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TWI493661B - 附散熱座功率模組用基板，及附散熱座功率模組用基板之製造方法 - Google Patents

附散熱座功率模組用基板，及附散熱座功率模組用基板之製造方法 Download PDF

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TWI493661B
TWI493661B TW102111535A TW102111535A TWI493661B TW I493661 B TWI493661 B TW I493661B TW 102111535 A TW102111535 A TW 102111535A TW 102111535 A TW102111535 A TW 102111535A TW I493661 B TWI493661 B TW I493661B
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TW
Taiwan
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heat sink
power module
substrate
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aluminum
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Application number
TW102111535A
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TW201405722A (zh
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長友義幸
石塚博
長瀬敏之
黑光祥郎
江戶正和
三宅秀幸
Original Assignee
三菱綜合材料股份有限公司
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Publication date
Application filed by 三菱綜合材料股份有限公司 filed Critical 三菱綜合材料股份有限公司
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Description

附散熱座功率模組用基板，及附散熱座功率模組用基板之製造方法
本發明係有關散熱座的接合面及功率模組用基板的接合面係分別由鋁或鋁合金所構成之附散熱座功率模組用基板，及附散熱座功率模組用基板之製造方法。
本申請案基於2012年3月30日於日本申請之特願2012-083247號而主張優先權，其內容被援用於此。
作為上述附散熱座功率模組用基板，過往已提議例如專利文獻1~3所揭示之物。
專利文獻1、2所記載之附散熱座功率模組用基板，是將在AlN(氮化鋁)所構成之陶瓷基板的兩面接合Al(鋁)金屬板(電路層及金屬層)而成之功率模組用基板、與由鋁所構成之散熱座，利用Al-Si系硬銲材(brazing material)藉由硬銲(brazing)而接合。
此外，專利文獻3所示之半導體模組的冷卻 裝置中提議，在由陶瓷材所構成之絕緣基板的兩面接合Al(鋁)金屬板(上部電極及下部電極)，在上部電極接合有半導體元件之半導體模組、與由鋁所構成之冷卻器的頂板，係利用助銲劑藉由硬銲而接合。
利用該助銲劑之硬銲，主要是將鋁構件彼此接合之技術，例如將Al-Si系硬銲材箔與助銲劑配置於鋁構件彼此之間，藉由助銲劑除去鋁構件表面形成之氧化膜，且促進硬銲材的熔融而接合。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2010-093225號公報
[專利文獻2]日本特開2009-135392號公報
[專利文獻3]日本特開2009-105166號公報
此處，鋁構件中，由於其表面形成鋁的氧化皮膜，故若單純進行硬銲，無法良好地接合。
鑑此，專利文獻1、2中，是利用真空爐在真空環境內進行硬銲，藉此抑制鋁的氧化皮膜之影響，將鋁構件彼此接合。
然而，當進行硬銲時的真空度低的情況下，無法充分抑制氧化皮膜的影響，接合可靠性可能不佳。若欲提高真空度，則需要許多的時間與勞力，無法有效率地硬銲，且有成本大幅增加之問題。
另一方面，專利文獻3中，是藉由助銲劑除去鋁的氧化皮膜而將鋁構件彼此接合，故無需在真空環境下進行硬銲，而可在氮氣氣體等非氧化環境中以常壓條件進行硬銲。
然而，由於使用了助銲劑，故有硬銲作業變得繁雜之問題。此外，如上所述，在將功率模組用基板與散熱座接合時若使用助銲劑的情況下，助銲劑成分的一部分會揮發，而侵入功率模組用基板的陶瓷基板與金屬板之接合界面等，可能致使陶瓷基板與金屬板之接合可靠性降低。
本發明係有鑑於前述事態而研發，目的在於提供一種不需使用助銲劑而在常壓條件下穩固地硬銲而成之附散熱座功率模組用基板，及附散熱座功率模組用基板之製造方法。
為解決此一課題，達成前述目的，本發明之附散熱座功率模組用基板，具備：功率模組用基板，在絕緣層一方之面配設有電路層；及散熱座，與該功率模組用基板另一方之面側接合；其特徵為：前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面，係分別由鋁或鋁合金所構成，前述功率模組用基板，係在前述絕緣層的另一方之 面側形成由鋁或鋁合金的壓延板所構成之金屬層，該金屬層與前述散熱座接合，在前述散熱座與前述功率模組用基板的接合界面，形成有接合層，該接合層在Al-Si共晶(eutectic)組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)，前述接合層的厚度做成5μm以上80μm以下的範圍內，且前述接合層中的MgO含有量做成20面積%以下。
按照此構成之附散熱座功率模組用基板，由於形成有接合層，該接合層在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)，前述接合層的厚度做成5μm以上80μm以下的範圍內，故散熱座與功率模組用基板會穩固地接合。也就是說，Al-Si共晶組織中分散之含Mg化合物，是藉由鋁的氧化物與Mg反應而生成，故在散熱座的接合面及功率模組用基板的接合面形成之鋁的氧化皮膜會被除去，散熱座與功率模組用基板會穩固地接合。
在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)的接合層，若其厚度未滿5μm時，在散熱座的接合面及功率模組用基板的接合面形成之鋁的氧化皮膜不會被充分除去，可能無法將散熱座與功率模組用基板穩固地接合。另一方面，若前述接合層的厚度超過80μm時，在接合層內部可能會產生裂痕等。
因此，在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)的接合層，其厚度規定為5μm以上80μm以下的範圍內。
此處，亦可做成前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面之至少一者，係由含Mg之含 Mg鋁合金所構成，在由前述含Mg鋁合金所構成之接合面的接合界面鄰近，形成有Mg減少區域，其含Mg化合物的存在比率減少。
在此情形下，前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面之至少一者中含有的一部分Mg會於接合界面作用，與在前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面形成之鋁的氧化皮膜反應成為含Mg化合物，而形成在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)的接合層。此外，由前述含Mg鋁合金所構成之接合層的界面鄰近部分，形成有Mg減少區域，其含Mg化合物的存在比率減少，故在該Mg減少區域，變形阻力(deformation resistance)會變低，會發揮應力減緩層之功能。
此外，前述接合層中的MgO含有量做成20面積%以下較佳。
MgO在冷熱循環負載時會成為裂痕的起點，故不樂見。此外，MgO本身會大幅成長，而妨礙硬銲。因此，前述接合層中的MgO含有量抑制在20面積%以下較佳。
又，前述接合層中分散之含Mg化合物，包含MgSi系化合物或MgAlO系化合物較佳。
MgSi系化合物及MgAlO系化合物，是藉由Mg與鋁的氧化物反應而生成，而分散成微細粒子狀，故在前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面形成之鋁的氧化皮膜會確實地被除去，散熱座與功率模組用基板會穩固地接合，而可提供接合可靠性優良之附散熱座功率模組用基板。
