TWI683403B - 附有散熱片之電源模組用基板的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，其係構成金屬層之接合面的鋁材料及構成散熱片之接合面的鋁材料中的任一方為鋁之純度高的高純度鋁材料，另一方為鋁之純度低的低純度鋁材料，將前述高純度鋁材料與前述低純度鋁材料之Al以外的含有元素之濃度差設為1原子%以上，並將金屬層與散熱片進行固相擴散接合。

Description

附有散熱片之電源模組用基板的製造方法
本發明係關於附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，其係具備有絕緣層、形成於此絕緣層之其中一面的電路層、形成於前述絕緣層之另一面的金屬層、以及被配置於此金屬層之與前述絕緣層相反側之面的散熱片。
本申請案係根據2015年3月30日在日本申請之日本特願2015-069860號而主張優先權，並將其內容援用於此。
一般而言，為了控制風力發電、電動汽車、油電混合車等所使用的大電力控制用之功率半導體元件係發熱量為多。因此，作為搭載如此之功率半導體元件的基板，以往廣泛使用有例如電源模組用基板，該電源模組用基板係具備有由AlN(氮化鋁)、Al2O3(氧化鋁)等所構成的陶瓷基板、形成於此陶瓷基板之其中一面的電路層、以及形成陶瓷基板之另一面的金屬層。
又，提供為了有效率地擴散由所搭載之半導體元件等所產生的熱，而將散熱片接合於金屬層側的附有散熱片之電源模組用基板。
例如，於專利文獻1中係揭示有一種附有散熱片之電源模組用基板，其係電源模組用基板之電路層及金屬層由鋁或鋁合金所構成，且散熱片由鋁或鋁合金所構成，將金屬層與散熱片藉由焊接或者硬焊接合作接合。
又，於專利文獻2中係揭示有一種附有散熱片之電源模組用基板，其係於陶瓷基板之其中一面及另一面形成由鋁所構成的電路層及金屬層，於金屬層與散熱片之間配置銅板，金屬層與銅板、銅板與散熱片係分別焊接。
再者，於專利文獻3中係揭示有於電源模組用基板之電路層及金屬層由鋁或鋁合金所構成，且散熱片由鋁或鋁合金所構成的附有散熱片之電源模組用基板中，於金屬層與散熱片之間介在由銅或銅合金所構成的接合材，將金屬層與接合材及接合材與散熱片分別進行固相擴散接合而成者。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本特開2008-016813號公報
〔專利文獻2〕日本特開2007-250638號公報
〔專利文獻3〕日本特開2014-060215號公報
另外，最近功率半導體元件等之高輸出化發展，成為對搭載其之附有散熱片之電源模組用基板負荷嚴峻的熱循環，而比以往更加要求有對於熱循環之接合可靠性優異的附有散熱片之電源模組用基板。
在此，於專利文獻1所記載的附有散熱片之電源模組用基板中，在將金屬層與散熱片進行焊接的情況，存在有於熱循環負荷時，在焊錫處產生龜裂而接合率降低的問題。
又，在將金屬層與散熱片進行硬焊接合的情況，恐有於熱循環負荷時，在陶瓷基板產生破裂之虞。
再者，於內部形成有冷卻介質之流路等之複雜的構造之散熱片中，有時係藉由固相線溫度較低的鋁鑄物合金所製造，但於如此之散熱片中，使用硬焊材料進行接合一事係為困難。
又，於專利文獻2所記載的附有散熱片之電源模組用基板中，由於是金屬層與銅板、銅板與散熱片分別進行焊接，因此仍舊存在有於熱循環負荷時，在焊錫處產生龜裂而接合率降低的問題。
再者，於專利文獻3所示之附有散熱片之電源模組用基板中，於金屬層與散熱片之間介在由銅或銅合金所構成的接合材，將金屬層與接合材及接合材與散熱片 分別進行固相擴散接合，而於金屬層與散熱片之接合界面形成金屬間化合物。此金屬間化合物係由於硬且脆，因此恐有於熱循環負荷時發生龜裂等之虞。
本發明係鑑於前述之情事而完成者，其目的在於提供一種可製造附有散熱片之電源模組用基板的附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，該附有散熱片之電源模組用基板係即使在負荷熱循環的情況亦可對在接合界面產生龜裂等一事作抑制。
