功率模块用基板单元及功率模块制造技术

本发明专利技术的功率模块用基板单元(51)中，电路层(12)由多个小电路层(12S)构成，陶瓷基板层(11)由至少一片构成，金属层(13)由至少一片构成，小电路层(12S)为层叠结构，该层叠结构具有接合在陶瓷基板层(11)一侧面的第1铝层(15)和固相扩散接合在该第1铝层(15)的第1铜层(16)，金属层(13)由与第1铝层(15)相同的材料形成，散热板(30)由铜或铜合金形成，金属层(13)与散热板(30)固相扩散接合，将第1铜层(16)的厚度设为t1(mm)，将接合面积设为A1(mm2)，将屈服强度设为σ1(N/mm2)，将与所述金属层接合的位置上的散热板(30)的厚度设为t2，将接合面积设为A2(mm2)，将屈服强度设为σ2(N/mm2)时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种控制大电流及高电压的半导体装置中所使用的功率模块用基板单元及功率模块。本申请主张基于2014年7月4日申请的日本专利申请2014-138716号及2015年6月30日申请的日本专利申请2015-130972号的优先权，并将其内容援用于此。
技术介绍
功率模块中使用一种在以氮化铝为首的陶瓷基板的一侧面接合有形成电路层的金属板，并且在另一侧面接合有散热板的功率模块用基板。该功率模块用基板的电路层上经由焊材搭载有功率元件等半导体元件。随着半导体元件的高输出功率密度化而推进小型化，越来越要求模块的集成化。作为一般的功率模块的集成化，已知有在绝缘基板上排列附加多个电路层的方法。然而，存在若在绝缘基板设置多个电路层则因制造工序中或使用时的温度变化而发生翘曲之类的课题。若在功率模块用基板上发生翘曲，则在半导体元件的安装工序中发生安装不良而降低功率模块的成品率，或在实际使用时散热性能受阻，因此需要制造出翘曲较少的功率模块用基板。专利文献1中公开有设置多个绝缘基板(在陶瓷基板上形成配线层而成的配线陶瓷基板)，并利用接合部件(引线框架)将这些多个绝缘基板接合，利用封装树脂将各绝缘基板及功率半导体元件成型的功率模块。并且，该专利文献1中记载通过使用多个绝缘基板的结构，能够防止陶瓷基板的龟裂和封装树脂的剥离。专利文献2中公开有不像专利文献1中记载的功率模块那样使用引线框架而是通过定位部件直接支承，从而对多个绝缘基板(电路基板)进行定位的功率模块。专利文献1：日本专利公开2007-27261号公报专利文献2：日本专利公开2013-157578号公报但是，专利文献1中记载的方法中，即使能够通过防止陶瓷基板的龟裂和封装树脂的剥离来维持良好的散热性，也要使刚性不太高的配线部件(引线框架)承担定位功能，因此很难获得各绝缘基板的位置精度，且很难实现更高的集成化。并且，如专利文献2中所述，在直接支承绝缘基板的方法中，因为模具的局限性等，也不容易对多个绝缘基板进行准确定位。
技术实现思路
本专利技术是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种由温度变化引起的形状变化较少、散热性优异且能够实现电路的集成化的功率模块用基板单元及功率模块。本专利技术的功率模块用基板单元，其具有：陶瓷基板层；电路层，由接合在该陶瓷基板层的一侧面的多个小电路层构成；金属层，接合在所述陶瓷基板层的另一侧面；及一片散热板，接合在所述金属层，各所述小电路层为具有接合在所述陶瓷基板层的所述一侧面的第1铝层和固相扩散接合在该第1铝层的第1铜层的层叠结构，所述金属层由与所述第1铝层相同的材料形成，所述散热板由铜或铜合金形成，固相扩散接合于所述金属层，将所述第1铜层的厚度设为t1(mm)，将所述第1铜层的接合面积设为A1(mm2)，将所述第1铜层的屈服强度设为σ1(N/mm2)，将与所述金属层接合的位置上的所述散热板的厚度设为t2(mm)，将所述散热板的接合面积设为A2(mm2)，将所述散热板的屈服强度设为σ2(N/mm2)时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下。将电路层(小电路层)设为第1铝层与第1铜层的层叠结构，对于该电路层在陶瓷基板层的相反侧经由通过与第1铝层相同材料形成的金属层配置由铜或铜合金形成的散热板，且对于电路层的第1铜层与散热板，将它们的厚度、接合面积及屈服强度的关系设定在上述范围内，从而能够构成以陶瓷基板层为中心的对称结构。即，通过在散热板上排列配设多个小电路层等来将电路层图案化的情况下，虽然与电路层的接合部分和接合有金属层的散热板的接合部分的形状不同，但考虑它们的接合部分上的第1铜层与散热板的对称性，从而能够提高以陶瓷基板层为中心的对称性。由此，能够使在加热时等作用于陶瓷基板层的两面的应力难以发生偏向，且难以发生翘曲。因此，不仅能够抑制各层层叠时的初始翘曲，即使在半导体元件的安装工序时和使用环境下也能够抑制翘曲的发生，也作为绝缘基板也能够提高可靠性，且能够发挥良好的散热性。并且，通过在一片散热板上接合多个小电路层，能够对多个小电路层进行准确地定位，且能够实现高集成化。本专利技术的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述陶瓷基板层由与所述小电路层的同等数量的小陶瓷基板构成，所述金属层由与所述小电路层同等数量的小金属层构成，经由所述小陶瓷基板接合所述小电路层与所述小金属层而成的多个功率模块用基板隔着间隔接合在所述散热板上。本专利技术的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述陶瓷基板层由与所述小电路层同等数量的小陶瓷基板构成，所述金属层由一片构成，功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过接合所述小电路层与所述小陶瓷基板而得到的层叠基板隔着间隔接合在所述金属层上而成。