專利名稱：功率模塊用基板及制法、自帶散熱器的該基板及功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具備搭載有半導(dǎo)體元件等電子零件的電路層的功率模塊用基板、 該功率模塊用基板的制造方法、利用該功率模塊用基板的自帶散熱器的功率模塊用基板及功率模塊。
背景技術(shù)：
由于在半導(dǎo)體元件中用于電力供給的功率元件的發(fā)熱量比較高，所以作為搭載該功率元件的基板，例如，如專利文獻(xiàn)1所示，廣泛使用有如下功率模塊用基板在由AlN(氮化鋁)構(gòu)成的陶瓷基板上，通過Al-Si系釬料接合有成為電路層的Al(鋁)的金屬板。并且，例如，如專利文獻(xiàn)2-4所示，提出有如下功率模塊用基板在陶瓷基板上通過熔融金屬接合法接合鋁合金部件而形成電路層。在這種功率模塊用基板中，作為功率元件的半導(dǎo)體元件通過焊層搭載于電路層上，并作為功率模塊使用。在此，上述功率模塊中，在使用時熱循環(huán)會被負(fù)荷。于是，存在如下憂慮基于陶瓷基板與鋁的熱膨脹系數(shù)之差的應(yīng)力作用于陶瓷基板與電路層的接合界面，從而接合可靠性下降。因此，以往由純度為99. 99%以上的4N鋁等變形阻力比較小的鋁構(gòu)成電路層，通過電路層的變形來吸收熱應(yīng)力，從而謀求接合可靠性的提高。專利文獻(xiàn)1 日本專利公開2005-3^087號公報專利文獻(xiàn)2 日本專利公開2002-3^814號公報專利文獻(xiàn)3 日本專利公開2005-252136號公報專利文獻(xiàn)4 日本專利公開2007-092150號公報但是，由純度為99. 99%以上(4N招)等變形阻力比較小的鋁構(gòu)成電路層時，存在負(fù)荷熱循環(huán)時在電路層的表面產(chǎn)生起伏或褶皺的問題。若像這樣在電路層的表面產(chǎn)生起伏或褶皺，則由于在焊層產(chǎn)生裂紋，所以功率模塊的可靠性會下降。尤其，最近，由于功率模塊的小型化、薄壁化正在發(fā)展的同時，其使用環(huán)境也越來越嚴(yán)峻，并且來自半導(dǎo)體元件等電子零件的發(fā)熱量逐漸變大，所以熱循環(huán)的溫度差就會變大，在電路層的表面產(chǎn)生起伏或褶皺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種在熱循環(huán)負(fù)荷時，能夠抑制在電路層的表面產(chǎn)生起伏或褶皺，并且，能夠抑制熱應(yīng)力作用于陶瓷基板與電路層的接合界面，熱循環(huán)可靠性優(yōu)異的功率模塊用基板、該功率模塊用基板的制造方法、具備該功率模塊用基板的自帶散熱器的功率模塊用基板及功率模塊。為了解決這樣的課題而實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明的功率模塊用基板，在陶瓷基板的一面配設(shè)鋁制電路層，并且在該電路層的一面上配設(shè)電子零件，其特征在于，所述電路層具有主體層及配置成在所述一面?zhèn)缺┞兜谋砻嬗不瘜?，所述電路層的所述一面的壓痕硬度Hs
4設(shè)定在50mgf/ym2以上200mgf/ym2以下的范圍內(nèi)，所述電路層中，具有所述壓痕硬度Hs 的80%以上的壓痕硬度的區(qū)域成為所述表面硬化層，所述表面硬化層含有選自B、Ti、V、 Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，所述主體層的壓痕硬度Hb不到所述壓痕硬度Hs的80%。另外，本發(fā)明的壓痕硬度H是指，利用稱為伯克維奇壓頭的棱間角為114.8°以上 115. 1°以下的三棱錐金剛石壓頭，將試驗載荷設(shè)為5000mgf而計量施加負(fù)荷時的載荷-位移關(guān)系，并用式H = 37. 926X IO-3X (載荷〔mgf〕)+位移〔μ m〕2)定義的硬度。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板，由于在電路層中，形成有焊層的電路層的一面?zhèn)刃纬捎斜砻嬗不瘜樱摫砻嬗不瘜拥膲汉塾捕仍O(shè)定為所述電路層的所述一面的壓痕硬度 Hs (50mgf/ μ m2以上200mgf/ym2以下)的80%以上，所以電路層的一面?zhèn)炔糠值淖冃巫枇ψ兇螅軌蛞种茻嵫h(huán)負(fù)荷時的起伏或褶皺的產(chǎn)生。另外，由于所述表面硬化層含有選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素，所以通過這些添加元素硬化鋁，從而能夠形成所述表面硬化層。并且，電路層具有壓痕硬度Hb為不到所述壓痕硬度Hs的80%的主體層，所以在該主體層中，變形阻力變得較小。因此，能夠通過該主體層的變形吸收熱循環(huán)負(fù)荷時的熱應(yīng)力，并且能夠提高陶瓷基板與電路層的接合可靠性。在此，優(yōu)選所述表面硬化層的厚度為1 μ m以上300 μ m以下，所述主體層的厚度為 100 μ m以上1500 μ m以下。此時，由于表面硬化層的厚度為Iym以上300 μπι以下，所以能夠確實地防止在電路層的一面產(chǎn)生起伏或褶皺。并且，由于主體層的厚度為100 μ m以上1500 μ m以下，所以能夠用主體層確實地吸收熱循環(huán)負(fù)荷時的熱應(yīng)力。并且，優(yōu)選所述表面硬化層中的所述添加元素的含量的總計為0.2atOm%以上 10atom% 以下。此時，由于表面硬化層含有總計0. 2atom%以上10atom%以下的上述添加元素， 所以能夠通過這些添加元素確實地硬化鋁，并且能夠形成具有所述壓痕硬度的表面硬化層。另外，所述陶瓷基板優(yōu)選由A1N、Si3N4或Al2O3構(gòu)成。此時，陶瓷基板的絕緣性優(yōu)異，因此能夠提供絕緣可靠性高的功率模塊用基板。本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法，制造所述功率模塊用基板，其特征在于，具備有固著工序，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素固著于成為所述電路層的金屬板的所述一面，形成含有該添加元素的固著層；以及加熱工序，加熱所述電路層，通過使所述添加元素朝向所述電路層的內(nèi)部擴(kuò)散，從而在所述電路層的所述一面形成表面硬化層。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板的制造方法，在加熱工序中，通過使形成于電路層的一面的固著層中所含的選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素向電路層的內(nèi)部擴(kuò)散，從而電路層的一面?zhèn)鹊奶砑釉貪舛茸兏撸S著遠(yuǎn)離一面添加元素濃度變低。而且，通過該添加元素的濃度分布，在電路層的一面?zhèn)刃纬杀砻嬗不瘜?，以層壓在該表面硬化層的方式形成主體層。因此能夠制造具備表面硬化層和主體層的功率模塊用基板。
并且，本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法，制造所述功率模塊用基板，其特征在于，具有固著工序，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素固著在成為所述電路層的金屬板的一面，形成含有該添加元素的固著層；層壓工序，在所述金屬板的另一面?zhèn)韧ㄟ^釬料層壓所述陶瓷基板；加熱工序，將被層壓的所述陶瓷和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r進(jìn)行加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及凝固工序，通過使該熔融金屬區(qū)域凝固來接合所述陶瓷基板和所述金屬板，在所述加熱工序中，通過使所述固著層的所述添加元素朝向所述電路層的內(nèi)部擴(kuò)散，從而在所述電路層的所述一面形成表面硬化層。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板的制造方法，在用于釬焊所述金屬板和所述陶瓷基板的加熱工序中，可使固著于金屬板的一面?zhèn)鹊倪x自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素擴(kuò)散來形成表面硬化層。因此，無需為了形成表面硬化層而另外進(jìn)行加熱處理，即可削減該功率模塊用基板的制造成本。