為了解決如此之課題而達成前述目的，本發明之一樣態之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法係具備有絕緣層、形成於此絕緣層之其中一面的電路層、形成於前述絕緣層之另一面的金屬層、以及被配置於此金屬層之與前述絕緣層相反側之面的散熱片之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，其特徵為，前述金屬層中與前述散熱片之接合面、及前述散熱片中與前述金屬層之接合面係以鋁或鋁合金所成之鋁材料所構成，構成前述金屬層之接合面的鋁材料及構成前述散熱片之接合面的鋁材料中的任一方為鋁之純度高的高純度鋁材料，另一方為鋁之純度低的低純度鋁材料，將前述高純度鋁材料與前述低純度鋁材料之Al以外的含有元素之濃度差設為1原子%以上，將前述金屬層與前述散熱片進行固相擴散接合。
於此構成之附有散熱片電源模組用基板的製 造方法中，前述金屬層中與前述散熱片之接合面、及前述散熱片中與前述金屬層之接合面係以鋁或鋁合金所成之鋁材料所構成，將此等金屬層與散熱片進行固相擴散接合。通常，在使鋁材料彼此進行固相擴散的情況，由於鋁之自我擴散速度緩慢，因此為了得到強固的固相擴散接合係需要較長的時間，而在工業上無法實現。
在此，於本發明中，由於構成前述金屬層之接合面的鋁材料及構成前述散熱片之接合面的鋁材料中的任一方為鋁之純度高的高純度鋁材料，另一方為鋁之純度低的低純度鋁材料，將前述高純度鋁材料與前述低純度鋁材料之Al以外的含有元素之濃度差設為1原子%以上，因此藉由Al以外之含有元素從前述低純度鋁材料側朝前述高純度鋁材料側擴散，而促進鋁之自我擴散，成為能夠以較短時間將金屬層與散熱片確實地進行固相擴散接合。
並且，由於如此般散熱片與金屬層被固相擴散接合，因此即使在負荷熱循環的情況，也無在接合界面處產生龜裂等的疑慮，而可得到對於熱循環之接合可靠性優異的附有散熱片之電源模組用基板。
於本發明之一樣態之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法中，較佳為前述高純度鋁材料與前述低純度鋁材料係含有由Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中選出的1種或2種以上之元素作為Al以外之含有元素，且前述高純度鋁材料中之前述Al以外的含有元素之合計量與前述低純度鋁材料中之前述Al以外的含有元素 之合計量的差為1原子%以上。
於此情況中，Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr之元素係由於促進鋁之自我擴散的作用效果優異，因此成為能夠將均以鋁材料所構成的金屬層與散熱片以短時間確實地進行固相擴散接合。
又，於本發明之一樣態之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法中，較佳為前述低純度鋁材料係合計含有1原子%以上之由Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中選出的1種或2種以上之元素，並且Si之含量為15原子%以下、Cu之含量為10原子%以下、Mn之含量為2原子%以下、Fe之含量為1原子%以下、Mg之含量為5原子%以下、Zn之含量為10原子%以下、Ti之含量為1原子%以下及Cr之含量為1原子%以下。
於此情況中，由於純度低之低純度鋁材料係合計含有1原子%以上之由Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中選出的1種或2種以上之元素，因此藉由使此等元素朝高純度鋁材料側擴散，而促進鋁之自我擴散，成為能夠以較短時間將金屬層與散熱片確實地進行固相擴散接合。
另一方面，由於被限制成：Si之含量為15原子%以下、Cu之含量為10原子%以下、Mn之含量為2原子%以下、Fe之含量為1原子%以下、Mg之含量為5原子%以下、Zn之含量為10原子%以下、Ti之含量為1原子%以下及Cr之含量為1原子%以下，因此藉由此等之元素可 抑制接合界面硬達必要程度以上，而可確實地製造對於散熱片之接合可靠性優異的附有散熱片之電源模組用基板。
進而，於本發明之一樣態之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法中，較佳係作為下述構成：藉由將前述屬層與前述散熱片進行層合，以於層合方向負荷0.3MPa以上、3.0MPa以下之荷重的狀態，並在低純度鋁材料之固相線溫度(K)的90%以上、未達低純度鋁材料之固相線溫度的保持溫度下保持1小時以上，而將前述金屬層與前述散熱片進行固相擴散接合。
於此情況中，由於是採用以於層合方向負荷0.3MPa以上、3.0MPa以下之荷重的狀態，並在低純度鋁材料之固相線溫度(K)的90%以上、未達低純度鋁材料之固相線溫度的保持溫度下保持1小時以上之固相擴散接合條件，因此可促進鋁之擴散移動，而可將前述金屬層與前述散熱片確實地接合。
依據本發明，成為可提供一種可製造附有散熱片之電源模組用基板的附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，該附有散熱片之電源模組用基板係即使在負荷熱循環的情況亦可對在接合界面產生龜裂等一事作抑制。
1、101、201‧‧‧電源模組
10、110、210‧‧‧電源模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12、112、212‧‧‧電路層
13、113、213‧‧‧金屬層
30、130、230‧‧‧附有散熱片之電源模組用基板
31、131、231‧‧‧散熱片
〔第1圖〕係本發明之實施形態之附有散熱片之電源模組用基板及電源模組的概略說明圖。
〔第2圖〕係顯示附有散熱片之電源模組用基板的金屬層與散熱片之接合界面的觀察結果及分析結果的圖。
〔第3圖〕係顯示本發明之實施形態之附有散熱片之電源模組用基板及電源模組的製造方法的流程圖。
〔第4圖〕係顯示本發明之實施形態之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法的說明圖。
〔第5圖〕係本發明之另一實施形態之附有散熱片之電源模組用基板及電源模組的概略說明圖。
〔第6圖〕係本發明之另一實施形態之附有散熱片之電源模組用基板及電源模組的概略說明圖。
以下，針對本發明之實施形態，參照所附圖示進行說明。
第1圖係顯示本發明之一實施形態之附有散熱片之電源模組用基板30及電源模組1。
此電源模組1係具備有附有散熱片之電源模組用基板30、以及經由焊錫層2被接合於此附有散熱片之電源模組用基板30的其中一面(於第1圖中為上面)的半導體元件3。
在此，焊錫層2係為例如Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系之焊錫材料。
又，本實施形態之附有散熱片之電源模組用基板30係具備有電源模組用基板10、以及被接合於電源模組用基板10的散熱片31。
電源模組用基板10係具備有陶瓷基板11、被配設於此陶瓷基板11之其中一面(於第1圖中為上面)的電路層12、以及被配設於陶瓷基板11之另一面(於第1圖中為下面)的金屬層13。
陶瓷基板11係防止電路層12與金屬層13之間的電連接者，於本實施形態中係以絕緣性高的AlN(氮化鋁)所構成。在此，陶瓷基板11之厚度係設定在0.2mm以上、1.5mm以下之範圍內，於本實施形態中係設定為0.635mm。
電路層12係如第4圖所示般，藉由於陶瓷基板11之其中一面接合由鋁或鋁合金所構成的鋁板22所形成。於本實施形態中，作為構成電路層12之鋁板22係使用純度99mass%以上的2N鋁之壓延板。於此電路層12係形成有電路圖型，其中一面(於第1圖中為上面)係為搭載半導體元件3的搭載面。在此，電路層12(鋁板22)之厚度係設定在0.1mm以上、1.0mm以下之範圍內，於本實施形態中係設定為0.6mm。