本专利技术的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述陶瓷基板层由一片构成，所述金属层由与所述小电路层同等数量的小金属层构成，功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过将所述小电路层与所述小金属层经由所述陶瓷基板层隔着间隔接合在该陶瓷基板层的表面方向上而成。本专利技术的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述陶瓷基板层由一片构成，并且所述金属层由一片构成，功率模块用基板经由所述金属层而接合在所述散热板上，所述功率模块用基板通过所述小电路层隔着间隔接合于所述陶瓷基板层的所述一侧面，且在该陶瓷基板层的所述另一侧面接合所述金属层而成。在上述各结构中，将第1铜层与散热板的关系设定为，使比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)成为0.80以上且1.20以下，从而能够构成以陶瓷基板层为中心的对称结构，能够使在加热时等作用于陶瓷基板层的两面的应力难以发生偏向，且难以发生翘曲。并且，在陶瓷基板层由热膨胀系数比较小且刚性高的一片陶瓷基板构成的情况下，由于能够使加热时等作用于陶瓷基板层的两面的应力难以发生偏向，因此能够提高防止翘曲的发生的效果。本专利技术的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述第1铝层与所述第1铜层经由钛层而固相扩散接合。本专利技术的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述金属层与所述散热板经由钛层而固相扩散接合。本专利技术的功率模块用基板单元可以是如下结构：所述第1铝层与所述第1铜层及所述金属层与所述散热板经由钛层而固相扩散接合。所述第1铝层与所述第1铜层及所述金属层与所述散热板中任一个或双方经由钛层而固相扩散接合，因此功率模块用基板单元变成高温时，能够抑制Al与Cu的金属间化合物的生长，且能够提高接合可靠性和寿命。本专利技术的功率模块具备：所述功率模块用基板单元；接合在所述功率模块用基板单元的至少一个所述小电路层的半导体元件及外部连接用引线框架；及封装所述半导体元件和所述功率模块用基板单元中除所述散热板的表面以外的部分的树脂模。通过使用在一片散热板接合多个小电路层的功率模块用基板单元，从而能够容易制造集成化的功率模块。并且，功率模块用基板单元通过一片散热板而被一体化，因此即使在封装时有树脂压力进行作用也难以产生位置偏离和变形。根据本专利技术，能够抑制因半导体元件的安装工序时和使用环境下的温度变化引起的形状变化，且能够提高作为绝缘基板的可靠性和半导体元件的连接可靠性，并发挥良好的散热性。并且，能够准确地进行多个小电路层的定位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率模块用基板单元，其特征在于，具有：陶瓷基板层；电路层，由接合在该陶瓷基板层的一侧面的多个小电路层构成；金属层，接合在所述陶瓷基板层的另一侧面；及一片散热板，接合在所述金属层，各所述小电路层为层叠结构，该层叠结构具有接合在所述陶瓷基板层的所述一侧面的第1铝层和固相扩散接合在该第1铝层的第1铜层，所述金属层由与所述第1铝层相同的材料形成，所述散热板由铜或铜合金形成，固相扩散接合于所述金属层，将所述第1铜层的厚度设为t1，将所述第1铜层的接合面积设为A1，将所述第1铜层的屈服强度设为σ1，将与所述金属层接合的位置上的所述散热板的厚度设为t2，将所述散热板的接合面积设为A2，将所述散热板的屈服强度设为σ2时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下，其中，所述t1和t2的单位为mm，所述A1和A2的单位为mm2，所述σ1和σ2的单位为N/mm2。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.04 JP 2014-1387161.一种功率模块用基板单元，其特征在于，具有：陶瓷基板层；电路层，由接合在该陶瓷基板层的一侧面的多个小电路层构成；金属层，接合在所述陶瓷基板层的另一侧面；及一片散热板，接合在所述金属层，各所述小电路层为层叠结构，该层叠结构具有接合在所述陶瓷基板层的所述一侧面的第1铝层和固相扩散接合在该第1铝层的第1铜层，所述金属层由与所述第1铝层相同的材料形成，所述散热板由铜或铜合金形成，固相扩散接合于所述金属层，将所述第1铜层的厚度设为t1，将所述第1铜层的接合面积设为A1，将所述第1铜层的屈服强度设为σ1，将与所述金属层接合的位置上的所述散热板的厚度设为t2，将所述散热板的接合面积设为A2，将所述散热板的屈服强度设为σ2时，比率(t1×A1×σ1)/(t2×A2×σ2)为0.80以上且1.20以下，其中，所述t1和t2的单位为mm，所述A1和A2的单位为mm2，所述σ1和σ2的单位为N/mm2。2.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，所述陶瓷基板层由与所述小电路层同等数量的小陶瓷基板构成，所述金属层由与所述小电路层同等数量的小金属层构成，经由所述小陶瓷基板接合所述小电路层与所述小金属层而成的多个功率模块用基板隔着间隔接合在所述散热板上。3.根据权利要求1所述的功率模块用基板单元，其特征在于，所述陶瓷基板层由与所述小电路层同等数量的小陶瓷基板构成，所述金属层由一片构成，功率模块用...

【专利技术属性】
技术研发人员：大井宗太郎，大开智哉，
申请(专利权)人：三菱综合材料株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP