自带散热器的功率模块用基板及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种控制大电流、高电压的半导体装置中使用的自带散热器的功率模 块用基板及其制造方法。
[0002] 本申请主张基于2013年10月10日申请的日本专利申请2013-212871号、2014年1月 8日申请的日本专利申请2014-1719号及日本专利申请2014-1720号优先权，并将其内容援 用于此。
【背景技术】
[0003] 作为功率模块，使用一种在W氮化侣为代表的陶瓷基板上接合侣板，并在另一侧 通过侣板接合侣类散热器而成的自带散热器的功率模块用基板。
[0004] W往，自带散热器的功率模块用基板是如下制造的。首先，通过适于接合陶瓷基板 与侣板的针料，在陶瓷基板的第一面及第二面层叠侣板，一边W规定压力加压，一边加热至 针料烙融的溫度W上的溫度并进行冷却。由此，接合陶瓷基板与两个面的侣板来制造功率 模块用基板。
[0005] 接着，在功率模块用基板的第二面侧的侣板，通过适于接合散热器与该侣板的针 料来层叠散热器，一边W规定压力加压，一边加热至针料烙融的溫度W上并进行冷却。由 此，接合侣板与散热器来制造自带散热器的功率模块用基板。
[0006] 接合于如此构成的自带散热器的功率模块用基板的第一面侧上的侣板形成为电 路层，在该电路层上通过焊锡材搭载有功率元件等电子零件。
[0007] 制造运种自带散热器的功率模块用基板时，在接合陶瓷基板与侣板运种热膨胀系 数相异的部件的情况下，由于接合后进行冷却时的热收缩而产生翅曲。
[000引作为解决该翅曲的措施，专利文献1中记载有对晶片或端子、散热板等进行焊接等 时，控制高溫时的翅曲量及将陶瓷电路基板恢复至室溫时的翅曲量的内容。
[0009] 专利文献2中，一边使陶瓷基板弯折一边将电路用金属板与金属散热板进行接合， W制造电路用金属板呈凹面而具有翅曲的电路基板。通常，将散热器与电路基板进行接合 的模块中，模块W成为平面的方式接合散热器而形成，并固定于固定零件来使用。因此，专 利文献2中记载有预先在电路基板的电路用金属板侧形成成为凹面的翅曲，由此，将电路基 板进行平坦地固定时，在电路基板上残留压缩应力，在组装模块时或其实际使用中能够降 低龟裂的产生、恶化。
[0010] 专利文献3中记载有，金属散热板与金属电路板的体积比及厚度比是陶瓷电路基 板与散热器的焊料回流时所产生的翅曲的主要支配性因素，且通过将运些要素设为适当的 范围，能够在加热中形成优选的翅曲形状的内容。
[0011] 如此，在电路基板中产生的翅曲，通过调整W陶瓷基板为中性轴而形成金属层的 散热器侧的侣板与散热器的板厚，得W抑制。
[0012] 专利文献1:日本特开2003-273289号公报
[0013] 专利文献2:日本特开平10-247763号公报
[0014] 专利文献3:日本特开2006-245437号公报
[0015] 就功率模块用基板而言，希望减少翅曲W满足作为功率模块的要求规格。如专利 文献1记载，作为功率模块用基板即使控制了翅曲，但作为搭载电子零件后的功率模块也应 减少翅曲。
[0016] 接合有功率模块用基板与散热器的自带散热器的功率模块用基板中，一般在制造 时，W电路层为上侧产生凸状的翅曲（电路层表面呈凸面的变形）。然而，将自带散热器的功 率模块用基板通过润滑脂等而紧固于冷却器时，从良好地维持自带散热器的功率模块用基 板与冷却器的粘附性的观点看来，与相对于冷却器侧为凹状翅曲（W电路层为上侧的凸状 翅曲）相比优选相对于冷却器侧为凸状翅曲（电路层表面呈凹面的变形）。并且，紧固冷却器 后，在半导体元件的焊接等热处理过程中，优选自带散热器的功率模块用基板的翅曲变形 较少。
【发明内容】
[0017] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种减少自带散热器的功率模 块用基板制造时产生的翅曲，并能够抑制在制造后的热处理过程中产生翅曲的自带散热器 的功率模块用基板及其制造方法。