另外，本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法，制造所述功率模塊用基板，其特征在于，具有固著工序，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素固著于成為所述電路層的金屬板的一面，形成含有該添加元素的固著層；第2固著工序，將選自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li的1種或2種以上的第2添加元素固著于所述金屬板的另一面和所述陶瓷基板的一面中的至少一方，形成第2固著層；層壓工序，通過所述第2 固著層來層壓所述陶瓷基板和所述金屬板；加熱工序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r進(jìn)行加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及凝固工序，通過使該熔融金屬區(qū)域凝固來接合所述陶瓷基板和所述金屬板，在所述加熱工序中，通過使所述固著層的所述添加元素朝向所述電路層的內(nèi)部擴(kuò)散，從而在所述電路層的所述一面形成表面硬化層。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板的制造方法，可通過加熱工序使選自Si、CU、Zn、Ge、 Ag、Mg、Ca及Li中的1種或2種以上的第2添加元素擴(kuò)散來形成熔融金屬區(qū)域，并且通過接合所述金屬板和所述陶瓷基板來形成電路層。并且，在該加熱工序中，能夠使固著于金屬板的一面?zhèn)鹊倪x自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素擴(kuò)散來形成表面硬化層。因此，無需為了形成表面硬化層而另外進(jìn)行加熱處理，即可消減該功率模塊用基板的制造成本。并且，本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法，制造所述功率模塊用基板，其特征在于，具有固著工序，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素固著于成為所述電路層的金屬板的一面，形成含有該添加元素的固著層；第2固著工序，將選自Si、Cu、Ag及Ge中的1種或2種以上的第2添加元素和選自Ti、Zr、Hf、Ta、Nb及Mo中的1種或2種以上的活性元素固著于所述金屬板的另一面和所述陶瓷基板的一面中的至少一方，由此形成含有這些第2添加元素及活性元素的第2固著層；層壓工序，通過所述第2 固著層來層壓所述陶瓷基板和所述金屬板；加熱工序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r進(jìn)行加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及凝固工序，通過使該熔融金屬區(qū)域凝固來接合所述陶瓷基板和所述金屬板，在所述加熱工序中，通過使所述添加元素擴(kuò)散在所述金屬板，從而在所述金屬板表層形成金屬硬化層。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板的制造方法，可通過加熱工序使選自Si、Cu、Ag及 Ge的1種或2種以上的第2添加元素和選自Ti、Zr、Hf、Ta、Nb及Mo的1種或2種以上的活性元素擴(kuò)散來形成熔融金屬區(qū)域，并且通過接合所述金屬板和所述陶瓷基板來形成電路層。尤其，所述第2添加元素為使鋁的熔點降低的元素，所以在比較低溫的條件下，能夠在金屬板與陶瓷基板的界面形成熔融金屬區(qū)域。并且，在該加熱工序中，能夠使固著于金屬板的一面?zhèn)鹊倪x自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、 Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素擴(kuò)散來形成表面硬化層。因此，無需為了形成表面硬化層而另外進(jìn)行加熱處理，即可消減該功率模塊用基板的制造成本。在此，在所述固著工序中優(yōu)選與所述添加元素一同固著Al。此時，由于與所述添加元素一同固著Al，所以能夠確實地固著選自B、Ti、V、Cr、 Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素。另外，為了與所述添加元素一同固著Al， 可以同時蒸鍍所述添加元素和Al，也可以將所述添加元素和Al的合金作為靶來使用而進(jìn)行濺射。并且，所述固著工序優(yōu)選通過電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者涂布分散有含所述添加元素的粉末的糊劑或墨水來固著所述添加元素，形成所述固著層。此時，可通過電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者涂布分散有含所述添加元素的粉末的糊劑或墨水將所述添加元素確實地固著于所述金屬板的一面，并且能夠形成所述固著層。而且，能夠精確地調(diào)整所述添加元素的固著量。并且，本發(fā)明的自帶散熱器的功率模塊用基板的特征在于，具備所述功率模塊用基板及對該功率模塊用基板進(jìn)行冷卻的散熱器。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的自帶散熱器的功率模塊用基板，由于具備有對功率模塊用基板進(jìn)行冷卻的散熱器，所以能夠通過散熱器有效地冷卻產(chǎn)生在功率模塊用基板上的熱。另外，本發(fā)明的功率模塊的特征在于，具備所述功率模塊用基板及搭載于該功率模塊用基板上的電子零件。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊，由于陶瓷基板與電路層的接合強(qiáng)度高，并且，能夠抑制形成于電路層與半導(dǎo)體元件之間的焊層上的裂紋的產(chǎn)生，所以即使在嚴(yán)峻的使用環(huán)境中，也能夠使其可靠性飛躍地提高。 根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種，在熱循環(huán)負(fù)荷時能夠抑制在電路層的表面產(chǎn)生起伏或褶皺，并且，能夠抑制熱應(yīng)力作用于陶瓷基板與電路層的接合界面，另外熱循環(huán)可靠性優(yōu)異的功率模塊用基板、該功率模塊用基板的制造方法、具備該功率模塊用基板的自帶散熱器的功率模塊用基板及功率模塊。


圖1是使用本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的功率模塊的簡要說明圖。圖2是表示本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的說明圖。圖3是表示本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的電路層的說明圖。圖4是表示本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。圖5是表示本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的制造方法的說明圖。圖6是表示圖5中的金屬板與陶瓷基板的接合界面附近的說明圖。
圖7是使用本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的功率模塊的簡要說明圖。圖8是表示本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的說明圖。圖9是表示本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的電路層(金屬層)與陶瓷基板的接合界面的放大說明圖。圖10是表示本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。圖11是表示本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的制造方法的說明圖。圖12是表示本發(fā)明的第3實施方式的功率模塊用基板的說明圖。圖13是表示本發(fā)明的第3實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。圖14是表示本發(fā)明的第4實施方式的功率模塊用基板的說明圖。圖15是表示本發(fā)明的第4實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。圖16是表示本發(fā)明的第5實施方式的功率模塊用基板的說明圖。圖17是表示本發(fā)明的第5實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。[符號說明]1、101-功率模塊，3-半導(dǎo)體芯片(電子零件)，10、110、210、310、410-功率模塊用基板，11、111、211、311、411-陶瓷基板，12、112、212、312、412_ 電路層，12A、112A、212A、 312A、412A-表面硬化層，12B、112B、212B、312B、412B_ 主體層，40、140-散熱器。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。圖1表示使用本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的功率模塊。該功率模塊1具備有功率模塊用基板10，配設(shè)有電路層12 ；半導(dǎo)體芯片3，通過焊層2接合于電路層12的表面；及散熱器40。在此，焊層2為例如Sn-Ag系、SnHn系、或者Sn-Ag-Cu系的焊料。另外，在本實施方式中，電路層12與焊層2之間設(shè)置有M鍍層(未圖示)。如圖1及圖2所示，功率模塊用基板10具備有陶瓷基板11，構(gòu)成絕緣層；電路層 12，配設(shè)于該陶瓷基板11的一面(在圖1及圖2中為上部)；及金屬層13，配設(shè)于陶瓷基板 11的另一面(在圖1及圖2中為下部)。陶瓷基板11為防止電路層12與金屬層13之間的電連接的基板，由絕緣性高的 AlN(氮化鋁)構(gòu)成。并且，陶瓷基板11的厚度設(shè)定在0. 2 1. 5mm的范圍內(nèi)，在本實施方式中設(shè)定為0.635mm。另外，如圖1及圖2所示，在本實施方式中，陶瓷基板11的寬度設(shè)定為寬于電路層12及金屬層13的寬度。如圖5所示，電路層12通過在陶瓷基板11的一面(在圖5中為上部)接合具有導(dǎo)電性的金屬板22而形成。在本實施方式中，電路層12通過由純度為99. 99%以上的鋁 (所謂4N鋁)的壓延板構(gòu)成的金屬板22接合于陶瓷基板11而形成。如圖5所示，金屬層13通過在陶瓷基板11的另一面(在圖5中的下部)接合金屬板23而形成。在本實施方式中，金屬層13與電路層12同樣通過由純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)的壓延板構(gòu)成的金屬板23接合于陶瓷基板11而形成。散熱器40用于冷卻所述功率模塊用基板10，如圖1所示，具備有頂板部41 ；及流路42，用于使冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)流通。散熱器40 (頂板部41)優(yōu)選由熱傳導(dǎo)性良好的材質(zhì)構(gòu)成，在本實施方式中，由A6063(鋁合金)構(gòu)成。并且，在本實施方式中，在散熱器40的頂板部41與金屬層13之間設(shè)置有由鋁或鋁合金或者包含鋁的復(fù)合材料(例如AlSiC等)構(gòu)成的緩沖層15。而且，如圖2所示，電路層12具備有表面硬化層12A，配設(shè)于其一面(在圖2中為上部)側(cè)；及主體層12B，位于該表面硬化層12A的另一面?zhèn)取１砻嬗不瘜?2A在電路層12的一面暴露，從該一面朝向另一面?zhèn)?在圖2中為下側(cè))延伸，是相對于電路層12的一面的壓痕硬度Hs具有80%以上的壓痕硬度的區(qū)域。在此，在本實施方式中，電路層12的一面的壓痕硬度Hs設(shè)定在50mgf/l·! m2以上200mgf/μ m2 以下的范圍內(nèi)。主體層12B成為其壓痕硬度Hb不到所述壓痕硬度Hs的80%的區(qū)域。另外，在本實施方式中，電路層12中與陶瓷基板11的接合界面附近形成有界面附近層12C，該界面附近層的壓痕硬度Hc高于主體層12B的壓痕硬度Hb。在此，在本實施方式中，表面硬化層12A的厚度ts為Ιμπι以上300μπι以下，主體層12Β的厚度tb為100 μ m以上1500 μ m以下，界面附近層12C的厚度tc為50 μ m以上 300 μ m以下。并且，表面硬化層12A含有選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，該添加元素的含量的總計為0. 2at0m%以上IOatom1^以下。另外，在本實施方式中，含有0. 2atom%以上10atom%以下的！^e作為添加元素。如圖3所示，在電路層12中，構(gòu)成為如下其一面的添加元素的含量最高，隨著朝向另一面?zhèn)龋孔兊?。這是因為通過該添加元素電路層12的一部分被硬化，并且形成了上述表面硬化層12A。另一方面，如圖3所示，在主體層12B中，由于添加元素的含量少，因此Al的純度高，變形阻力依舊小。另外，在位于陶瓷基板11側(cè)的界面附近層12C中，陶瓷基板11與金屬板22的接合中所利用的元素擴(kuò)散而Al的純度變得低于主體層12B。以下，參照圖4至圖6對所述結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板10的制造方法進(jìn)行說明。(固著工序S01)首先，如圖5所示，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素通過濺射固著在成為電路層12的金屬板22的一面，形成含有該添加元素的固著層 22A。在本實施方式中，將!^e作為添加元素固著，將其固著量設(shè)定為0.05mg/cm2以上 1. 6mg/cm2 以下。(層壓工序SO2)接著，如圖5所示，成為電路層12的金屬板22 (4N鋁的壓延板)通過厚度為5 50 μ m(本實施方式中為14 μ m)的釬料箔M層壓于陶瓷基板11的一面?zhèn)?，成為金屬?3 的金屬板23 (4N鋁的壓延板)通過厚度為5 50 μ m (本實施方式中為14 μ m)的釬料箔25 層壓于陶瓷基板11的另一面?zhèn)取４藭r，金屬板22層壓成形成有固著層22A的面的相反面朝向陶瓷基板11側(cè)。如此形成層壓體20。另外，在本實施方式中，釬料箔M、25成為含有熔點降低元素Si的Al-Si系釬料。
(加熱工序SO3)接著，將在層壓工序S02中形成的層壓體20以向其層壓方向加壓(壓力為1 5kgf/cm2)的狀態(tài)裝入加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱。通過該加熱工序S03，釬料箔M、25和金屬板22、 23的一部分熔融，如圖6所示，在金屬板22、23與陶瓷基板11的界面處分別形成熔融金屬區(qū)域沈、27。在此，加熱溫度為550°C以上650°C以下，加熱時間為30分鐘以上180分鐘以下。并且，通過該加熱工序S03，金屬板22的固著層22k中所含的添加元素(本實施方式中為Fe)朝向金屬板22的另一面?zhèn)葦U(kuò)散。(凝固工序S04)接著，通過對層壓體20進(jìn)行冷卻，使熔融金屬區(qū)域沈、27凝固，并接合陶瓷基板 11、金屬板22及金屬板23。此時，釬料箔M、25中所含的熔點降低元素(Si)向金屬板22、 ^3側(cè)擴(kuò)散。如此，成為電路層12及金屬層13的金屬板22、23與陶瓷基板11接合，制造出本實施方式的功率模塊用基板10。并且，在電路層12中通過固著層22A中所含的添加元素擴(kuò)散而形成表面硬化層 12A及主體層12B。并且，通過釬料箔M中所含的Si擴(kuò)散而形成接合附近層12C。并且，在該功率模塊用基板10的金屬層13的另一面?zhèn)龋ㄟ^緩沖層15由釬焊等接合散熱器40，形成自帶散熱器的功率模塊用基板。并且，在電路層12的表面通過焊層2 搭載半導(dǎo)體芯片3，從而制造出本實施方式的功率模塊1。成為如以上結(jié)構(gòu)的本實施方式的功率模塊用基板10及功率模塊用基板的制造方法中，電路層12的一面?zhèn)刃纬捎斜砻嬗不瘜?2A，電路層12的一面的壓痕硬度Hs設(shè)定在 50mgf/μ m2以上200mgf/ μ m2以下的范圍內(nèi)，由于該壓痕硬度Hs的80%以上的區(qū)域成為表面硬化層12A，所以電路層12的一面?zhèn)炔糠值淖冃巫枇ψ兇?，能夠抑制熱循環(huán)負(fù)荷時的起伏或褶皺的產(chǎn)生。并且，電路層12具有壓痕硬度Hb不到所述壓痕硬度Hs的80%的主體層12B，所以在該主體層12B中變形阻力比較小，能夠通過該主體層12B的變形吸收熱循環(huán)負(fù)荷時的熱應(yīng)力。因此，能夠提高陶瓷基板11與電路層12的接合可靠性。另外，由于表面硬化層12A的厚度為1 μ m以上300 μ m以下，所以能夠確實地防止在電路層12的一面產(chǎn)生起伏或褶皺。另外，由于主體層12B的厚度為100 μ m以上1500 μ m 以下，所以能夠以主體層12B確實地吸收熱循環(huán)負(fù)荷時的熱應(yīng)力。因此，熱循環(huán)負(fù)荷時，能夠抑制電路層12表面的起伏或褶皺的產(chǎn)生，并能夠抑制焊層2中的裂紋的產(chǎn)生。并且，能夠抑制熱應(yīng)力作用于陶瓷基板11與電路層12的接合界面，提高熱循環(huán)可靠性。該表面硬化層12A中含有選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，該添加元素的含量的總計為0. 2at0m%以上IOatom1^以下，在本實施方式中， 含有0. 2at0m%以上IOatom1^以下的!^e作為添加元素，所以通過該添加元素能夠使金屬板 22硬化，并能夠?qū)㈦娐穼?2的一面的壓痕硬度Hs設(shè)在50mgf/ μ m2以上200mgf/ μ m2以下的范圍內(nèi)。并且，在成為電路層12的金屬板22的一面通過濺射固著選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、
10Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，形成含有該添加元素(本實施方式中為Fe)的固著層22A，通過加熱該金屬板22(電路層12)使添加元素擴(kuò)散，所以在電路層12的一面?zhèn)龋?添加元素的含量變高，并能夠形成上述表面硬化層12A。并且，添加元素的含量隨著遠(yuǎn)離一面而變低，從而以層壓于表面硬化層12A的方式形成上述主體層12B。在此，本實施方式中，在釬焊陶瓷基板11和金屬板22、23的加熱工序S03中，由于使固著層22A的添加元素擴(kuò)散，所以無需進(jìn)行特別的熱處理工序，能夠控制使該功率模塊用基板10的制造成本變低。接著，參照圖7至圖11對本發(fā)明的第2實施方式進(jìn)行說明。該功率模塊101具備有功率模塊用基板110，配設(shè)有電路層112 ；半導(dǎo)體芯片3， 通過焊層2接合于電路層112的表面；及散熱器140。在此，焊層2例如為Sn-Ag系、Sn-^i 系、或者Sn-Ag-Cu系的焊料。另外，本實施方式中，在電路層112與焊層2之間設(shè)置有M 鍍層(未圖示)。功率模塊用基板110具備有陶瓷基板111 ；電路層112，配設(shè)于該陶瓷基板111 的一面(在圖7中為上部)；及金屬層113，配設(shè)于陶瓷基板111的另一面(在圖7中為下部)。陶瓷基板111為防止電路層112與金屬層113之間的電連接的基板。本實施方式中，陶瓷基板111由絕緣性高的Al2O3(氧化鋁)構(gòu)成。并且，陶瓷基板111的厚度設(shè)定在 0. 2 0. 8mm的范圍內(nèi)，在本實施方式中設(shè)定為0. 32mm。如圖11所示，電路層112通過在陶瓷基板111的一面接合具有導(dǎo)電性的金屬板 122而形成。在本實施方式中，電路層112通過由純度為99. 99%以上的鋁(4N鋁)壓延板構(gòu)成的金屬板122接合于陶瓷基板111而形成。并且，金屬層113通過在陶瓷基板111的另一面接合金屬板123而形成。在本實施方式中，金屬層113與電路層112同樣通過由純度為99. 99%以上的鋁(4N鋁)壓延板構(gòu)成的金屬板123接合于陶瓷基板111而形成。散熱器140用于冷卻所述功率模塊用基板110，如圖7所示，具備有與功率模塊用基板110接合的頂板部141。本實施方式中，在該頂板部141的下方側(cè)配設(shè)有波紋狀散熱片146和底板部145，通過這些頂板部141、波紋狀散熱片146及底板部145劃分出用于使冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)流通的流路142。另外，散熱器140 (頂板部141)優(yōu)選由熱傳導(dǎo)性良好的材質(zhì)構(gòu)成，在本實施方式中由A3003(鋁合金)構(gòu)成。并且，如圖8所示，電路層112具備有表面硬化層112A，配設(shè)于其一面(圖8中為上部)側(cè)；及主體層112B，位于該表面硬化層112A的另一面?zhèn)?。表面硬化?12A在電路層112的一面暴露，并且從該一面朝向另一面?zhèn)?圖8中為下側(cè))延伸，是相對于電路層112的一面的壓痕硬度Hs具有80%以上的壓痕硬度的區(qū)域。在此，本實施方式中，電路層112的一面的壓痕硬度Hs設(shè)定在50mgf/ μ m2以上200mgf/ μπι2以下的范圍內(nèi)。主體層112Β成為其壓痕硬度Hb不到所述壓痕硬度Hs的80%的區(qū)域。另外，在本實施方式中，電路層112中與陶瓷基板111的接合界面附近形成有其壓痕硬度Hc高于主體層112Β的壓痕硬度Hb的界面附近層112C。
在此，本實施方式中，表面硬化層112A的厚度ts為Ιμπι以上300μπι以下，主體層112Β的厚度tb為100 μ m以上1500 μ m以下，界面附近層112C的厚度tc為50 μ m以上 300 μ m以下。并且，表面硬化層112A含有選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，該添加元素的含量總計為0. 2at0m%以上IOatom1^以下。另外，本實施方式中，含有0. 2atom%以上10atom%以下的!^e作為添加元素。電路層112中，構(gòu)成為如下其一面的添加元素的含量最高，并且隨著朝向另一面?zhèn)龋孔兊?。這是因為通過該添加元素電路層112的一部分被硬化，并形成了上述表面硬化層112A。另一方面，主體層112B中，上述添加元素的含量少，所以Al的純度高，變形阻力依舊小。另外，在位于陶瓷基板111側(cè)的界面附近層112C中，在陶瓷基板111與金屬板122 的接合中所利用的元素擴(kuò)散，從而Al的純度變得低于主體層。若詳細(xì)敘述，在界面附近層112C中固溶有選自Si、Cu、Ag及Ge中的1種或2種以上的第2添加元素。在此，該界面附近層112C的接合界面?zhèn)鹊乃龅?添加元素濃度的總計設(shè)定在0. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。本實施方式中，將Cu和Ge作為第2添加元素使用，界面附近層112C的Cu濃度設(shè)定在0. 05質(zhì)量％以上1質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，Ge濃度設(shè)定在0. 05質(zhì)量％以上1質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。另外，界面附近層112C的所述第2添加元素濃度是以EPMA分析(斑點直徑30 μ m) 在接合界面至50 μ m的范圍內(nèi)進(jìn)行5點測定的平均值。該EPMA分析中，使整個斑點直徑進(jìn)入從接合界面至50 μ m的范圍內(nèi)而實施分析。并且，陶瓷基板111與電路層112(金屬板122)的接合界面130介入有選自Ti、 Zr、Hf、Ta、Nb及Mo中的1種或2種以上的活性元素。另外，在本實施方式中介入有Hf作為活性元素。在此，如圖9所示，接合界面130部分中形成有氧化物層132，該氧化物層由包含活性金屬Hf和氧的氧化合物構(gòu)成。該氧化物層132是通過活性金屬Hf和由Al2O3構(gòu)成的陶瓷基板111的氧反應(yīng)而生成的。該氧化物層132的厚度H例如為0. 1 μ m以上5 μ m以下。另外，在本實施方式中，對成為金屬層113的金屬板123與陶瓷基板111的接合， 也與成為電路層112的金屬板122和陶瓷基板111相同地進(jìn)行，在接合界面部分形成有氧化物層，金屬層113的接合界面附近也固溶有第2添加元素。以下，參照圖10及圖11對所述結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板110的制造方法進(jìn)行說明。(第1固著工序Sll)首先，如圖11所示，在成為電路層112的金屬板122的一面通過濺射固著選自B、 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，形成含有該添加元素的固著層 122A。在本實施方式中，固著Fe作為添加元素，并將其固著量設(shè)定在0. 05mg/cm2以上 1. 6mg/cm2 以下。(第2固著工序S12)