金屬層13係如第4圖所示般，藉由於陶瓷基板11之另一面接合由鋁或鋁合金所構成的鋁板23所形成。於本實施形態中，作為構成金屬層13之鋁板23係使用純度99.99mass%以上的4N鋁之壓延板。在此，金屬層 13(鋁板23)之厚度係設定在0.1mm以上、6.0mm以下之範圍內，於本實施形態中係設定為2.0mm。
散熱片31係用以將電源模組用基板10側之熱進行擴散者，於本實施形態中係如第1圖所示般，設置有供冷卻介質流通的流路32。
此散熱片31係以使構成金屬層13之鋁(於本實施形態中係純度99.99mass%以上之4N鋁)與構成散熱片31之鋁合金之Al以外的含有元素之濃度差成為1原子%以上般的材料所構成。
更佳係由Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中選出的1種或2種以上之元素作為Al以外之含有元素。
再更佳係合計含有1原子%以上之由Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中選出的1種或2種以上之元素作為Al以外之含有元素，並且Si之含量為15原子%以下、Cu之含量為10原子%以下、Mn之含量為2原子%以下、Fe之含量為1原子%以下、Mg之含量為5原子%以下、Zn之含量為10原子%以下、Ti之含量為1原子%以下及Cr之含量為1原子%以下。
於本實施形態中，散熱片31係以依JIS H 2118：2006所規定的壓鑄用鋁合金之ADC12所構成。另外，此ADC12係包含Cu為1.5mass%以上、3.5mass%以下、Si為9.6mass%以上、12.0mass%以下之範圍的鋁合金。
並且，於本實施形態之附有散熱片之電源模組用基板30中，金屬層13與散熱片31係藉由固相擴散 接合所接合。亦即，於本實施形態中，由於金屬層13係以純度99.99mass%以上之4N鋁所構成，並且散熱片31係以壓鑄用鋁合金之ADC12所構成，因此在此等金屬層13與散熱片31，鋁的純度不同，金屬層13係以高純度鋁材料所構成，散熱片31係以低純度鋁材料所構成。
在此，將對於金屬層13與散熱片31之接合界面使用日本電子股份有限公司製JXA-8530F，並以SEM、EPMA所得之映像的觀察結果顯示於第2圖(a)~(c)。由第2圖(a)~(c)可確認於散熱片31中所包含之添加元素(Cu,Si)擴散至金屬層13側。另外，從接合界面往金屬層13側之擴散深度係Cu為10μm以上、Si為45μm以上。另外，Cu為25μm以上、Si為45μm以上亦可。
接著，針對上述之本實施形態之附有散熱片之電源模組用基板30的製造方法，參照第3圖及第4圖進行說明。
(鋁板接合步驟S01)
首先，如第4圖所示般，將成為電路層12之鋁板22及成為金屬層13之鋁板23與陶瓷基板11進行接合。於本實施形態中，將由2N鋁之壓延板所構成的鋁板22及由4N鋁之壓延板所構成的鋁板23與由AlN所構成的陶瓷基板11分別藉由Al-Si系硬焊材料24進行接合。
於此鋁板接合步驟S01中，首先，於陶瓷基 板11之其中一面與另一面，分別經由Al-Si系硬焊材料24來層合鋁板22、鋁板23(鋁板層合步驟S11)。
接著，藉由以對層合後的陶瓷基板11、鋁板22、鋁板23於層合方向負荷0.1MPa以上、3.5MPa以下之荷重的狀態，裝入真空或者氬環境之加熱爐內，在600℃以上、650℃以下保持0.5小時以上、3小時以下，而於陶瓷基板11與鋁板22、鋁板23之間形成熔融金屬區域(加熱步驟S12)。
其後，藉由進行冷卻而使熔融金屬區域凝固(凝固步驟S13)。以如此方式，將鋁板22與陶瓷基板11與鋁板23進行接合，而形成電路層12及金屬層13。藉此，製造本實施形態之電源模組用基板10。