[0018] 本发明的第一方案为一种自带散热器的功率模块用基板，具备:功率模块用基板， 在陶瓷基板的第一面配设有电路层，在所述陶瓷基板的第二面配设有由纯度99% W上的侣 构成的金属层;及散热器，接合于所述功率模块用基板的所述金属层，并由屈服应力比该金 属层大的侣合金构成，将所述散热器的最大长度设为L、所述散热器的翅曲量设为Z，相对于 所述金属层使所述散热器的接合面成为凹状的变形所造成的所述翅曲量Z设为正值、使所 述接合面成为凸状的变形所造成的所述翅曲量Z设为负值，并在25°C下测定的所述最大长 度L与所述翅曲量Z的比率Z/L为-0.005 W上且0.005 W下，加热至280°C时及在该加热后冷 却至25°C时，所述比率Z/L仍在-0.005 W上且0.005 W下的范围内。
[0019] 接合由屈服应力比金属层大的侣合金构成的散热器而成的自带散热器的功率模 块用基板中，在上述溫度设定时比率Z/L小于-0.005或大于0.005的情况下，在将半导体元 件等电子零件焊接于电路层的工序中，容易引起焊料、半导体元件的位置偏离。并且，有可 能导致半导体元件本身的破坏、因热循环造成焊料接合部和基板的可靠性降低。
[0020] 另一方面，在上述溫度设定时比率Z/L在-0.005W上且0.005W下的范围内的情况 下，可减少自带散热器的功率模块用基板制造时产生的翅曲，并抑制因制造后的热处理过 程所造成的功率模块用基板的翅曲变形，因此能够提高半导体元件在焊接工序中的操作 性，改善基板对于热循环负荷的可靠性。
[0021] 并且，金属层由变形阻力相对较小的纯度99% W上的侣形成，因此能够松弛热循 环负荷时产生于陶瓷基板的热应力，并能够抑制陶瓷基板产生破裂。
[0022] 本发明的自带散热器的功率模块用基板中，当使溫度从25°C变化至280°C的情况 下，所述比率Z/L的最大值与最小值之差A Z/L优选为0.005W下。
[0023] 溫度从25°C变化至280°C的情况下，比率Z/L的最大值与最小值之差A Z/L为0.005 W下，随溫度变化的变形较小，由此可更进一步提高半导体元件在焊接工序中的操作性，改 善基板对于热循环负荷的可靠性。
[0024] 本发明的第一方案所设及的自带散热器的功率模块用基板的制造方法如下:将所 述功率模块用基板与所述散热器进行层叠，在使所述散热器的所述接合面产生成为凹状翅 曲的变形的状态下进行加热，并在产生所述变形的状态下进行冷却，由此接合所述功率模 块用基板的所述金属层与所述散热器。
[0025] 在接合散热器与功率模块用基板时，将由屈服应力相对于功率模块用基板的金属 层较高的材料形成的散热器与功率模块用基板进行层叠，使散热器的接合面相对于功率模 块用基板的金属层成为凹状的方式产生翅曲的状态下，W针料烙融的溫度W上的溫度保持 规定时间后进行冷却。由此，在散热器的接合面，W沿着凹状的形状凝固针料，从而即使解 除层叠方向的加压状态后，也能够获得散热器的接合面翅曲成凹状、或虽为凸状但翅曲量 较小的自带散热器的功率模块用基板。此时，能够在各部件成为最大限度膨胀状态的金属 层与散热器的接合溫度范围，使散热器的接合面成为凹状。
[0026] 通过该制造方法制造的自带散热器的功率模块用基板中，能够减少自带散热器的 功率模块用基板制造时产生的翅曲变形，并能够抑制制造后的热处理过程中的翅曲变形， 可提高元件焊接工序中的操作性，改善基板对于热循环负荷的可靠性。由此，结构的自由度 增大，而且能够有助于功率模块整体的薄壁化。
[0027] 本发明的第二方案为一种自带散热器的功率模块用基板，其具备：功率模块用基 板，在陶瓷基板的一个面配设有电路层，在所述陶瓷基板的另一个面配设有由纯度99% W 上的侣构成的金属层;及散热器，接合于所述功率模块用基板的所述金属层，由线膨胀系数 15X1(^6/KW上且22X1(^ 6/KW下的铜或铜合金构成，将所述散热器的最大长度设为L、所 述散热器的翅曲量设为Z，相对于所述金属层使所述散热器的所述接合面成为凹状的变形 所造成的所述翅曲量Z设为正值、使接合面成为凸状的变形所造成的所述翅曲量Z设为负 值，并在25°〇下测定的所述最大长度1与所述翅曲量2的比率2/1为-0.015^上且0.01^下， 加热至280°C时及在该加热后冷却至25°C时，所述比率Z/L仍在-0.015 W上且0.01W下的范 围内。