本發明之附散熱座功率模組用基板之製造方 法中，該附散熱座功率模組用基板是具備：功率模組用基板，在絕緣層一方之面配設有電路層；及散熱座，與該功率模組用基板另一方之面側接合；該附散熱座功率模組用基板之製造方法，其特徵為：前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面，係分別由鋁或鋁合金所構成，前述功率模組用基板，係在前述絕緣層的另一方之面側形成由鋁或鋁合金的壓延板所構成之金屬層，該金屬層與前述散熱座接合，使Al-Si系硬銲材與Mg介於前述散熱座與前述功率模組用基板的接合界面，將前述散熱座與前述功率模組用基板層積，於層積方向以0.001MPa以上0.5MPa以下之條件加壓之狀態下，在氮氣環境中以常壓不使用助銲劑地實施硬銲，在前述散熱座與前述功率模組用基板的接合界面形成接合層，該接合層是在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)，且厚度做成5μm以上80μm以下的範圍內，前述接合層中的MgO含有量做成20面積%以下。
按照如此構成的本發明之附散熱座功率模組用基板之製造方法，由於使Al-Si系硬銲材與Mg介於前述散熱座與前述功率模組用基板的接合界面，故即使不使用助銲劑而以常壓條件硬銲，仍能除去在前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面形成之氧化皮膜，可將前述散熱座與前述功率模組用基板確實地接合。
此外，由於將前述散熱座與前述功率模組用基板層積，且於層積方向加壓之狀態下實施硬銲，故前述散熱座與前述功率模組用基板是以面來接觸，能夠抑制接 合界面中存在的Mg揮發而逸散至環境中，可形成在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)的接合層。另，揮發至環境中的Mg，會與氧氣反應而成為MgO，而可能妨礙接合，故必須抑制Mg揮發。
按照本發明，能夠提供一種不需使用助銲劑而在常壓條件下穩固地硬銲而成之附散熱座功率模組用基板，及附散熱座功率模組用基板之製造方法。
1，101‧‧‧功率模組
10，110‧‧‧功率模組用基板
11，111‧‧‧絕緣基板
12，112‧‧‧電路層
13，113‧‧‧金屬層
40，140‧‧‧附散熱座功率模組用基板
41，141‧‧‧散熱座
42，142‧‧‧天板部
49‧‧‧Mg減少區域
50，150‧‧‧接合層
52，152‧‧‧含Mg化合物
[圖1]本發明第一實施形態之附散熱座功率模組用基板概略說明圖。
[圖2]圖1中金屬層與散熱座之接合部放大說明圖。
[圖3]圖1之附散熱座功率模組用基板的製造方法示意流程圖。
[圖4]本發明第二實施形態之附散熱座功率模組用基板概略說明圖。
[圖5]圖4中金屬層與散熱座之接合部放大說明圖。
[圖6]圖4之附散熱座功率模組用基板的製造方法示意流程圖。
以下參照所附圖面，說明本發明實施形態之附散熱座功率模組用基板。
圖1揭示使用了本發明第一實施形態之附散熱座功率模組用基板的功率模組。
該功率模組1具備：附散熱座功率模組用基板40、及在該附散熱座功率模組用基板40一方側(圖1中的上側)之面隔著銲料層2而接合之半導體元件(電子零件)3。
此處，銲料層2，例如是做成Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系之銲料材。
附散熱座功率模組用基板40具備：功率模組用基板10、及冷卻功率模組用基板10之散熱座41。
功率模組用基板10，具備：絕緣基板11；及電路層12，配設於該絕緣基板11一方之面(圖1中的上面)；及金屬層13，配設於絕緣基板11另一方之面(圖1中的下面)。
絕緣基板11係防止電路層12與金屬層13之間的電性連接，例如由AlN(氮化鋁)、Si3 N4 (氮化矽)、Al2 O3 (氧化鋁)等絕緣性高的陶瓷所構成，本實施形態中是由Al2 O3 (氧化鋁)所構成。此外，絕緣基板11的厚度設定在0.2mm以上1.5mm以下的範圍內，本實施形態中是設定為0.635mm。
電路層12，是藉由在絕緣基板11一方之面接合由銅或銅合金所構成之銅板而形成。本實施形態中，作為構成電路層12之銅板，係使用精煉銅(tough pitch copper)的壓延板。在該電路層12形成有電路圖樣，其一方之面(圖1中的上面)是做成供半導體元件3搭載之搭載面。
金屬層13，是藉由在絕緣基板11另一方之面接合由鋁或鋁合金所構成之鋁板23而形成。本實施形態中，作為構成金屬層13之鋁板，係使用純度99.99質量%以上之鋁(亦即4N鋁)的壓延板。
本實施形態之散熱座41具備：與功率模組用基板10接合之天板部42、及在該天板部42層積配置之冷卻構件43。在冷卻構件43的內部，形成有冷卻媒體流通之通路44。