接著，在金屬板122、123的各接合面通過濺射固著第2添加元素Cu及Ge和活性元素Hf，形成第2固著層124、125。在本實施方式中，第2固著層124、125中的Cu量設(shè)定在0. 08mg/cm2以上2. 7mg/cm2 以下，Ge量設(shè)定在0. 002mg/cm2以上2. 5mg/cm2以下，Hf量設(shè)定在0. lmg/cm2以上6. 7mg/ cm2以下。(層壓工序S13)接著，將金屬板122層壓在陶瓷基板111的一面?zhèn)?，并且，將金屬?23層壓在陶瓷基板111的另一面?zhèn)?。此時，如圖11所示，金屬板122、123中形成有第2固著層124、125 的面以朝向陶瓷基板111的方式進(jìn)行層壓。即，使第2固著層124、125介入于金屬板122、 123與陶瓷基板111之間。這樣形成層壓體120。(加熱工序S14)接著，將在層壓工序S13中形成的層壓體120以向其層壓方向加壓(壓力為1 5kgf/cm2)的狀態(tài)裝入加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱，在金屬板122、123與陶瓷基板111的界面處分別形成熔融金屬區(qū)域。該熔融金屬區(qū)域是通過第2固著層124、125的Cu及Ge向金屬板122、 123側(cè)擴(kuò)散，金屬板122、123的第2固著層124、125附近的Cu濃度、Ge濃度上升而熔點變低而形成的。此時，活性金屬Hf與構(gòu)成陶瓷基板111的Al2O3反應(yīng)，生成含Hf和氧的氧化合物 (例如HfO2)，形成氧化物層132。并且，通過該加熱工序S14，金屬板122的固著層122A中所含的添加元素(本實施方式中為Fe)朝向金屬板122的另一面?zhèn)葦U(kuò)散。另外，在本實施方式中，將加熱爐內(nèi)的氣氛設(shè)為隊氣體氣氛，加熱溫度設(shè)定在 5500C以上650°C以下的范圍內(nèi)。(凝固工序S15)接著，在形成有熔融金屬區(qū)域的狀態(tài)下將溫度保持為恒定。這樣，熔融金屬區(qū)域中的Cu、Ge進(jìn)一步向金屬板122、123側(cè)擴(kuò)散。由此，曾為熔融金屬區(qū)域的部分的Cu濃度、Ge 濃度逐漸降低，熔點上升，在將溫度保持為恒定的狀態(tài)下進(jìn)行凝固。即，陶瓷基板111和金屬板 122、123 通過所謂等溫擴(kuò)散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)接合。如此，進(jìn)行凝固之后進(jìn)行冷卻至常溫。如此，成為電路層112及金屬層113的金屬板122、123與陶瓷基板111接合，制造出本實施方式的功率模塊用基板110。并且，在電路層112中，通過固著層122A中所含的添加元素擴(kuò)散來形成表面硬化層112A及主體層112B。而且，通過第2固著層IM中所含的Cu及Ge擴(kuò)散來形成接合附近層 112C。并且，散熱器140通過釬焊等接合于該功率模塊用基板110的金屬層113的另一面?zhèn)龋纬勺詭崞鞯墓β誓K用基板。并且，通過焊層2在電路層112的表面搭載半導(dǎo)體芯片3，從而制造出本實施方式的功率模塊101。在成為如以上結(jié)構(gòu)的本實施方式的功率模塊用基板110及功率模塊101中，由于在電路層112的一面形成有表面硬化層112A，所以電路層112的一面?zhèn)炔糠值淖冃巫枇ψ兇?，能夠抑制熱循環(huán)負(fù)荷時的起伏或褶皺的產(chǎn)生。并且，由于電路層112具有壓痕硬度低于所述表面硬化層112A的主體層112B，所以能夠通過該主體層112B的變形吸收熱循環(huán)負(fù)荷時的熱應(yīng)力。因此，能夠提高陶瓷基板111與電路層112的接合可靠性。并且，在本實施方式中，由于具備有在金屬板122、123的接合面固著Cu、Ge作為第 2添加元素的第2固著工序S12，所以Cu及Ge介入于金屬板122、123與陶瓷基板111的接合界面130中。而且，陶瓷基板111由Al2O3構(gòu)成，金屬板122、123與陶瓷基板111的接合界面130 中介入有Hf作為活性元素，更具體地，由于在接合界面130形成有由含Hf和氧的氧化合物構(gòu)成的氧化物層132，所以通過該氧化物層132能夠謀求陶瓷基板111與金屬板122、123的接合強(qiáng)度的提高。另外，由于該氧化物層132通過活性元素Hf和陶瓷基板111的氧進(jìn)行反應(yīng)而生成，所以與陶瓷基板111的接合強(qiáng)度極高。并且，本實施方式中，在陶瓷基板111與金屬板122、123的界面處形成熔融金屬區(qū)域的加熱工序S14中，由于使固著層122A的添加元素擴(kuò)散，所以無需進(jìn)行特別的熱處理工序，就能夠控制使該功率模塊用基板110的制造成本變低。接著，利用圖12及圖13對本發(fā)明的第3實施方式的功率模塊用基板進(jìn)行說明。本實施方式的功率模塊用基板210具備有陶瓷基板211 ；電路層212，配設(shè)于該陶瓷基板211的一面(在圖12中為上部)；金屬層213，配設(shè)于陶瓷基板211的另一面(在圖12中為下部)。陶瓷基板211為防止電路層212與金屬層213之間的電連接的基板。在本實施方式中，陶瓷基板211由絕緣性高的Si3N4(氮化硅)構(gòu)成。并且，陶瓷基板211的厚度設(shè)定在 0. 2 1. 5mm的范圍內(nèi)，在本實施方式中設(shè)定為0. 32mm。電路層212通過在陶瓷基板211的一面接合具有導(dǎo)電性的金屬板而形成。在本實施方式中，電路層212通過由純度為99. 99%以上的鋁(4N鋁)的壓延板構(gòu)成的金屬板接合于陶瓷基板211而形成。金屬層213通過在陶瓷基板211的另一面接合金屬板而形成。在本實施方式中， 金屬層213與電路層212同樣通過由純度為99. 99%以上的鋁GN^)的壓延板構(gòu)成的金屬板接合于陶瓷基板211而形成。并且，如圖12所示，電路層212具備有表面硬化層212A，配設(shè)于其一面(在圖12 中為上部)側(cè)；以及主體層212B，位于該表面硬化層212A的另一面?zhèn)?。表面硬化?12A暴露在電路層212的一面，并從該一面朝向另一面?zhèn)?在圖12 中為下側(cè))延伸，是相對于電路層212的一面的壓痕硬度Hs具有80%以上的壓痕硬度的區(qū)域。在此，本實施方式中，電路層212的一面的壓痕硬度Hs設(shè)定在50mgf/ μ m2以上200mgf/ μπι2以下的范圍內(nèi)。主體層212Β成為其壓痕硬度Hb不到所述壓痕硬度Hs的80%的區(qū)域。另外，在本實施方式中，電路層212中與陶瓷基板211的接合界面附近形成有其壓痕硬度Hc高于主體層212Β的壓痕硬度Hb的界面附近層212C。在此，在本實施方式中，表面硬化層212Α的厚度ts為Ιμπι以上300μπι以下，主體層212Β的厚度tb為100 μ m以上1500 μ m以下，界面附近層212C的厚度tc為50 μ m以上300 μ m以下。并且，表面硬化層212A含有選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，該添加元素的含量的總計為0. 2at0m%以上IOatom1^以下。另外，在本實施方式中，含有0. 2atom%以上10atom%以下的!^e作為添加元素。在電路層212中，構(gòu)成為如下其一面的添加元素的含量最高，隨著朝向另一面?zhèn)?，含量變低。這是因為通過該添加元素電路層212的一部分被硬化，并形成了上述表面硬化層212A。另一方面，在主體層212B中，由于上述添加元素的含量少，所以Al的純度高，變形阻力依舊小。另外，在位于陶瓷基板211側(cè)的界面附近層212C中，通過在陶瓷基板211與金屬板的接合中所利用的元素擴(kuò)散，從而Al的純度變得低于主體層212B。若詳細(xì)敘述，在界面附近層212C中固溶有選自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li中的1種或2種以上的第2添加元素。在此，該界面附近層212C的所述第2添加元素濃度的總計設(shè)定在0. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。在本實施方式中，使用Si及Cu作為第2添加元素，界面附近層212C的Si濃度設(shè)定在0. 05質(zhì)量％以上0. 5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，Cu濃度設(shè)定在0. 05質(zhì)量％以上1質(zhì)量％ 以下的范圍內(nèi)。另外，界面附近層212C的所述第2添加元素濃度是以EPMA分析(斑點直徑30 μ m) 在接合界面至50 μ m的范圍內(nèi)進(jìn)行5點測定的平均值。