电路基板及其制造方法、以及功率模块技术

一种电路基板，其在绝缘陶瓷基板２的两面上通过焊料４接合了导电层３。导电层３含有９９．９８质量％以上的Ａｌ，其平均晶体粒径为０．５ｍｍ以上且５ｍｍ以下，晶体粒径的标准偏差σ为２ｍｍ以下。导电层含有均为２０ｐｐｍ以上的Ｃｕ、Ｆｅ以及Ｓｉ。导电层中包含的具有最大晶体粒径的晶体的面积为绝缘陶瓷基板２的面积的１５％以下。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【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涉及功率模块以及在功率模块中使用的电路基板及其制造方法。该技术特别适合于在HEV(Hybrid Electric Vehicle混合驱动式电动汽车)等中使用的高可靠性逆变模块用功率模块等中应用。
技术介绍
以往，在功率模块等中使用的半导体装置中，使用在氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝等的陶瓷基板的表面和背面上分别形成有由Cu或Al构成的导电层以及散热板的电路基板。这种电路基板与树脂基板和金属基板的复合基板或树脂基板相比，可稳定获得高绝缘性。在导电层以及散热板为Cu的情况下，不能避免因陶瓷基板和焊锡的热膨胀的差异而导致的热应力的产生，长期的可靠性易于变得不充分。而在导电层以及散热板为Al的情况下，虽然在热传导性和导电性方面不如Cu，但是在受到热应力时容易进行塑性变形，缓和了应力，因此具有可靠性高的优点。在特开2001-53199号公报和特开平8-335652号公报中记载了相关技术。可是，在绝缘陶瓷的两面上接合压延材料Al板时，需要使用焊料在500℃以上的高温下进行接合。在该情况下，在焊接后，在常温状态下有时会发生翘曲，这种翘曲将会在电路基板制造工序或制造功率模块的组装工序中导致品质不良。如图3A所示，造成翘曲的原因可认为是在焊接工序中导电层中的Al晶体超大成长。由于晶体粒径显著地增大，使得形成在绝缘陶瓷基板两面上的导电层的机械特性产生各向异性，由于应力的不均衡而产生翘曲。在绝缘陶瓷基板的表面或背面上接合导电层时，从应力均衡方面考虑，优选使各个导电层的厚度相等。虽然可通过增加添加元素来抑制Al晶体的粒径，但是增加添加元素量会降低应力缓和效果。因此，Al的0.2％耐力和加工硬化指数大于基准值，例如进行-40～125℃的温度循环试验时，有可能发生陶瓷基板破裂。本专利技术就是鉴于上述情况而做出的，其目的是减少电路基板的翘曲，以及防止陶瓷基板的破裂。
技术实现思路
本专利技术的电路基板在绝缘陶瓷基板的两面上接合导电层，所述导电层含有大于等于99.98质量％的铝，其平均晶体粒径大于等于0.5mm且小于等于5mm，晶体粒径的标准偏差σ小于等于2mm。导电层晶体粒径可通过对导电层的表面利用NaOH水溶液、HF、或Ga等进行蚀刻，露出导电层的宏观组织，然后利用光学显微镜或电子显微镜(SEM)观察组织，进行测定。所述导电层也可以是含有分别为20ppm以上的Cu、Fe、Si，经过压延的层。所述导电层也可以以15％以上的压下率进行压延。此时，可获得能够抑制Al晶体的异常生长，减少晶体粒径的差异的效果。具有最大晶体粒径的晶体的面积也可以为所述绝缘陶瓷基板面积的15％以下。此时，可进一步提高防止导电层的机械特性发生各向异性的效果。所述绝缘陶瓷基板也可以由Al2O3、AlN以及Si3N4中至少一种形成。所述导电层也可以使用焊料接合在所述绝缘陶瓷基板的表面。所述焊料可以是从Al-Si类、Al-Ge类、Al-Mn类、Al-Cu类、Al-Mg类、Al-Si-Mg类、Al-Cu-Mn类以及Al-Cu-Mg-Mn类的焊料中选择出的一种或2种以上的焊料。此时，能够使导电层与绝缘陶瓷基板的接合良好。本专利技术的功率模块，具有所述电路基板和支撑该电路基板的散热板。所述电路基板的所述导电层的至少一部分相对于所述散热板，可以使用比所述焊料熔点低的焊料进行接合。另一方面，对于本专利技术的电路基板的制造方法，在绝缘陶瓷基板上通过焊料配置含有大于等于99.98质量％的铝的导电层，然后通过50kPa以上且300kPa以下的力对这些进行压接，同时在真空中或惰性气体中加热到600℃以上，从而利用上述焊料将所述导电层与所述绝缘陶瓷基板接合，并且使所述导电层的平均晶体粒径大于等于0.5mm且小于等于5mm，使晶体粒径的标准偏差σ小于等于2mm。