此處，天板部42與冷卻構件43彼此是做成藉由固定螺絲45而連結之構造。因此，在天板部42必須確保剛性，即使鎖入固定螺絲45也不容易變形。鑑此，本實施形態中，是將散熱座41的天板部42以0.2%安全限應力(proof stress)為100N/mm2 以上的金屬材料來構成，其厚度做成2mm以上。
具體具言，與功率模組用基板10接合之天板部42，是以含有Mg之含Mg鋁合金所構成，本實施形態中，天板部42是由A6063合金(Mg；0.45質量%以上0.9質量%以下之鋁合金)所構成。含有Mg之含Mg鋁合金中，Mg含有量較佳為0.2質量%以上、2.5質量%以下，更佳為0.5質量%以上、1.5質量%以下。
又，如圖2所示，在由4N鋁所構成的金屬層 13與由A6063合金所構成的天板部42之間，形成有接合層50。該接合層50之構造為，在Al-Si共晶組織所構成之母相(parent phase)51的內部，分散有含Mg之含Mg化合物52。此處，接合層50的厚度t是做成5μm≦t≦80μm的範圍內。
另，接合層50的厚度t的算出方式，是藉由實施截面觀察，進行對位以使接合層50呈水平，測定接合層50的面積A，再將該面積A除以接合層50的水平方向長度L。
該接合層50中，MgO的含有量是做成20面積%以下，本實施形態中是做成10面積%以下。
此外，接合層50中分散之含Mg化合物52，係包含MgSi系化合物或MgAlO系化合物。MgSi系化合物，具體而言有Mg2 Si等，MgAlO系化合物，具體而言有MgAl2 O4 等。
此處，由於天板部42是由含Mg之A6063合金所構成，故在天板部42會分散有含Mg之含Mg化合物48。又，在天板部42當中接合層50之鄰近部分，係形成有Mg減少區域49，其含Mg化合物48的存在比率減少。Mg減少區域49的Mg濃度，較佳為0~0.5質量%，更佳為0.1~0.3質量%。
接下來，參照圖3之流程圖，說明該附散熱座功率模組用基板40的製造方法。
首先，將作為電路層12的銅板，與絕緣基板11接合(電路層形成工程S01)。此處，因絕緣基板11是由 Al2 O3 所構成，故將銅板與絕緣基板11，藉由利用銅與氧氣的共晶反應之DBC(Direct Bonded Copper)法來接合。具體而言，係使由精煉銅所構成之銅板與絕緣基板11接觸，在氮氣氣體環境中以1075℃加熱10分鐘，藉此銅板與絕緣基板11會接合。
接下來，在絕緣基板11另一方之面側接合作為金屬層13之鋁板(金屬層形成工程S02)。
在鋁板上與絕緣基板11之接合面，藉由濺鍍來固著添加元素(Si、Cu、Zn、Mg、Ge、Ca、Li的其中1種或2種以上)以形成固著層。此處，固著層中的添加元素量係訂為0.01mg/cm2 以上10mg/cm2 以下之範圍內，本實施形態中是使用Cu作為添加元素，固著層中的Cu量設定成0.08mg/cm2 以上2.7mg/cm2 以下。
將該鋁板層積於絕緣基板11另一方之面側，在對層積方向加壓(壓力1~35kg f/cm2 )之狀態下，放入真空加熱爐內加熱。此處，本實施形態中，真空加熱爐內的壓力是設定在10-3 ~10-6 Pa的範圍內，加熱溫度是設定在550℃以上650℃以下的範圍內。如此，固著層的添加元素(Cu)會擴散至鋁板側，使得鋁板的固著層鄰近的添加元素濃度(Cu濃度)上昇而融點變低，藉此，在鋁板與絕緣基板11之界面會形成熔融金屬區域。
接下來，在熔融金屬區域形成之狀態下，將溫度保持一定。如此，熔融金屬區域中的Cu，會進一步逐漸朝鋁板側擴散。如此一來，原本是溶融金屬區域的部 分的Cu濃度會逐漸降低而融點上昇，在將溫度保持一定的狀態下，凝固逐漸進行。如此一來，絕緣基板11與鋁板會接合。也就是說，絕緣基板11與鋁板(金屬層13)，會藉由所謂暫態液相擴散接合法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding，TLPDB)而接合。接著，凝固進行完成後，進行冷卻至常溫為止。
像這樣，便製造出功率模組用基板10。
接下來，將功率模組用基板10的金屬層13與散熱座41的天板部42接合(散熱座接合工程S03)。
首先，使Al-Si系硬銲材介於功率模組用基板10的金屬層13與天板部42之間，將功率模組用基板10與天板部42層積(層積工程S31)。此處，本實施形態中係使用Si含有量為5.5質量%以上11.0質量%以下、Al含有量為89.0質量%以上94.5質量%以下(不含有Mg)、厚度為5μm以上100μm以下之Al-Si系硬銲材箔。
對功率模組用基板10與天板部42於層積方向加壓(0.001MPa~0.5MPa)之狀態下，放入呈非氧化環境之環境爐內加熱(加熱工程S32)。此處，本實施形態中是將環境加熱爐內做成氮氣氣體環境，氧氣分壓為120ppm以下，爐內壓力為常壓。此外，加熱溫度訂為590℃以上630℃以下。如此，在金屬層13與天板部42之接合界面，硬銲材箔、金屬層13的一部分及天板部42的一部分會熔融，藉此形成熔融金屬區域。