該EPMA分析中，使整個斑點直徑進(jìn)入從接合界面到50 μ m的范圍內(nèi)而實施分析。另外，在本實施方式中，對成為金屬層213的金屬板與陶瓷基板211的接合也與成為電路層212的金屬板和陶瓷基板211相同地進(jìn)行，金屬層213的接合界面附近也固溶有第2添加元素。以下，參照圖13的流程圖對所述結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板210的制造方法進(jìn)行說明。(第1固著工序S21)首先，通過濺射在成為電路層212的金屬板的一面固著選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、 Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，形成含有該添加元素的固著層。在本實施方式中，固著!^e作為添加元素，將其固著量設(shè)定在0. 05mg/cm2以上 1. 6mg/cm2 以下。(第2固著工序S22)接著，通過濺射在成為電路層212的金屬板及成為金屬層213的金屬板的各接合面固著第2添加元素即選自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li中的1種或2種以上的第2添加元素，并形成第2固著層。在本實施方式中，使用Cu及Si作為第2添加元素，第2固著層中的Cu量設(shè)定在 0. 08mg/cm2 以上 2. 7mg/cm2 以下，Si 量設(shè)定在 0. 002mg/cm2 以上 1. 2mg/cm2 以下。(層壓工序S23)接著，層壓陶瓷基板211和金屬板。此時，以金屬板中形成有第2固著層的面朝向陶瓷基板211的方式層壓。即，這是因為使第2固著層介入于金屬板與陶瓷基板211之間。 這樣形成層壓體。(加熱工序S24)
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接著，將在層壓工序S23中形成的層壓體以向其層壓方向加壓(壓力為1 ^gf/ cm2)的狀態(tài)裝入加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱，在金屬板與陶瓷基板211的界面處分別形成熔融金屬區(qū)域。該熔融金屬區(qū)域是通過第2固著層的Cu及Si向金屬板側(cè)擴(kuò)散，從而金屬板的第2 固著層附近的Cu濃度、Si濃度上升而熔點變低而形成的。而且，通過該加熱工序S24，成為電路層212的金屬板的固著層中所含的添加元素 (本實施方式中為Fe)朝向金屬板的另一面?zhèn)葦U(kuò)散。另外，在本實施方式中，將加熱爐內(nèi)的氣氛設(shè)為隊氣體氣氛，加熱溫度設(shè)定在 5500C以上650°C以下的范圍內(nèi)。(凝固工序S25)接著，在熔融金屬區(qū)域形成的狀態(tài)下將溫度保持為恒定。這樣，熔融金屬區(qū)域中的 Cu、Si進(jìn)一步向金屬板側(cè)擴(kuò)散。由此，曾為熔融金屬區(qū)域的部分的Cu濃度、Si濃度逐漸降低，熔點上升，在將溫度保持為恒定的狀態(tài)下進(jìn)行凝固。即，這是因為陶瓷基板211和金屬板通過所謂等溫擴(kuò)散接合CTransient Liquid Phase Diffusion Bonding)接合。如此，進(jìn)行凝固之后進(jìn)行冷卻至常溫。如此，成為電路層212及金屬層213的金屬板與陶瓷基板211接合，制造出本實施方式的功率模塊用基板210。并且，在電路層212中，通過固著層中所含的添加元素擴(kuò)散來形成表面硬化層 212A及主體層212B。而且，通過第2固著層中所含的Cu及Si擴(kuò)散來形成接合附近層212C。在成為如以上結(jié)構(gòu)的本實施方式的功率模塊用基板210中，由于電路層212的一面形成有表面硬化層212A，所以能夠抑制熱循環(huán)負(fù)荷時的起伏或褶皺的產(chǎn)生。并且，電路層 212具有硬度低于表面硬化層212A的主體層212B，所以能夠通過該主體層212B的變形吸收熱循環(huán)負(fù)荷時的熱應(yīng)力。并且，本實施方式中，在陶瓷基板211與金屬板的界面處形成熔融金屬區(qū)域的加熱工序中S24中，由于使形成于成為電路層212的金屬板的固著層的添加元素擴(kuò)散，所以無需進(jìn)行特別的熱處理工序就能夠形成表面硬化層212A，并能夠控制使該功率模塊用基板 210的制造成本變低。接著，用圖14及圖15對本發(fā)明的第4實施方式的功率模塊用基板進(jìn)行說明。本實施方式的功率模塊用基板310具備有陶瓷基板311 ；電路層312，配設(shè)于該陶瓷基板311的一面(在圖14中為上部)；金屬層313，配設(shè)于陶瓷基板311的另一面(在圖14中為下部)。陶瓷基板311為防止電路層312與金屬層313之間的電連接的基板。在本實施方式中，陶瓷基板311由絕緣性高的AlN(氮化鋁)構(gòu)成。并且，陶瓷基板311的厚度設(shè)定在 0. 2 1. 5mm的范圍內(nèi)，在本實施方式中設(shè)定為0. 635mm。電路層312通過在陶瓷基板311的一面接合具有導(dǎo)電性的金屬板而形成。在本實施方式中，電路層312通過由純度為99. 99%以上的鋁(4N鋁)的壓延板構(gòu)成的金屬板接合于陶瓷基板311而形成。金屬層313通過在陶瓷基板311的另一面接合金屬板而形成。在本實施方式中， 金屬層313與電路層312同樣通過由純度為99. 99%以上的鋁GN^)的壓延板構(gòu)成的金屬板接合于陶瓷基板311而形成。
并且，如圖14所示，電路層312具備有表面硬化層312A，配設(shè)于其一面(在圖14 中為上部)側(cè)；以及主體層312B，位于該表面硬化層312A的另一面?zhèn)?。表面硬化?12A暴露在電路層312的一面，并從該一面朝向另一面?zhèn)?在圖14 中為下側(cè))延伸，是相對于電路層312的一面的壓痕硬度Hs具有80%以上的壓痕硬度的區(qū)域。在此，本實施方式中，電路層312的一面的壓痕硬度Hs設(shè)定在50mgf/ μ m2以上200mgf/ μπι2以下的范圍內(nèi)。主體層312Β成為其壓痕硬度Hb不到所述壓痕硬度Hs的80%的區(qū)域。另外，本實施方式中，電路層312中與陶瓷基板311的接合界面附近形成有其壓痕硬度Hc高于主體層312Β的壓痕硬度Hb的界面附近層312C。在此，在本實施方式中，表面硬化層312Α的厚度ts為Ιμπι以上300μπι以下，主體層312Β的厚度tb為100 μ m以上1500 μ m以下，界面附近層312C的厚度tc為50 μ m以上300 μ m以下。并且，表面硬化層312A含有選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，該添加元素的含量的總計為0. 2at0m%以上IOatom1^以下。另外，在本實施方式中，含有0. 2atom%以上10atom%以下的!^e作為添加元素。在電路層312中，構(gòu)成為如下其一面的添加元素的含量最高，隨著朝向另一面?zhèn)?，含量變低。這是因為通過該添加元素電路層312的一部分被硬化，并形成了上述表面硬化層312A。另一方面，在主體層312B中，由于上述添加元素的含量少，所以Al的純度高，變形阻力依舊小。另外，在位于陶瓷基板311側(cè)的界面附近層312C中，通過在陶瓷基板311與金屬板的接合中所利用的元素擴(kuò)散，從而Al的純度變得低于主體層312B。若詳細(xì)敘述，在界面附近層312C中固溶有Al-Si系釬料中所含的Si。以下，參照圖15的流程圖對所述結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板310的制造方法進(jìn)行說明。(層壓工序S31)首先，在陶瓷基板311的一面?zhèn)韧ㄟ^厚度為15 30 μπι(本實施方式中為20 μπι) 的釬料箔對成為電路層312的金屬板進(jìn)行層壓，并在陶瓷基板311的另一面?zhèn)韧ㄟ^厚度為 15 30 μ m(本實施方式中為20 μ m)的釬料箔對成為金屬層313的金屬板進(jìn)行層壓而形成層壓體。另外，本實施方式中，釬料箔設(shè)為含有熔點降低元素Si的Al-Si系釬料。(接合加熱工序S32)接著，將在層壓工序S31中形成的層壓體以向其層壓方向加壓(壓力為l ^gf/ cm2)的狀態(tài)裝入加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱，并在金屬板與陶瓷基板311的界面處分別形成熔融金屬區(qū)域。