(散熱片接合步驟S02)
接著，於電源模組用基板10之金屬層13的另一面(與陶瓷基板11之接合面相反側的面)接合散熱片31。
於此散熱片接合步驟S02中，首先，如第4圖所示般，於電源模組用基板10的另一面側層合散熱片31(散熱片層合步驟S21)。
以對此電源模組用基板10與散熱片31之層合體於層合方向負荷0.3MPa以上、3.0MPa以下之荷重的狀態，裝入真空加熱爐之中。
接著，在低純度鋁材料之固相線溫度(K)的90%以上、未達低純度鋁材料之固相線溫度的溫度下保持1小時 以上來進行固相擴散接合(固相擴散接合步驟S22)。另外，低純度鋁材料之固相線溫度(K)的90%係指以絕對溫度表示低純度鋁之固相線溫度時的90%之溫度。於本實施形態中，ADC12為低純度鋁材料，其固相線溫度為788K(515℃)。因而，加熱溫度係為固相線溫度的90%，亦即709.2K(436.2℃)以上、未達固相線溫度，亦即未達788K(515℃)。
於本實施形態中，金屬層13與散熱片31之接合面係在預先去除該面之損傷成為平滑之後，進行固相擴散接合。另外，於此時之金屬層13及散熱片31之各自的接合面之表面粗度被設定在以算術平均粗度Ra(JIS B 0601(1994))計為0.5μm以下之範圍內。
以如此方式，製造本實施形態之附有散熱片之電源模組用基板30。
(半導體元件接合步驟S03)
接著，於電源模組用基板10之電路層12的其中一面藉由焊接而接合半導體元件3。
藉由以上步驟，而製造出第1圖所示之電源模組1。
依據如以上般之構成的本實施形態之附有散熱片之電源模組用基板30的製造方法，由於構成金屬層13之鋁材料為純度99.99mass%以上之4N鋁，構成散熱片31之鋁材料為ADC12(Cu：1.5mass%以上、3.5mass%以下、Si：9.6mass%以上、12.0mass%以下)所構成，因 此於固相擴散接合時，散熱片31之Cu及Si會朝金屬層13側擴散，而促進鋁之自我擴散。藉此，成為能夠以較短時間將金屬層與散熱片確實地進行固相擴散接合。
接著，於本實施形態中，由於均以鋁材料所構成的金屬層13與散熱片31被固相擴散接合，因此如第2圖所示般，於散熱片31與金屬層13之接合界面並未形成異相。
因而，即使在負荷熱循環的情況，亦無在接合界面處產生龜裂的疑慮，而可製造對於熱循環之接合可靠性優異的附有散熱片之電源模組用基板30。
又，於本實施形態中，構成散熱片31之鋁材料為ADC12(Cu：1.5mass%以上、3.5mass%以下、Si：9.6mass%以上、12.0mass%以下)所構成，此等Cu及Si係促進鋁之自我擴散的作用效果優異，因此，成為可將均以鋁材料所構成的金屬層13與散熱片31以短時間確實地進行固相擴散接合。
進而，由於在構成散熱片31之鋁材料中，Si之含量為12.0mass%以下(11.6原子%以下(換算值))、Cu之含量為3.5mass%以下(1.5原子%以下(換算值))，因此藉由此等之元素而可抑制接合界面硬達必要程度以上，可確實地製造對於熱循環之接合可靠性優異的附有散熱片之電源模組用基板。
又，由於是藉由將金屬層13與散熱片31進行層合，以於層合方向負荷0.3MPa以上、3.0MPa以下之 荷重的狀態，並在低純度鋁材料之固相線溫度(K)的90%以上、未達低純度鋁材料之固相線溫度的保持溫度下保持1小時以上，將金屬層13與散熱片31進行固相擴散接合，因此可促進鋁之擴散移動，而可將金屬層13與散熱片31確實地接合。
於荷重為0.3MPa以上的情況，接合初期之接觸面積被充分確保，而可將金屬層13與散熱片31作良好地接合。又，於荷重為3.0MPa以下的情況，可抑制於金屬層13或散熱片31產生變形一事。
於保持溫度為低純度鋁材料之固相線溫度(K)的90%以上的情況，可確保充分的擴散速度，而可將金屬層13與散熱片31作良好地接合。於保持溫度為未達低純度鋁材料之固相線溫度的情況，由於無液相發生，且，可抑制於金屬層13或散熱片31產生變形一事，因此可將金屬層13與散熱片31確實地進行固相擴散接合。