此時，在天板部42的接合界面鄰近分散之含Mg化 合物48中，Mg會在接合界面作用，在天板部42的接合面及金屬層13的接合面形成之鋁的氧化被膜會與Mg反應而被除去。
接著，藉由降低環境爐的爐內溫度，使在金屬層13與天板部42的接合界面形成之熔融金屬區域凝固，將金屬層13與天板部42接合(熔融金屬凝固工程S33)。此時，在金屬層13與天板部42的接合界面，會形成以Al-Si共晶組織為母相51之接合層50。此外，在該接合層50的內部，藉由鋁的氧化被膜與Mg反應而生成之含Mg化合物(本實施形態中為MgAlO系化合物)會分散。
又，在天板部42的接合界面鄰近分散之含Mg化合物48，會在接合界面作用，藉此，在天板部42的接合界面鄰近會形成Mg減少區域49，其含Mg化合物的存在比率減少。
像這樣，便製造出本實施形態之附散熱座功率模組用基板40。
按照本實施形態之附散熱座功率模組用基板40，在由4N鋁所構成的金屬層13與由A6063合金所構成的天板部42之接合界面，會形成接合層50，其構造為以Al-Si共晶組織為母相51，在該母相51內分散有含Mg化合物52，且接合層50的厚度做成5μm以上80μm以下的範圍內，故在金屬層13的接合面及天板部42的接合面形成之鋁的氧化被膜會被除去，可將金屬層13與天板部 42穩固地接合。故，能夠構成功率模組用基板10與散熱座41的接合可靠性優良之附散熱座功率模組用基板40。
此外，由於接合層50中的MgO含有量做成20面積%以下，故在冷熱循環負載時會抑制接合層50的裂痕發生，且可良好地進行硬銲，大幅提升功率模組用基板10與散熱座41的接合可靠性。尤其是，本實施形態中由於將接合層50中的MgO含有量做成10面積%以下，故可確實提升功率模組用基板10與散熱座41的接合可靠性。
又，在接合層50的母相51中分散之含Mg化合物52是做成MgSi系化合物、MgAlO系，故在接合層50內會分散成微細粒子狀，可將功率模組用基板10與散熱座41確實且穩固地接合。
此外，天板部42是由含Mg之A6063合金所構成，在天板部42當中接合層50的鄰近部分，形成有Mg減少區域49，其含Mg化合物48的存在比率減少，故該Mg減少區域49的變形阻力(deformation resistance)低，會發揮應力減緩層之功能。故，能夠藉由該Mg減少區域49之變形來減緩散熱座41與絕緣基板11之熱膨脹係數差而導致之熱應變，可防止絕緣基板11破裂。
此外，按照本實施形態之附散熱座功率模組用基板40之製造方法，是在氮氣氣體環境、氧氣分壓120ppm以下、常壓條件下將功率模組用基板10與散熱座41接合，故可有效率且低成本地製造出接合可靠性優良 的附散熱座功率模組用基板40。
又，由於未使用助銲劑，故在功率模組用基板10與散熱座41接合時，對電路層12與絕緣基板11的接合界面、及對絕緣基板11與金屬層13的接合界面影響較小，能夠防止電路層12與絕緣基板11、及絕緣基板11與金屬層13的接合可靠性劣化。
又，在對功率模組用基板10與天板部42於層積方向加壓(0.001MPa~0.5MPa)之狀態下，放入呈非氧化環境之環境爐內加熱來硬銲，故功率模組用基板10與天板部42是以面來接觸，能夠抑制存在於接合界面的Mg揮發而逃逸至環境中，而可形成在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)的接合層50。
以下，說明本發明第二實施形態之附散熱座功率模組用基板。圖4揭示使用了本發明第二實施形態之附散熱座功率模組用基板的功率模組。
該功率模組101具備：附散熱座功率模組用基板140、及在該附散熱座功率模組用基板140一方側(圖4中的上側)之面隔著銲料層2而接合之半導體元件(電子零件)3。
此處，銲料層2，例如是做成Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系之銲料材。
附散熱座功率模組用基板140具備：功率模組用基板110、及冷卻功率模組用基板110之散熱座141。
功率模組用基板110，具備：絕緣基板111；及電路層112，配設於該絕緣基板111一方之面(圖4中的上面)；及金屬層113，配設於絕緣基板111另一方之面(圖4中的下面)。
絕緣基板111係防止電路層112與金屬層113之間的電性連接，例如由AlN(氮化鋁)、Si3 N4 (氮化矽)、Al2 O3 (氧化鋁)等絕緣性高的陶瓷所構成，本實施形態中是由絕緣性高的AlN(氮化鋁)所構成。此外，絕緣基板111的厚度設定在0.2mm以上1.5mm以下的範圍內，本實施形態中是設定為0.635mm。