所述制造方法也可以还具有对含有大于等于99.98质量％的铝的板材进行热处理，然后以15％以上的压下率进行压延，从而得到所述导电层的工序。通过使最终热处理后的压下率为15％以上，能够使导电层的0.2％耐力为35N/mm2以下，使Al材的加工硬度指数为0.18以下。因此，可提高防止温度反复变化时陶瓷基板的破裂等效果。例如，在进行-40℃～125℃的温度循环试验时，可提高直到基板发生破裂时的循环数。温度循环试验是指，例如利用冷热冲击实验器对电路基板反复进行以-40℃×30分钟以及125℃×30分钟为1个循环的温度处理的试验。根据本专利技术，由于使导电层的平均晶体粒径大于等于0.5mm且小于等于5mm，晶体粒径的标准偏差σ小于等于2mm，所以导电层的机械特性中不易产生各向异性，可减少电路基板的翘曲。另外，由于导电层含有大于等于99.98质量％的铝，所以应力缓和能力强，即使处于温度变化的条件下，陶瓷基板也不易产生破裂等。因此，根据本专利技术，不仅可减少电路基板的翘曲，而且在处于温度变化的场合，也可以防止陶瓷基板产生破裂等不良现象。当导电层的平均晶体粒径大于5mm时，导电层的机械特性产生各向异性，基板容易产生翘曲。平均晶体粒径小于0.5mm时，发生加工硬化增大等机械特性的变化，在温度变化的条件下变形阻抗增加，容易发生陶瓷基板的破裂和在焊接半导体芯片的焊接部分的龟裂。当晶体粒径的标准偏差为2mm以上时，导电层的晶体粒径的差异过大，机械特性可能会产生各向异性。更优选所述导电层的平均晶体粒径为0.8mm以上且在1.5mm以下，晶体粒径的标准偏差σ为1mm以下。此时，可进一步防止处于温度变化条件下的陶瓷基板破裂等的不良现象。附图说明图1是表示本专利技术的电路基板的实施方式的剖面图。图2是用于说明翘曲量的剖面图。图3A及图3B是用于说明晶体粒径的测定的示意图，图3A表示以往技术中的晶体例，图3B表示本专利技术的电路基板的导电层中的晶体的示例。图4是表示本专利技术的功率模块的实施方式的剖面图。图5是表示在本专利技术的实施例中平均晶体粒径与温度循环寿命的关系的曲线图。图6是表示在本专利技术的实施例中最大晶体面积占据陶瓷基板面积的比例与翘曲量的关系的曲线图。图7是表示扩散到接合后的Al板中的Si的浓度分布的曲线图。具体实施例方式下面，结合附图说明本专利技术的电路基板及其制造方法的实施方式。图1是表示本专利技术的电路基板1的第1实施方式的剖面图，该电路基板1在绝缘陶瓷基板2的两面上分别通过焊料层4接合Al板(导电层)3。虽然对绝缘陶瓷基板2的材质没有限定，但优选从Si3N4、AlN或AL2O3中选择出的一种或2种的复合材料。其中特别优选AlN。该AlN由于其热传导率高，为170～200W/mK，是与导电层的Al接近的值，所以能够使配置在导电层上的Si芯片的热迅速散发出去。另外，AlN的热膨胀系数低，为4.3×10-6/℃，是接近Si芯片的热膨胀系数的值，所以在固定Si芯片的焊料上不容易发生龟裂。虽然未限定绝缘陶瓷基板2的厚度，但作为一例，可以为0.3～1.5mm。绝缘陶瓷基板2的形状一般为矩形形状，但也可以是其他形状。Al板3含有99.98质量％以上的Al。当Al含有率比其低时，Al板3的应力缓和效果下降，在处于温度变化的条件下，容易发生电路基板1的翘曲和陶瓷基板2的破裂。虽然未限定Al板3的厚度，但作为一例，可以为0.25～0.6mm。在更具体的实施方式中，对于绝缘陶瓷基板2，例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电路基板，其在绝缘陶瓷基板的两面接合了导电层，所述导电层含有９９．９８质量％以上的铝，其平均晶体粒径为０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下，晶体粒径的标准偏差σ为２ｍｍ以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：长濑敏之，长友义幸，
申请(专利权)人：三菱麻铁里亚尔株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]