於保持時間為1小時以上的情況，可充分進行固相擴散，而可將金屬層13與散熱片31良好地接合。
進而，於本實施形態中，由於將接合前之金屬層13及散熱片31之接合面的損傷去除，並且將其表面粗度設定在以算術平均粗度Ra(JIS B 0601(1994))計為0.5μm以下之範圍內，因此使金屬層13與散熱片31確實地接觸，而可促進鋁原子、及散熱片31之添加元素(Cu,Si)的擴散移動，而可將金屬層13與散熱片31確實地接合。
以上，雖針對本發明之實施形態進行說明，但本發明並不限定於此，在不脫離其發明之技術性思想的範圍內可適當變更。
例如，金屬層及散熱片之材質並受本實施形態所限定，只要構成金屬層之接合面的鋁材料及構成散熱片之接合面的鋁材料中的任一方為鋁之純度高的高純度鋁材料，另一方為鋁之純度低的低純度鋁材料，將高純度鋁材料與低純度鋁材料之Al以外的含有元素之濃度差設為1原子%以上即可。
具體而言，於本實施形態中，雖將金屬層作為以純度99.99mass%之4N鋁所構成者進行說明，但並不限定於此，亦可為以其他之純鋁或鋁合金所構成者。例如，亦可使用A1050或A1085等之純度99mass%以上之2N鋁。於此情況中，由於金屬層之初期的雜質濃度為高，因此接合溫度中之晶粒成長被抑制，而可期待晶界擴散，因此，成為可促進來自散熱片側之含有元素的擴散移動。
再者，於本實施形態中，雖將散熱片作為以ADC12所構成者進行說明，但並不限定於此，亦可為以其他之純鋁或A3003或A6063等之鋁合金所構成者。
又，亦可散熱片側為高純度鋁材料，金屬層側為低純度鋁材料所構成。
又，於本實施形態中，雖以金屬層全體為鋁或鋁合金所構成者進行說明，但並不限定於此，例如第5 圖所示般，只要金屬層中與散熱片之接合面為鋁或鋁合金所構成即可。於此第5圖所示之附有散熱片之電源模組用基板130及電源模組101中，金屬層113係為層合有銅層113A與鋁層113B的構造，將陶瓷基板11與銅層113A接合，並將鋁層113B與散熱片131固相擴散接合。另外，於第5圖中，電路層112亦為層合有銅層112A與鋁層112B的構造，於鋁層112B經由焊錫層2來接合半導體元件3。
相同地，於本實施形態中，雖以散熱片全體為鋁或鋁合金所構成者進行說明，但並不限定於此，例如第6圖所示般，只要散熱片中與金屬層之接合面為鋁或鋁合金所構成即可。於此第6圖所示之附有散熱片之電源模組用基板230及電源模組201中，散熱片231係為層合有由鋁或鋁合金所構成的鋁層231B與由銅或銅合金所構成的散熱片主體231A的構造，將金屬層213與鋁層231B(散熱片231)固相擴散接合。
又，於本實施形態中，雖將構成電路層之鋁板作為以純度為99mass%之2N鋁所構成者進行說明，但並不限定於此，亦可為由純度99.99mass%以上之純鋁、或其他之純鋁或鋁合金所構成者。
進而，於本發明中，電路層之構造並無限定，可適當進行設計變更。例如，可由銅或銅合金所構成，亦可如第5圖所示之附有散熱片電源模組用基板130及電源模組101般，電路層112為銅層112A與鋁層112B之層合構 造。
進而，於本實施形態中，雖將成為電路層及金屬層之鋁板與陶瓷基板作為使用Al-Si系硬焊材料來接合者進行說明，但並不限定於此，亦可使用過渡液相接合法(Transient Liquid Phase Bonding)、鑄造法、金屬黏貼法等進行接合。
又，於本實施形態中，雖將絕緣層作為以由AlN構成的陶瓷基板所構成者進行說明，但並不限定於此，亦可使用Si3N4或Al2O3等之其他的陶瓷基板。
再者，絕緣層、電路層、金屬層、散熱片的厚度並受本實施形態所限定，亦可適當進行設計變更。
〔實施例〕
針對為了確認本發明之有效性而進行的確認實驗進行說明。
按照第3圖之流程圖記載的順序，來製作本發明例及比較例之附有散熱片之電源模組用基板。
另外，陶瓷基板係使用以AlN所構成，且40mm×40mm、厚度0.635mm者。
電路層係藉由將純度99mass%以上之2N鋁之壓延板(37mm×37mm、厚度0.6mm)使用Al-7.5mass%Si硬焊材料來接合於陶瓷基板所形成。
金屬層係藉由將由表1所示之鋁材料所構成的壓延板(37mm×37mm、厚度0.6mm)使用Al-7.5mass%Si硬焊材 料來接合於陶瓷基板所形成。
散熱片係使用以表2記載之材質所構成，且50mm×50mm、厚度5mm者。
金屬層與散熱片之固相擴散接合係以表3所示之條件進行實施。
又，製作以下之附有散熱片之電源模組用基板作為以往例1至3。
藉由將成為電路層之2N鋁之壓延板(37mm×37mm、厚度0.6mm)與以AlN所構成之陶瓷基板(40mm×40mm、厚度0.635mm)與成為金屬層之4N鋁之壓延板(37mm×37mm、厚度0.6mm)，經由Al-7.5mass%Si硬焊材料進行層合，以於層合方向以5kgf/cm2加壓的狀態，裝入真空加熱爐內，以650℃進行加熱30分鐘而進行接合，製作出電源模組用基板。
並且，於以往例1中，將電源模組用基板與施加Ni鍍敷後的散熱片(A6063之壓延板、50mm×50mm、厚度5mm)，經由Sn-Ag-Cu焊錫進行接合。
於以往例2中，將電源模組用基板與散熱片(A6063之壓延板、50mm×50mm、厚度5mm)，經由Al-10mass%Si硬焊材料進行接合。
於以往例3中，將電源模組用基板與散熱片(A6063之壓延板、50mm×50mm、厚度5mm)，經由Cu箔(厚度：200μm)進行固相擴散接合。
(含有元素之擴散距離)
進行所得之本發明例的散熱片與金屬層之接合界面附近的剖面觀察，測定從低純度鋁材料側朝高純度鋁材料側之Al以外的含有元素之擴散距離。將評估結果顯示於表4。
含有元素之擴散距離係從低純度鋁材料與高純度鋁材料之接合界面朝向高純度鋁材料側進行以EPMA(日本電子股份有限公司製JXA-8530F)所致之線分析，測定距離與含有元素濃度，將含有元素濃度成為低純度鋁材料中所包含之含有元素的濃度之一半的距離作為擴散距離。
(熱循環試驗)
熱循環試驗係使用冷熱衝擊試驗機ESPEC公司製TSB-51，對於試驗片(附有散熱片之電源模組)，以液相(FLUORINERT)，實施4000次之在-40℃ 5分鐘與在150℃ 5分鐘之熱循環。
接著，將熱循環試驗前後之接合率以下述方式進行評估。又，目視評估熱循環試驗後之陶瓷破裂之有無。將評估結果顯示於表4。
(接合率)
金屬層與散熱片之接合率係使用超音波探傷裝置(Hitachi Power Solutions公司製FineSAT200)，並使用以下式子來求出。在此，初期接合面積係設為接合前之應 接合的面積(37mm平方)。於將超音波探傷影像作二值化處理後的影像中，剝離係以接合部內之白色部表示，因此，將此白色部的面積設為剝離面積。
(接合率(%))={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積)×100
Figure 105106329-A0202-12-0022-1
Figure 105106329-A0202-12-0023-2
Figure 105106329-A0202-12-0024-3
Figure 105106329-A0202-12-0025-4
於以往例1中，於熱循環試驗後接合率大幅降低。可推測此乃因熱循環而於焊錫層發生了龜裂之故。
於以往例2中，於熱循環試驗後接合率大幅降低，於陶瓷基板確認到破裂。
又，於將金屬層與散熱片以相同純度之鋁材料構成的比較例1-3中，在上述之固相擴散條件下無法將金屬層與散熱片進行接合。
相對於此，於本發明例中，任一者於熱循環 後接合率皆無大幅上昇，且，亦無確認到陶瓷破裂，而接合可靠性優異。
由以上內容，可確認依據本發明，可製造即使在負荷熱循環的情況亦可對在接合界面產生龜裂等一事作抑制的附有散熱片之電源模組用基板。
〔產業上之可利用性〕