電路層112，是藉由在絕緣基板111一方之面接合由鋁或鋁合金所構成之鋁板而形成。本實施形態中，作為構成電路層112之鋁板，係使用純度99.99質量%以上之鋁(亦即4N鋁)的壓延板。在該電路層112形成有電路圖樣，其一方之面(圖4中的上面)是做成供半導體元件3搭載之搭載面。
金屬層113，是藉由在絕緣基板111另一方之面接合由鋁或鋁合金所構成之鋁板而形成。本實施形態中，作為構成金屬層113之鋁板，係使用純度99.99質量%以上之鋁(亦即4N鋁)的壓延板。
本實施形態之散熱座141具備：與功率模組用基板110接合之天板部142、及供冷卻媒介(例如冷卻水)流通之通路144。
此處，散熱座141(天板部142)理想是由熱傳導性 良好的材質所構成，且必須確保作為構造材之剛性。鑑此，本實施形態中，散熱座141的天板部142是以A3003(鋁合金)所構成。
又，如圖5所示，在由4N鋁所構成的金屬層113與由A3003合金所構成的天板部142之間，形成有接合層150。該接合層150之構造為，在Al-Si共晶組織所構成之母相151的內部，分散有含Mg之含Mg化合物152。此處，接合層150的厚度t是做成5μm≦t≦80μm的範圍內。
另，接合層150的厚度t的算出方式，是藉由實施截面觀察，進行對位以使接合層150呈水平，測定接合層150的面積A，再將該面積A除以接合層150的水平方向長度L。
該接合層150中，MgO的含有量是做成20面積%以下，本實施形態中是做成10面積%以下。
此外，接合層150中分散之含Mg化合物152，係包含MgSi系化合物或MgAlO系化合物。MgSi系化合物，具體而言有Mg2 Si等，MgAlO系化合物，具體而言有MgAl2 O4 等。
接下來，參照圖6之流程圖，說明該附散熱座功率模組用基板140的製造方法。
首先，將作為電路層112的鋁板，與絕緣基板111接合(電路層形成工程S101)。此外，將作為金屬層113的鋁板，與絕緣基板111接合(金屬層形成工程S102) 。本實施形態中，該些電路層形成工程S101與金屬層形成工程S102係同時實施。
在絕緣基板111一方之面及另一方之面，藉由網版印刷來塗布含有添加元素(Si、Cu、Zn、Mg、Ge、Ca、Li的其中1種或2種以上)的糊膏並使其乾燥，藉此形成固著層。
此處，本實施形態中是使用Ag作為添加元素。所使用之Ag糊膏，係含有Ag粉末、樹脂、溶劑、及分散劑，Ag粉末的含有量為Ag糊膏全體的60質量%以上90質量%以下，其餘部分為樹脂、溶劑、分散劑。另，本實施形態中，Ag粉末的含有量係為Ag糊膏全體的85質量%。
接下來，將作為電路層112之鋁板、絕緣基板111、及作為金屬層113之鋁板層積，並在對層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2 )之狀態下，放入真空加熱爐內加熱。此處，本實施形態中，真空加熱爐內的壓力是設定在10-3 ~10-6 Pa的範圍內，加熱溫度是設定在550℃以上650℃以下的範圍內。如此，固著層的添加元素(Ag)會擴散至鋁板側，使得鋁板的固著層鄰近的添加元素濃度(Ag濃度)上昇而融點變低，藉此，在鋁板與絕緣基板111之界面會分別形成熔融金屬區域。
接下來，在熔融金屬區域形成之狀態下，將溫度保持一定。如此，熔融金屬區域中的Ag，會進一步逐漸朝鋁板側擴散。如此一來，原本是溶融金屬區域的部分的Ag濃度會逐漸降低而融點上昇，在將溫度保持一定 的狀態下，凝固逐漸進行。如此一來，絕緣基板111與鋁板會接合。也就是說，電路層112與絕緣基板111、及絕緣基板111與金屬層113，會藉由所謂暫態液相擴散接合法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding，TLPDB)而接合。接著，凝固進行完成後，進行冷卻至常溫為止。
像這樣，便製造出功率模組用基板110。
接下來，將功率模組用基板110的金屬層113與散熱座141接合(散熱座接合工程S103)。
首先，使Al-Si系硬銲材介於功率模組用基板110的金屬層113與散熱座141之間，將功率模組用基板110與散熱座141層積(層積工程S131)。此處，本實施形態中係使用Si含有量為5.5質量%以上11.0質量%以下、Al含有量為86.5質量%以上94.4質量%以下、厚度為5μm以上100μm以下之Al-Si系硬銲材箔。此外，使該硬銲材箔含有Mg在0.1質量%以上2.5質量%以下的範圍內。
