝板、及作为金属层的铝板，制作功率模块用基板。
[0111]作为电路层的铝板与绝缘基板、及绝缘基板与作为金属层的铝板的接合是在以下条件下实施。经由Al-?ο质量％ Si的钎料箔层叠作为电路层的铝板、绝缘基板、及作为金属层的铝板，且向层叠方向以5kgf/cm2进行加压的状态下，装入真空加热炉内，以650°C加热30分钟来使它们接合。
[0112]用于表I中的金属层的Al 100为Al纯度99 %以上的铝，A1050为Al纯度99.50 %以上的铝。
[0113]
【权利要求】
1.一种自带散热器的功率模块用基板，其特征在于，具备: 功率模块用基板，在绝缘层的一面配设有电路层；及 散热器，被接合在所述功率模块用基板的另一面侧， 所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面分别由铝或铝合金构成， 在所述散热器与所述功率模块用基板的接合界面形成有接合层，该接合层通过包含Mg的含Mg化合物分散在Al-Si共晶组织中而成，其中，该含Mg化合物不包含MgO， 所述接合层的厚度被设在5μπι以上80μπι以下的范围内。
2.根据权利要求1所述的自带散热器的功率模块用基板，其中， 所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面中的至少一面由含有Mg的含Mg招合金构成， 在由所述含Mg铝合金构成的接合面的接合界面附近，形成有含Mg化合物的存在比率减少的Mg减少区域。
3.根据权利要求1或2所述的自带散热器的功率模块用基板，其中， 所述接合层中的MgO的含量被设为20面积％以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的自带散热器的功率模块用基板，其中， 分散在所述接合层的含Mg化合物包含MgSi系化合物或MgAlO系化合物。
5.一种自带散热器的功率模块用基板的制造方法，该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；及散热器，被接合在该功率模块用基板的另一面侧，所述自带散热器的功率模块用基板的制造方法的特征在于， 所述散热器的接合面及所述功率模块用基板的接合面分别由铝或铝合金构成， 在所述散热器与所述功率模块用基板的接合界面夹有Al-Si系钎料和Mg，层叠所述散热器和所述功率模块用基板， 向层叠方向对所述散热器和所述功率模块用基板进行加压的状态下，在非氧化气氛中以常压实施钎焊， 在所述散热器和所述功率模块用基板的接合界面形成接合层，该接合层通过包含Mg的含Mg化合物分散在Al-Si共晶组织中而成，其中，该含Mg化合物不包含MgO，所述接合层的厚度被设在5 μ m以上80 μ m以下的范围内。
6.根据权利要求5所述的自带散热器的功率模块用基板的制造方法，其中， 当进行所述钎焊时，在0.0OlMPa以上0.5MPa以下的条件下，向层叠方向对所述散热器和所述功率模块用基板进行加压。
【文档编号】H01L23/36GK104205324SQ201380016243
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月29日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】长友义幸, 石塚博弥, 长濑敏之, 黑光祥郎, 江户正和, 三宅秀幸 申请人:三菱综合材料株式会社