依據本發明之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，成為能夠以較短時間將金屬層與散熱片確實地進行固相擴散接合。又，由於散熱片與金屬層被固相擴散接合，因此即使在負荷熱循環的情況，亦無在接合界面處產生龜裂等的疑慮，而可得到對於熱循環之接合可靠性優異的附有散熱片之電源模組用基板。
10‧‧‧電源模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
22‧‧‧鋁板
23‧‧‧鋁板
24‧‧‧Al-Si系硬焊材料
30‧‧‧附有散熱片之電源模組用基板
31‧‧‧散熱片

Claims (5)

  1. 一種附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，其係具備有絕緣層、形成於此絕緣層之其中一面的電路層、形成於前述絕緣層之另一面的金屬層、以及被配置於此金屬層之與前述絕緣層相反側之面的散熱片之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，前述金屬層中與前述散熱片之接合面、及前述散熱片中與前述金屬層之接合面係以鋁或鋁合金所成之鋁材料所構成，構成前述金屬層之接合面的鋁材料及構成前述散熱片之接合面的鋁材料中的任一方為鋁之純度高的高純度鋁材料，另一方為鋁之純度低的低純度鋁材料，將前述高純度鋁材料與前述低純度鋁材料之Al以外的含有元素之濃度差設為1原子%以上，將前述金屬層與前述散熱片進行固相擴散接合，Al以外之含有元素從前述低純度鋁材料側朝前述高純度鋁材料側擴散。
  2. 如請求項1之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，其中，前述高純度鋁材料與前述低純度鋁材料係含有由Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中選出的1種或2種以上之元素作為Al以外之含有元素，前述高純度鋁材料中之前述Al以外的含有元素之合計量與前述低純度鋁材料中之前述Al以外的含有元素之合計量的差為1原子%以上。
  3. 如請求項1之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，其中，前述低純度鋁材料係合計含有1原子%以上之由Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中選出的1種或2種以上之元素，並且Si之含量為15原子%以下、Cu之含量為10原子%以下、Mn之含量為2原子%以下、Fe之含量為1原子%以下、Mg之含量為5原子%以下、Zn之含量為10原子%以下、Ti之含量為1原子%以下及Cr之含量為1原子%以下。
  4. 如請求項2之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，其中，前述低純度鋁材料係合計含有1原子%以上之由Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Ti及Cr中選出的1種或2種以上之元素，並且Si之含量為15原子%以下、Cu之含量為10原子%以下、Mn之含量為2原子%以下、Fe之含量為1原子%以下、Mg之含量為5原子%以下、Zn之含量為10原子%以下、Ti之含量為1原子%以下及Cr之含量為1原子%以下。
  5. 如請求項1至4中任一項之附有散熱片之電源模組用基板的製造方法，其中，藉由將前述金屬層與前述散熱片進行層合，以於層合方向負荷0.3MPa以上、3.0MPa以下之荷重的狀態，並在前述低純度鋁材料之固相線溫度(K)的90%以上、未達前述低純度鋁材料之固相線溫度的保持溫度下保持1小時以上，而將前述金屬層與前述散熱片進行固相擴散接合。
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