對功率模組用基板110與散熱座141於層積方向加壓(0.001MPa~0.5MPa)之狀態下，放入呈非氧化環境之環境爐內加熱(加熱工程S132)。此處，本實施形態中是將環境加熱爐內做成氮氣氣體環境，氧氣分壓為120ppm以下。此外，爐內壓力為常壓。此外，加熱溫度訂為590℃以上630℃以下。如此，在金屬層113與散熱座141之接合界面，硬銲材箔、金屬層113的一部分及散熱座141的一部分會熔融，藉此形成熔融金屬區域。
此時，在散熱座141的接合面及金屬層13的接合面 形成之鋁的氧化被膜，會藉由與硬銲材箔中含有的Mg反應而被除去。
接著，藉由降低環境爐的爐內溫度，使在金屬層113與散熱座141的接合界面形成之熔融金屬區域凝固，將金屬層113與散熱座141接合(凝固工程S133)。此時，在金屬層113與散熱座141的接合界面，會形成以Al-Si共晶組織為母相151之接合層150。此外，在該接合層150的內部，藉由鋁的氧化被膜與Mg反應而生成之含Mg化合物152(本實施形態中為MgAlO系化合物)會分散。
像這樣，便製造出本實施形態之附散熱座功率模組用基板140。
按照本實施形態這樣利用鋁構件的接合構造之附散熱座功率模組用基板140，在由4N鋁所構成的金屬層113與由A3003合金所構成的散熱座141之接合界面，會形成接合層150，其構造為以Al-Si共晶組織為母相151，在該母相151內分散有含Mg化合物152，且接合層150的厚度做成5μm以上80μm以下的範圍內，故在金屬層113的接合面及散熱座141的接合面形成之鋁的氧化被膜會被除去，可將金屬層113與散熱座141穩固地接合。故，能夠構成功率模組用基板110與散熱座141的接合可靠性優良之附散熱座功率模組用基板140。
此外，由於使硬銲材箔含有Mg，故可將未含有Mg的鋁或鋁合金所構成之金屬層113(4N鋁)與散熱 座141(A3003合金)隔著接合層150而接合，該接合層150的構造是以Al-Si共晶組織為母相151，在該母相151內分散有含Mg化合物152。
又，在對功率模組用基板110與散熱座141於層積方向加壓(0.001MPa~0.5MPa)之狀態下，放入氧氣分壓在120ppm以下之非氧化環境之環境爐內加熱來硬銲，故功率模組用基板110與散熱座141是以面來接觸，能夠抑制接合界面中存在的Mg揮發而逸散至環境中，而可形成在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)的接合層150。
以上已說明本發明之實施形態，但本發明並非限定於此，在不脫離其發明之技術思想範圍內可適當變更。
舉例來說，散熱座的構造、功率模組用基板的構造並未特別限定，只是是將鋁構件彼此接合之構造，則亦可為其他構成之散熱座、功率模組用基板。
此外，本實施形態中，雖說明構成金屬層的鋁板為純度99.99%的純鋁壓延板，但並非限定於此，亦可為純度99%的鋁(2N鋁)。
又，雖說明使用Al2 O3 、AlN所構成之陶瓷板來作為絕緣層，但並非限定於此，亦可使用Si3 N4 等所構成之陶瓷板，或以絕緣樹脂來構成絕緣層。
[實施例]
以下，說明為了確認本發明之功效而進行之確認實驗結果。
如表1所示，將絕緣基板、作為電路層之鋁板、及作為金屬層之鋁板接合，製作出功率模組用基板。
作為電路層之鋁板與絕緣基板的接合、及絕緣基板與作為金屬層之鋁板的接合，係以下述條件實施。將作為電路層之鋁板與絕緣基板與作為金屬層之鋁板，隔著Al-10質量%Si之硬銲材箔而層積，對層積方向以5kgf/cm2 加壓之狀態下，放入真空加熱爐內，以650℃加熱30分鐘而接合。
表1中金屬層使用之A1100為Al純度99%以上的鋁，A1050為Al純度99.50%以上的鋁。
接著，將該功率模組用基板與散熱座(天板部)依表2所示條件接合，製作出附散熱座功率模組用基板。表2所示之硬銲材為Al-Si系硬銲材，表2中揭示硬銲材中的Mg量。此外，各Al-Si系硬銲材中的Si含有量為10.5質量%，其餘部分為Al。表2中，A3003是以Mn作為添加元素之鋁合金。
針對得到的附散熱座功率模組用基板，觀察其金屬層與散熱座的接合界面，評估接合層的厚度、有無含Mg化合物、及MgO量。
接合層的厚度係以下述方式測定。將得到的附散熱座功率模組用基板以鑽石鋸(diamond saw)沿著絕緣基板的對角線切斷。將其做樹脂包埋(resin embedding)，將截面鏡面研磨而製作出截面試料。觀察該截面試料，以EPMA(electron probe micro analyser，電子探針顯微分析儀)的反射電子像來解析金屬層與散熱座的接合界面。此處，對被觀察之接合層進行位置調整以使其呈水平，拍攝反射電子像，藉由二值化處理(thresholding)來測定接合層的面積A。接著，將該接合層的面積A除以觀察視野的水平方向長度L，藉此算出厚度。針對五個視野實施此一作業，以其平均值作為接合層的厚度t。