另外，本實施方式中，將加熱爐內(nèi)的氣氛設(shè)為隊氣體氣氛，加熱溫度設(shè)定在550°C 以上650°C以下的范圍內(nèi)。(凝固工序S33)接著，通過對層壓體進(jìn)行冷卻使熔融金屬區(qū)域凝固，接合陶瓷基板311和金屬板。 如此，成為電路層312及金屬層313的金屬板與陶瓷基板311接合。此時，通過釬料箔中所含的Si擴(kuò)散，電路層312上形成接合附近層312C。(固著工序SM)接著，在電路層312的一面通過濺射固著選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1 種或2種以上的添加元素，形成含有該添加元素的固著層。在本實施方式中，固著!^e作為添加元素，將其固著量設(shè)定在0. 05mg/cm2以上 1. 6mg/cm2 以下。(加熱工序S35)而且，通過加熱爐將形成有固著層的電路層312與被接合的陶瓷基板311及金屬層313 —同進(jìn)行加熱。此時的加熱溫度成為低于上述接合加熱工序S32的溫度。通過該加熱工序S35，金屬板的固著層中所含的的添加元素(本實施方式中為狗) 朝向金屬板的另一面?zhèn)葦U(kuò)散。由此，在電路層312中通過固著層中所含的添加元素擴(kuò)散而形成表面硬化層312A及主體層312B，制造出本實施方式的功率模塊用基板310。在成為如以上結(jié)構(gòu)的本實施方式的功率模塊用基板310中，由于在電路層312的一面形成有表面硬化層312A，所以能夠抑制熱循環(huán)負(fù)荷時的起伏或褶皺的產(chǎn)生。并且，電路層312具有硬度低于表面硬化層312A的主體層312B，所以能夠通過該主體層312B的變形吸收熱循環(huán)負(fù)荷時的熱應(yīng)力。接著，用圖16及圖17對本發(fā)明的第5實施方式的功率模塊用基板進(jìn)行說明。本實施方式的功率模塊用基板410具備有陶瓷基板411 ；電路層412，配設(shè)于該陶瓷基板411的一面(在圖16中為上部)；及金屬層413，配設(shè)于陶瓷基板411的另一面 (在圖16中為下部)。陶瓷基板411由絕緣性高的AlN(氮化鋁)構(gòu)成，其厚度設(shè)定在0. 2 1. 5mm的范圍內(nèi)，本實施方式中設(shè)定為0. 635mm。電路層412通過在陶瓷基板411的一面接合具有導(dǎo)電性的金屬板而形成。在本實施方式中，電路層412通過由純度為99. 99%以上的鋁(4N鋁)的壓延板構(gòu)成的金屬板接合于陶瓷基板411而形成。金屬層413通過在陶瓷基板411的另一面接合金屬板而形成。在本實施方式中， 金屬層413與電路層412同樣通過由純度為99. 99%以上的鋁GN^)的壓延板構(gòu)成的金屬板接合于陶瓷基板411而形成。并且，如圖16所示，電路層412具備有表面硬化層412A，配設(shè)于其一面(在圖16 中為上部)側(cè)；以及主體層412B，位于該表面硬化層412A的另一面?zhèn)?。表面硬化?12A暴露在電路層412的一面，并從該一面朝向另一面?zhèn)?在圖16 中為下側(cè))延伸，是相對于電路層412的一面的壓痕硬度Hs具有80%以上的壓痕硬度的區(qū)域。在此，本實施方式中，電路層412的一面的壓痕硬度Hs設(shè)定在50mgf/ μ m2以上200mgf/ μπι2以下的范圍內(nèi)。主體層412Β成為其壓痕硬度Hb不到所述壓痕硬度Hs的80%的區(qū)域。另外，本實施方式中，電路層412中與陶瓷基板411的接合界面附近形成有其壓痕硬度Hc高于主體層412Β的壓痕硬度Hb的界面附近層412C。在此，在本實施方式中，表面硬化層412Α的厚度ts為Ιμπι以上300μπι以下，主體層412Β的厚度tb為100 μ m以上1500 μ m以下，界面附近層412C的厚度tc為50 μ m以上300 μ m以下。并且，表面硬化層412A含有選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，該添加元素的含量的總計為0. 2at0m%以上IOatom1^以下。另外，在本實施方式中，含有0. 2atom%以上10atom%以下的!^e作為添加元素。在電路層412中，構(gòu)成為如下其一面的添加元素的含量最高，隨著朝向另一面?zhèn)龋孔兊?。這是因為通過該添加元素電路層412的一部分被硬化，并形成了上述表面硬化層412A。另一方面，在主體層412B中，由于上述添加元素的含量少，所以Al的純度高，變形阻力依舊小。另外，在位于陶瓷基板411側(cè)的界面附近層412C中，通過在陶瓷基板411與金屬板的接合中所利用的元素擴(kuò)散，從而Al的純度變得低于主體層412B。本實施方式中，界面附近層412C中固溶有Al-Si系的釬料所含的Si。以下，參照圖17的流程圖對所述結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板410的制造方法進(jìn)行說明。(固著工序S41)首先，在成為固著層的金屬板的一面通過濺射固著選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及 Mo中的1種或2種以上的添加元素，形成含有該添加元素的固著層。在本實施方式中，固著!^e作為添加元素，將其固著量設(shè)定在0. 05mg/cm2以上 1. 6mg/cm2 以下。(加熱工序S42)接著，通過加熱爐對形成于固著層的金屬板進(jìn)行加熱。此時的加熱溫度設(shè)定為 550 650O。通過加熱工序S42，金屬板的固著層中所含的添加元素(本實施方式中為Fe)朝向金屬板的另一面?zhèn)葦U(kuò)散。由此，在成為電路層的金屬板中形成表面硬化層412Α、主體層 412Β。(層壓工序S43)接著，在陶瓷基板411的一面?zhèn)韧ㄟ^厚度為15 30 μ m(本實施方式中為20 μ m) 的釬料箔對使添加元素擴(kuò)散的金屬板進(jìn)行層壓，并在陶瓷基板411的另一面?zhèn)韧ㄟ^厚度為 15 30 μ m(本實施方式中為20 μ m)的釬料箔對成為金屬層413的金屬板進(jìn)行層壓而形成層壓體。另外，本實施方式中，釬料箔設(shè)為含有熔點降低元素Si的Al-Si系釬料。(接合加熱工序S44)接著，將在層壓工序S43中形成的層壓體以向其層壓方向加壓(壓力為1 ^gf/ cm2)的狀態(tài)裝入加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱，并在金屬板與陶瓷基板411的界面處分別形成熔融金屬區(qū)域。另外，本實施方式中，將加熱爐內(nèi)的氣氛設(shè)為隊氣體氣氛，加熱溫度設(shè)定在550°C 以上650°C以下的范圍內(nèi)。即，設(shè)為低于所述加熱工序S42的溫度。(凝固工序S45)接著，通過對層壓體進(jìn)行冷卻使熔融金屬區(qū)域凝固，接合陶瓷基板411和金屬板。 如此，成為電路層412及金屬層413的金屬板與陶瓷基板411接合。此時，通過釬料箔中所
19含的Si擴(kuò)散，從而在電路層412中形成接合附近層412C。如此，制造出本實施方式的功率模塊用基板410。在成為如以上結(jié)構(gòu)的本實施方式的功率模塊用基板410中，由于電路層412的一面形成有表面硬化層412A，所以能夠抑制熱循環(huán)負(fù)荷時的起伏或褶皺的產(chǎn)生。并且，電路層 412具有硬度低于表面硬化層412A的主體層412B，所以能夠通過該主體層412B的變形吸收熱循環(huán)負(fù)荷時的熱應(yīng)力。而且，本實施方式中，在成為電路層412的金屬板形成固著層并進(jìn)行加熱，在形成表面硬化層412A及主體層412B之后，使金屬板與陶瓷基板411接合，所以能夠在高于金屬板與陶瓷基板411的接合溫度的溫度條件下使添加元素擴(kuò)散。因此能夠使用鋁中的擴(kuò)散速度慢的元素(例如Ti、V、Mo)作為添加元素。以上，對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明不限定于此，在不脫離其發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)能夠適當(dāng)變更。例如，以通過濺射固著選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素的情況進(jìn)行了說明，但是不限定于此，也可通過電鍍、蒸鍍、CVD、冷噴涂或者涂布分散有含所述添加元素的粉末的糊劑或涂布墨水而固著添加元素。并且，也可以與Al —同固著添加元素、第2添加元素、活性元素。此時，即使是Ca 及Li等容易氧化的元素也能夠確實地固著。另外，為了使Al與所述添加元素一同固著，可以同時蒸鍍所述添加元素和Al，也可以利用所述添加元素和Al的合金作為靶而進(jìn)行濺射。并且，以由鋁構(gòu)成散熱器的情況進(jìn)行了說明，但也可以由鋁合金或含鋁的復(fù)合材料等構(gòu)成。另外，對具有冷卻介質(zhì)的流路作為散熱器的情況進(jìn)行了說明，但是不特別限定于散熱器的結(jié)構(gòu)，能夠使用各種結(jié)構(gòu)的散熱器。并且，在第2、第3實施方式中，對利用N2氣氛的加熱爐進(jìn)行陶瓷基板與金屬板的接合進(jìn)行了說明，但不限定于此，也可利用真空爐進(jìn)行陶瓷基板與金屬板的接合。此時的真空度優(yōu)選設(shè)為10_6 KT3Pa的范圍內(nèi)。另外，在第2實施方式中，使用Al2O3作為陶瓷基板，對在陶瓷基板與金屬板的接合界面處形成含活性元素的氧化物層進(jìn)行了說明，但不限定于此，也可以使用AlN或Si3N4作為陶瓷基板，在陶瓷基板與金屬板接合的界面處形成含活性元素的氮化物層。[實施例]對為確認(rèn)本發(fā)明的有效性而進(jìn)行的比較試驗進(jìn)行說明。首先，在由厚度為0. 6mm的4N鋁構(gòu)成的金屬板的一面固著表1所示的添加元素， 通過加熱形成表面硬化層及主體層。將添加元素的固著量、加熱條件示于表1。[表1]
權(quán)利要求
1.一種功率模塊用基板，在陶瓷基板的一面配設(shè)有鋁制電路層，并且在該電路層的一面上配設(shè)電子零件，其特征在于，所述電路層具有主體層及配置成在所述一面?zhèn)缺┞兜谋砻嬗不瘜樱?所述電路層的所述一面的壓痕硬度Hs設(shè)定在50mgf/ym2以上200mgf/ym2以下的范圍內(nèi)，所述電路層中，具有所述壓痕硬度Hs的80%以上的壓痕硬度的區(qū)域成為所述表面硬化層，所述表面硬化層含有選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co及Mo中的1種或2種以上的添加元素，所述主體層的壓痕硬度Hb不到所述壓痕硬度Hs的80%。
2.如權(quán)利要求1所述的功率模塊用基板，其特征在于，所述表面硬化層的厚度為Iym以上300 μπι以下，所述主體層的厚度為100 μ m以上 1500 μ m 以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的功率模塊用基板，其特征在于，所述表面硬化層中的所述添加元素的含量的總計為0. 2at0m%以上IOatom1^以下。
4.如權(quán)利要求1或2所述的功率模塊用基板，其特征在于， 所述陶瓷基板由A1N、Si3N4或Al2O3構(gòu)成。
5.一種功率模塊用基板的制造方法，制造權(quán)利要求1至4中的任一項所述的功率模塊用基板，其特征在于，具備有固著工序，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素固著于成為所述電路層的金屬板的所述一面，形成含有該添加元素的固著層；以及加熱工序，加熱所述電路層，通過使所述添加元素朝向所述電路層的內(nèi)部擴(kuò)散，從而在所述電路層的所述一面形成表面硬化層。
6.一種功率模塊用基板的制造方法，制造權(quán)利要求1至4中的任一項所述的功率模塊用基板，其特征在于，具有固著工序，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素固著在成為所述電路層的金屬板的一面，形成含有該添加元素的固著層； 層壓工序，在所述金屬板的另一面?zhèn)韧ㄟ^釬料層壓所述陶瓷基板； 加熱工序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r進(jìn)行加熱， 在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及凝固工序，通過使該熔融金屬區(qū)域凝固來接合所述陶瓷基板和所述金屬板， 在所述加熱工序中，通過使所述固著層的所述添加元素朝向所述電路層的內(nèi)部擴(kuò)散， 從而在所述電路層的所述一面形成表面硬化層。
7.—種功率模塊用基板的制造方法，制造權(quán)利要求1至4中的任一項所述的功率模塊用基板，其特征在于，具有固著工序，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素固著于成為所述電路層的金屬板的一面，形成含有該添加元素的固著層；第2固著工序，將選自Si、Cu、Zn、Ge、Ag、Mg、Ca及Li中的1種或2種以上的第2添加元素固著于所述金屬板的另一面和所述陶瓷基板的一面中的至少一方，形成第2固著層；層壓工序，通過所述第2固著層來層壓所述陶瓷基板和所述金屬板； 加熱工序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r進(jìn)行加熱， 在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及凝固工序，通過使該熔融金屬區(qū)域凝固來接合所述陶瓷基板和所述金屬板， 在所述加熱工序中，通過使所述固著層的所述添加元素朝向所述電路層的內(nèi)部擴(kuò)散， 從而在所述電路層的所述一面形成表面硬化層。
8.—種功率模塊用基板的制造方法，制造權(quán)利要求1至4中的任一項所述的功率模塊用基板，其特征在于，具有固著工序，將選自B、Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0及Mo中的1種或2種以上的添加元素固著于成為所述電路層的金屬板的一面，形成含有該添加元素的固著層；第2固著工序，將選自Si、Cu、Ag及Ge中的1種或2種以上的第2添加元素和選自Ti、 Zr、Hf、Ta、Nb及Mo中的1種或2種以上的活性元素固著于所述金屬板的另一面和所述陶瓷基板的一面中的至少一方，形成含有這些第2添加元素及活性元素的第2固著層； 層壓工序，通過所述第2固著層來層壓所述陶瓷基板和所述金屬板； 加熱工序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r進(jìn)行加熱， 在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及凝固工序，通過使該熔融金屬區(qū)域凝固來接合所述陶瓷基板和所述金屬板， 通過使所述添加元素擴(kuò)散在所述金屬板，從而在所述金屬板表層形成金屬硬化層。
9.如權(quán)利要求5至8中的任一項所述的功率模塊用基板的制造方法，其特征在于， 在所述固著工程中，與所述添加元素一同固著Al。
10.如權(quán)利要求5至8中的任一項所述的功率模塊用基板的制造方法，其特征在于， 所述固著工序通過電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者涂布分散有含所述添加元素的粉末的糊劑或墨水來固著所述添加元素，形成所述固著層。
11.一種自帶散熱器的功率模塊用基板，其特征在于，具備 權(quán)利要求1至4中的任一項所述的功率模塊用基板；及對該功率模塊用基板進(jìn)行冷卻的散熱器。
12.—種功率模塊，其特征在于，具備權(quán)利要求1至4中的任一項所述的功率模塊用基板；及搭載于該功率模塊用基板上的電子零件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種功率模塊用基板、功率模塊用基板的制造方法、自帶散熱器的功率模塊用基板及功率模塊，該功率模塊用基板在熱循環(huán)負(fù)荷時，能抑制電路層表面產(chǎn)生起伏或褶皺，并且，能夠抑制熱應(yīng)力作用于陶瓷基板和電路層的接合界面，另外，熱循環(huán)可靠性優(yōu)異。一種功率模塊用基板(10)，在陶瓷基板(11)的一面配設(shè)有鋁制電路層(12)，其中，電路層(12)具有主體層(12B)及配置成在所述一面?zhèn)缺┞兜谋砻嬗不瘜?12A)，電路層(12)的所述一面的壓痕硬度(Hs)設(shè)定在50mgf/μm2以上200mgf/μm2以下的范圍內(nèi)，該壓痕硬度(Hs)的80％以上的區(qū)域成為表面硬化層(12A)，主體層(12B)的壓痕硬度(Hb)不到所述壓痕硬度Hs的80％。
文檔編號H01L23/14GK102194767SQ20111004594
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者殿村宏史, 長友義幸, 長瀨敏之, 黑光祥郎 申請人:三菱綜合材料株式會社