[002引接合由线膨胀系数15X10-6/KW上且22X10-6/KW下的铜或铜合金构成的散热器 而成的自带散热器的功率模块用基板中，在上述溫度设定时比率Z/L小于-0.015或大于 0.01的情况下，在将半导体元件等电子零件焊接于电路层的工序中，容易引起焊料、半导体 元件的位置偏离。并且，有可能导致半导体元件本身的破坏、因热循环造成焊料接合部和基 板的可靠性降低。
[0029] 另一方面，在上述溫度设定时比率Z/L在-0.015W上且0.01 W下的范围内的情况 下，减少自带散热器的功率模块用基板制造时产生的翅曲，并抑制因制造后的热处理过程 所造成的功率模块用基板的翅曲变形，因此可提高半导体元件在焊接工序中的操作性，改 善基板对于热循环负荷的可靠性。
[0030] 并且，金属层由变形阻力相对较小的纯度99% W上的侣形成，因此能够松弛热循 环负荷时产生于陶瓷基板的热应力，能够抑制陶瓷基板产生破裂。
[0031] 而且，散热器由线膨胀系数比形成金属层的侣还低的铜或铜合金形成，因此金属 层的变形阻力小所带来的应力松弛效果得到进一步提高。并且，通过具有高导热性的铜的 特性，能够发挥优异的散热特性。
[0032] 本发明的自带散热器的功率模块用基板中，在使溫度从25°C变化至280°C的情况 下，所述比率Z/L的最大值与最小值之差A Z/L优选为0.015W下。
[0033] 使溫度从25°C变化至280°C的情况下，比率Z/L的最大值与最小值之差AZ/L为 0.015 W下，由此，随溫度变化的变形较小，因此可更进一步提高半导体元件在焊接工序中 的操作性，改善基板对于热循环负荷的可靠性。
[0034] 本发明第二方案所设及的自带散热器的功率模块用基板的制造方法如下:将所述 功率模块用基板与所述散热器进行层叠，在使所述散热器的所述接合面产生成为凹状翅曲 的变形的状态下进行加热，并在产生所述变形的状态下进行冷却，由此接合所述功率模块 用基板的所述金属层与所述散热器。
[0035] 对散热器与功率模块用基板进行接合时，对由线膨胀系数15X1(^6/KW上且22X ICT6AW下的铜或铜合金形成的散热器与功率模块用基板进行层叠，并设为相对于功率模 块用基板的金属层使散热器的接合面成为凹状的方式产生翅曲的状态，并W小于铜与侣的 共晶溫度的溫度来加热规定时间后进行冷却。由此，即使解除层叠方向的加压状态后，也能 获得散热器的接合面翅曲成凹状、或虽为凸状但翅曲量较小的接合体。此时，能够在各部件 成为最大限度膨胀状态的金属层与散热器的接合溫度范围，使散热器的接合面成为凹状。
[0036] 通过该制造方法制造的自带散热器的功率模块用基板中，能够减少制造自带散热 器的功率模块用基板时产生的翅曲变形，并能够抑制制造后的热处理过程中的翅曲变形， 可提高元件焊接工序中的操作性，改善基板对于热循环负荷的可靠性。由此，结构的自由度 增大，而且能够有助于功率模块整体的薄壁化。
[0037] 本发明的第=方案为一种自带散热器的功率模块用基板，具备:功率模块用基板， 在陶瓷基板的一个面配设有电路层，在所述陶瓷基板的另一个面配设有由纯度99% W上的 侣构成的金属层;及散热器，接合于所述功率模块用基板的所述金属层，并由线膨胀系数7 X1(T6/KW上且12X1(T6/KW下的材料构成，将所述散热器的最大长度设为L、所述散热器 的翅曲量设为Z，相对于所述金属层使所述散热器的接合面成为凹状的变形所造成的所述 翅曲量Z设为正值、使所述接合面成为凸状的变形所造成的所述翅曲量设为负值，并在25°C 下测定的所述最大长度L与所述翅曲量Z的比率Z/L为-0.002 W上且0.002 W下，加热至280