含Mg化合物，是針對上述截面資料，以EPMA取得元素對映(element mapping)，辨明和Mg存在的部位存在於相同位置之元素，以判斷化合物成分。本實施例1至4、及比較例1及2中，因Mg、Al、O存在於相同位置，故可確認有MgAlO系化合物存在。
至於MgO量(MgO的面積分率)，則是針對如上述般製作出的截面試料，對被觀察之接合層進行位置調整以使其呈水平，拍攝反射電子像，藉由二值化處理來測定接合層的面積A。接下來，以EPMA取得元素對映，檢測僅有Mg和O共存的部位，藉由圖像處理來計測該部 位的面積，以作為MgO的面積。接著，將MgO的面積除以接合層的面積A。針對五個視野實施此一作業，以其平均值作為MgO量(MgO的面積分率)。
此外，對得到的附散熱座功率模組用基板進行冷熱循環試驗，比較初始接合率與冷熱循環試驗後的接合率。冷熱循環是以-40℃×5分鐘一次、125℃×3分鐘一次作為1循環，共做3000循環。
另，接合率係利用超音波探傷裝置，藉由以下式子求出接合率。此處，所謂初始接合面積，係指接合前的應接合面積，亦即金屬層面積。超音波探傷像中，剝離係以接合部內的白色部分表示，故將該白色部面積作為剝離面積。
(接合率)={(初始接合面積)-(剝離面積)}/(初始接合面積)
評估結果如表3所示。
在比較例1中，由於缺乏Mg源，而無法形成含Mg化合物，其初始接合率及冷熱循環後的接合率皆低。
此外，比較例2中，接合層的厚度為非常薄的2μm，雖有含Mg化合物存在，但冷熱循環後的接合率低。
又，比較例3中，接合層的厚度為較厚的92μm，結果接合層內產生了裂痕，冷熱循環後的接合率變低。
相較於此，實施例1~4中，可看出初始接合率及冷熱循環後的接合率皆高，功率模組用基板與散熱座穩固地接合。
13‧‧‧金屬層
42‧‧‧天板部
48，52‧‧‧含Mg化合物
49‧‧‧Mg減少區域
50‧‧‧接合層
51‧‧‧母相

Claims (4)

  1. 一種附散熱座功率模組用基板，其特徵為，具備：功率模組用基板，在絕緣層一方之面配設有電路層；及散熱座，與前述功率模組用基板另一方之面側接合；前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面，係分別由鋁或鋁合金所構成，前述功率模組用基板，係在前述絕緣層的另一方之面側形成由鋁或鋁合金的壓延板所構成之金屬層，該金屬層與前述散熱座接合，在前述散熱座與前述功率模組用基板的接合界面，形成有接合層，該接合層在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)，前述接合層的厚度做成5μm以上80μm以下的範圍內，且前述接合層中的MgO含有量做成20面積%以下。
  2. 如申請專利範圍第1項之附散熱座功率模組用基板，其中，前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面之至少一者，係由含Mg之含Mg鋁合金所構成，在由前述含Mg鋁合金所構成之接合面的接合界面鄰近，形成有Mg減少區域，其含Mg化合物的存在比率減少。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之附散熱座功率模組 用基板，其中，前述接合層中分散之含Mg化合物，係包含MgSi系化合物或MgAlO系化合物。
  4. 一種附散熱座功率模組用基板之製造方法，該附散熱座功率模組用基板是具備：功率模組用基板，在絕緣層一方之面配設有電路層；及散熱座，與該功率模組用基板另一方之面側接合；該附散熱座功率模組用基板之製造方法，其特徵為：前述散熱座的接合面及前述功率模組用基板的接合面，係分別由鋁或鋁合金所構成，前述功率模組用基板，係在前述絕緣層的另一方之面側形成由鋁或鋁合金的壓延板所構成之金屬層，該金屬層與前述散熱座接合，使Al-Si系硬銲材與Mg介於前述散熱座與前述功率模組用基板的接合界面，將前述散熱座與前述功率模組用基板層積，對前述散熱座與前述功率模組用基板於層積方向以0.001MPa以上0.5MPa以下之條件加壓之狀態下，於氮氣環境中以常壓不使用助銲劑地實施硬銲，在前述散熱座與前述功率模組用基板的接合界面形成接合層，該接合層是在Al-Si共晶組織中分散有含Mg之含Mg化合物(MgO除外)，且厚度做成5μm以上80μm以下的範圍內，前述接合層中的MgO含有量做成20面積%以下。
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