[發(fā)明專利]自帶散熱器的功率模塊用基板、自帶冷卻器的功率模塊用基板以及功率模塊

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380016914.0
• 申請日: 2013-03-29
• 公開（公告）號: CN104205325A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 長友義幸;黑光祥郎
• 申請（專利權(quán)）人: 三菱綜合材料株式會社
• 主分類號: H01L23/36
• 分類號: H01L23/36;H01L23/40
• 代理公司: 北京德琦知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11018
• 代理人: 康泉;王珍仙

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種自帶散熱器的功率模塊用基板、具備該自帶散熱器的功率模塊用基板的自帶冷卻器的功率模塊用基板以及功率模塊，所述自帶散熱器的功率模塊用基板具備：功率模塊用基板，在陶瓷基板的一面配設(shè)有電路層，并且在所述陶瓷基板的另一面配設(shè)有由鋁構(gòu)成的金屬層；及散熱器，由銅或銅合金構(gòu)成。

本申請主張基于2012年03月30日在日本申請的專利申請2012-082997號的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容援用于本說明書中。

背景技術(shù)

在半導(dǎo)體元件中用于電力供給的功率元件，由于發(fā)熱量比較高，因此作為搭載該功率元件的基板，例如專利文獻1～4所示，廣泛應(yīng)用功率模塊用基板，該功率模塊用基板在陶瓷基板的一面接合有作為電路層的鋁金屬板，而在陶瓷基板的另一面接合有作為金屬層的鋁金屬板。

這些功率模塊用基板中，在金屬層的另一面?zhèn)韧ㄟ^焊料層而接合有銅制散熱板(散熱器)。并且，該散熱板通過螺釘?shù)榷潭ㄓ诶鋮s器。

上述功率模塊中，在進行使用時會有熱循環(huán)負載。在此，當功率模塊用基板上有熱循環(huán)負載的情況下，介于金屬層與散熱板(散熱器)之間的焊料層上會累積應(yīng)變，在焊料層有可能產(chǎn)生龜裂。

于是，以往以鋁含量為99.99質(zhì)量％以上的4N鋁等變形阻力比較小的鋁來構(gòu)成金屬層，由此通過金屬層的變形來吸收上述應(yīng)變，實現(xiàn)防止焊料層中產(chǎn)生龜裂。

在此，針對介于由4N鋁構(gòu)成的金屬層與由銅構(gòu)成的散熱板(散熱器)之間的焊料層，計算其內(nèi)部的應(yīng)變分布的結(jié)果，確認到應(yīng)變會分布于整個金屬層，應(yīng)變廣泛分散，應(yīng)變量的峰值變低。

專利文獻1：日本專利公開2004-152969號公報

專利文獻2：日本專利公開2004-153075號公報

專利文獻3：日本專利公開2004-200369號公報

專利文獻4：日本專利公開2004-207619號公報

然而，如上所述，通過4N鋁等變形阻力較小的鋁而形成金屬層的情況下，焊料層在寬范圍內(nèi)產(chǎn)生龜裂，金屬層與散熱器的接合變得不充分，從而有可能導(dǎo)致熱循環(huán)負載后熱阻上升。推測這是因為在熱循環(huán)負載時，金屬層變形至必要以上的程度，導(dǎo)致對與散熱器之間的焊料層進一步負載應(yīng)變，雖然特意使應(yīng)變廣泛分散，應(yīng)變量也無法充分減低。

尤其，近年來，伴隨功率模塊的小型化、薄型化的發(fā)展，其使用環(huán)境也逐漸變得苛刻，來自半導(dǎo)體元件等電子部件的發(fā)熱量變大，因此熱循環(huán)的溫度差大，有焊料層在寬范圍地產(chǎn)生龜裂的傾向。

并且，作為介于金屬層與散熱器之間的焊料層，近年來，使用例如Sn-Ag系或Sn-Ag-Cu系的無鉛焊材。這些焊材為析出硬化型焊材，其通過由Sn-Ag金屬間化合物構(gòu)成的析出物分散于Sn的母相中而硬化。由這些焊材構(gòu)成的焊料層，由于析出物的粒徑或分散狀態(tài)通過熱循環(huán)而變化，因此有焊料層的強度對熱不穩(wěn)定的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是鑒于所述情況而完成的，其目的在于提供一種能夠抑制介于由鋁構(gòu)成的金屬層與由銅構(gòu)成的散熱器之間的焊料層中龜裂的產(chǎn)生以及加劇，且接合可靠性優(yōu)異的自帶散熱器的功率模塊用基板、具備該自帶散熱器的功率模塊用基板的自帶冷卻器的功率模塊用基板以及功率模塊。

為了解決該問題，本發(fā)明人等經(jīng)深入研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在金屬層中通過使用鋁的純度為99.0質(zhì)量％以上且99.85質(zhì)量％以下(所謂的2N鋁)的鋁板，與使用4N鋁的鋁板時相比較，可抑制金屬層的變形。并且，針對介于由2N鋁構(gòu)成的金屬層與由銅構(gòu)成的散熱器之間的焊料層，計算出其內(nèi)部的應(yīng)變分布的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在金屬層的周緣部應(yīng)變量變高，在金屬層內(nèi)側(cè)區(qū)域應(yīng)變量變低。

本發(fā)明是根據(jù)這些見解而完成的，本發(fā)明所涉及的自帶散熱器的功率模塊用基板具備：功率模塊用基板，其具備陶瓷基板、配設(shè)于所述陶瓷基板的一面的電路層、及配設(shè)于所述陶瓷基板的另一面的由鋁構(gòu)成的金屬層；及散熱器，通過焊料層而接合于該金屬層的另一面?zhèn)龋矣摄~或銅合金構(gòu)成，其中，所述金屬層通過Al含量為99.0質(zhì)量％以上且99.85質(zhì)量％以下的鋁板接合于所述陶瓷基板而形成，所述焊料層通過固溶硬化型焊材而形成，該固溶硬化型焊材含有作為主成分的Sn和固溶于該Sn的母相中的固溶元素。