接合体、带散热器的绝缘电路基板及散热器
阅读说明：本技术 接合体、带散热器的绝缘电路基板及散热器 (Joined body, insulated circuit board with heat sink, and heat sink ) 是由 寺崎伸幸 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种接合体,该接合体通过固相扩散接合由铝合金构成的铝合金部件与由铜或铜合金构成的铜部件而成,冷热循环可靠性优异,且散热特性及强度优异。一种接合体,通过接合铜部件(13B)与铝合金部件(31)而成,其中,铝合金部件(31)的Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内,Fe浓度为0.15质量％以下,Cu浓度为0.05质量％以下,铝合金部件(31)与铜部件(13B)固相扩散接合,位于铝合金部件(31)侧并且由θ相构成的第一金属间化合物层(41)的厚度t1与位于铜部件(13B)侧并且由θ相以外的非θ相构成的第二金属间化合物层(42)的厚度t2的比t2/t1在1.2以上且2.0以下的范围内。(The invention provides a joined body, which is formed by solid phase diffusion bonding of an aluminum alloy component composed of an aluminum alloy and a copper component composed of copper or a copper alloy, and has excellent cold and hot circulation reliability, heat dissipation characteristics and strength. A joined body is formed by joining a copper member (13B) and an aluminum alloy member (31), wherein the aluminum alloy member (31) has an Si concentration in the range of 1.5 to 12.5 mass%, an Fe concentration of 0.15 mass%, and a Cu concentration of 0.05 mass%, the aluminum alloy member (31) and the copper member (13B) are joined by solid phase diffusion, and the ratio t2/t1 of the thickness t1 of a first intermetallic compound layer (41) located on the aluminum alloy member (31) side and composed of a theta phase to the thickness t2 of a second intermetallic compound layer (42) located on the copper member (13B) side and composed of a non-theta phase other than the theta phase is in the range of 1.2 to 2.0.)
技术领域
本发明涉及一种通过接合由铝合金构成的铝合金部件与由铜或铜合金构成的铜部件而成的接合体、对在绝缘层的一面形成有电路层的绝缘电路基板接合有散热器的带散热器的绝缘电路基板、以及在散热器主体上形成有铜部件层的散热器。
本申请主张基于2018年11月28日于日本申请的专利申请2018-222347号的优先权，并将该内容援用于此。
背景技术
LED及功率模块等的半导体装置为在由导电材料构成的电路层上接合有半导体元件的结构。
在为了控制风力发电、电动汽车及混合动力汽车等而使用的大功率控制用的功率半导体元件中，由于发热量大，因此作为搭载该功率半导体元件的基板，一直以来广泛使用绝缘电路基板，该绝缘电路基板具备例如由氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等构成的陶瓷基板、及在该陶瓷基板的一面接合导电性优异的金属板而形成的电路层。另外，作为功率模块用基板，也提供一种在陶瓷基板的另一面形成有金属层的功率模块用基板。
例如，专利文献1所示的功率模块为具备绝缘电路基板和半导体元件的结构，该绝缘电路基板在陶瓷基板的一面及另一面形成有由铝或铝合金构成的电路层及金属层，该半导体元件通过焊料材料接合于该电路层上。
并且，该功率模块为在绝缘电路基板的金属层侧接合有散热器并将从半导体元件传达至绝缘电路基板的热通过散热器散发至外部的结构。
然而，如专利文献1所记载的功率模块那样，由铝或铝合金来构成电路层及金属层的情况下，在其表面形成Al的氧化皮膜，因此存在无法通过焊料材料来接合半导体元件及散热器的问题。
因此，在专利文献2中，提案有一种将电路层及金属层设为Al层及Cu层的层叠结构的绝缘电路基板。在该绝缘电路基板中，在电路层及金属层的表面配置Cu层，因此能够使用焊料材料良好地接合半导体元件及散热器。因此，层叠方向的热阻变小，能够将从半导体元件产生的热有效地向散热器侧传递。
另外，如该专利文献2所示，也提案有一种将散热器设为散热板并将该散热板通过紧固螺钉螺纹紧固于冷却部的结构。
并且，在专利文献3中，提案有一种带散热器的绝缘电路基板，该带散热器的绝缘电路基板的金属层及散热器中的一个由铝或铝合金构成，另一个由铜或铜合金构成，这些所述金属层与所述散热器固相扩散接合。在该带散热器的绝缘电路基板中，由于金属层与散热器固相扩散接合，因此热阻小且散热特性优异。
并且，在专利文献4中，提案有一种通过固相扩散接合由ADC12等含有较多的Si的铝合金构成的散热器与由铜构成的金属层而成的带散热器的绝缘电路基板。并且，提案有一种通过固相扩散接合由ADC12等含有较多的Si的铝合金构成的散热器主体与由铜构成的金属部件层而成的散热器。
在ADC12等含有较多的Si的铝合金中，由于强度高且熔点低，因此能够设为各种形状，能够构成散热特性优异的散热器。
专利文献1：日本专利第3171234号公报
专利文献2：日本特开2014-160799号公报
专利文献3：日本特开2014-099596号公报
专利文献4：日本特开2016-208010号公报
然而，在ADC12等的铝合金中，由于添加元素多，因此有导热率变低的倾向。因此，在搭载发热量多的半导体元件等的情况下，有可能散热特性不够充分。
另一方面，纯铝的导热率高且散热特性优异。然而，纯铝在高温下的软化很明显，因此难以进行螺纹紧固。并且，由于线热膨胀系数比较大而翘曲变大，有可能与其他部件的接合不够充分。
并且，如专利文献3、4所记载那样，在固相扩散接合由铝合金构成的铝合金部件与由铜或铜合金构成的铜部件的情况下，在铝合金部件与铜部件的接合界面，形成由铜与铝构成的金属间化合物层。在此，作为由铜与铝构成的金属间化合物，如图1所示，有多相。因此，形成于铝合金部件与铜部件的接合界面的金属间化合物层形成θ相、η2相、ζ2相、δ相、γ2相这一类的各相。
在此，由于上述的金属间化合物层比较硬且脆，因此在负荷冷热循环时，金属间化合物层有可能发生破裂，从而接合率降低。
发明内容
本发明是鉴于前述情况而完成的，目的在于提供一种接合体、具备该接合体的带散热器的绝缘电路基板及散热器，该接合体通过固相扩散接合由铝合金构成的铝合金部件与由铜或铜合金构成的铜部件而成，并且冷热循环可靠性优异，且散热特性及强度优异。
为了解决前述课题，本发明的接合体是通过接合由铜或铜合金构成的铜部件与由含有Si的铝合金构成的铝合金部件而成的接合体，其特征在于，所述铝合金中，Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内，Fe浓度为0.15质量％以下，Cu浓度为0.05质量％以下，所述铝合金部件与所述铜部件固相扩散接合，在所述铝合金部件与所述铜部件的接合界面，具备由包含Cu与Al的金属间化合物构成的金属间化合物层，在所述金属间化合物层中，层叠有第一金属间化合物层和第二金属间化合物层，所述第一金属间化合物层位于所述铝合金部件侧并且由θ相构成，所述第二金属间化合物层位于所述铜部件侧并且由θ相以外的非θ相构成，由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度t1与由非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1在1.2以上且2.0以下的范围内。
根据该结构的接合体，所述铝合金的Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内，Fe浓度为0.15质量％以下，Cu浓度为0.05质量％以下，因此铝合金部件的强度高且热传导率也比较高。因此，能够使在铜部件中扩散的热有效地向铝合金部件侧传递。
并且，在本发明中，构成铝合金部件的所述铝合金的Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内，Fe浓度为0.15质量％以下，Cu浓度为0.05质量％以下，在形成于所述铝合金部件与所述铜部件的接合界面的金属间化合物层中，位于所述铝合金部件侧并且由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度t1与位于所述铜部件侧并且由θ相以外的非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1为1.2以上，因此由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度没必要过厚，且能够抑制由该θ相引起的破裂的发生。并且，确保位于铜部件侧的由非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度，从而铜部件的变形阻力大，即使以紧固等施加外力的情况下，铜部件也不容易变形，能够抑制金属间化合物层的破裂的发生。
并且，第一金属间化合物层的厚度t1与第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1为2.0以下，因此确保位于铝合金部件侧的由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度，从而铝合金部件的变形阻力大，即使以紧固等施加外力的情况下，铝合金部件也不容易变形，能够抑制金属间化合物层的破裂的发生。
本发明的带散热器的绝缘电路基板是具备绝缘层、形成于该绝缘层的一面的电路层、形成于所述绝缘层的另一面的金属层、及配置于该金属层的与所述绝缘层相反的一侧的面的散热器的带散热器的绝缘电路基板，其特征在于，所述金属层中的与所述散热器的接合面由铜或铜合金构成，所述散热器中的与所述金属层的接合面由Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的铝合金构成，所述散热器与所述金属层固相扩散接合，在所述散热器与所述金属层的接合界面，具备由包含Cu与Al的金属间化合物构成的金属间化合物层，在所述金属间化合物层中，层叠有第一金属间化合物层和第二金属间化合物层，所述第一金属间化合物层位于所述散热器侧并且由θ相构成，所述第二金属间化合物层位于所述金属层侧并且由θ相以外的非θ相构成，由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度t1与由非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1在1.2以上且2.0以下的范围内。
根据该结构的带散热器的绝缘电路基板，所述散热器由Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的铝合金构成，因此散热器的强度高，且能够进行螺纹紧固，并且能够抑制翘曲的发生，能够与冷却器等密接。并且，由于散热器的热传导率比较高，因此散热特性优异。
并且，在形成于所述散热器与所述金属层的接合界面的金属间化合物层中，位于所述散热器侧并且由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度t1与位于所述金属层侧并且由θ相以外的非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1为1.2以上，因此由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度没必要过厚，且能够抑制由该θ相引起的破裂的发生。并且，确保位于金属层侧的由非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度，从而金属层的变形阻力大，即使以紧固等施加外力的情况下，金属层也不容易变形，能够抑制金属间化合物层的破裂的发生。
并且，第一金属间化合物层的厚度t1与第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1为2.0以下，因此确保位于散热器侧的由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度，从而散热器的变形阻力大，即使以紧固等施加外力的情况下，散热器也不容易变形，能够抑制金属间化合物层的破裂的发生。
本发明的散热器是具备散热器主体与接合于所述散热器主体的由铜或铜合金构成的铜部件层的散热器，其特征在于，所述散热器主体由Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的铝合金构成，所述散热器主体与所述铜部件层固相扩散接合，在所述散热器主体与所述铜部件层的接合界面，具备由包含Cu与Al的金属间化合物构成的金属间化合物层，在所述金属间化合物层中，层叠有第一金属间化合物层和第二金属间化合物层，所述第一金属间化合物层位于所述散热器主体侧并且由θ相构成，所述第二金属间化合物层位于所述铜部件层侧并且由θ相以外的非θ相构成，由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度t1与由非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1在1.2以上且2.0以下的范围内。
根据该结构的散热器，所述散热器主体由Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的铝合金构成，因此散热器主体的强度高，且能够进行螺纹紧固，并且能够抑制翘曲的发生，能够与冷却器等密接。并且，由于散热器主体的热传导率比较高，因此散热特性优异。
并且，在形成于所述散热器主体与所述铜部件层的接合界面的金属间化合物层中，位于所述散热器主体侧并且由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度t1与位于所述铜部件层侧并且由θ相以外的非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1为1.2以上，因此由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度没必要过厚，且能够抑制由θ相引起的破裂的发生。并且，确保位于铜部件层侧的由非θ相构成的第二金属间化合物层的厚度，从而铜部件层的变形阻力大，即使以紧固等施加外力的情况下，铜部件层也不容易变形，能够抑制金属间化合物层的破裂的发生。
并且，第一金属间化合物层的厚度t1与第二金属间化合物层的厚度t2的比t2/t1为2.0以下，因此确保位于散热器主体侧的由θ相构成的第一金属间化合物层的厚度，从而散热器主体的变形阻力大，即使以紧固等施加外力的情况下，散热器主体也不容易变形，能够抑制金属间化合物层的破裂的发生。
根据本发明，可提供一种接合体、具备该接合体的带散热器的绝缘电路基板及散热器，该接合体通过固相扩散接合由铝合金构成的铝合金部件与由铜或铜合金构成的铜部件而成，并且冷热循环可靠性优异，且散热特性及强度优异。
附图说明
图1是Cu与Al的二维状态图。
图2是具备本发明的第一实施方式所涉及的带散热器的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图3是图2所示的带散热器的绝缘电路基板的散热器与金属层(Cu层)的接合界面的截面放大说明图。
图4是说明第一实施方式所涉及的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的流程图。
图5是第一实施方式所涉及的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的概略说明图。
图6是本发明的第二实施方式所涉及的散热器的概略说明图。
图7是图6所示的散热器的散热器主体与铜部件层的接合界面的截面放大说明图。
图8是说明第二实施方式所涉及的散热器的制造方法的流程图。
图9是第二实施方式所涉及的散热器的制造方法的概略说明图。
图10是具备本发明的其他实施方式的带散热器的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图11是表示通过通电加热法来进行固相扩散接合的状况的概略说明图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
在图2中表示使用本发明的第一实施方式的带散热器的绝缘电路基板30的功率模块1。
该功率模块1具备带散热器的绝缘电路基板30与半导体元件3，该半导体元件3通过焊料层2接合于该带散热器的绝缘电路基板30的一面(图2中为上面)。
带散热器的绝缘电路基板30具备绝缘电路基板10与接合于绝缘电路基板10的散热器31。
绝缘电路基板10具备构成绝缘层的陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一面(图2中为上面)的电路层12、及配设于陶瓷基板11的另一面的金属层13。
陶瓷基板11由绝缘性及散热性优异的氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)及氧化铝(Al2O3)等的陶瓷构成。在本实施方式中，陶瓷基板11由散热性尤其优异的氮化铝(AlN)构成。并且，陶瓷基板11的厚度例如设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中，设定为0.635mm。
如图5所示，电路层12是通过在陶瓷基板11的一面接合由铝或铝合金构成的铝板22而形成的。在本实施方式中，电路层12是通过在陶瓷基板11接合纯度为99质量％以上的铝(2N铝)或纯度为99.99质量％以上的铝(4N铝)的轧制板(铝板22)而形成的。另外，成为电路层12的铝板22的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为0.6mm。
如图2所示，金属层13具有配设于陶瓷基板11的另一面的Al层13A与层叠于该Al层13A中的与接合有陶瓷基板11的面相反的一侧的面的Cu层13B。
如图5所示，Al层13A是通过在陶瓷基板11的另一面接合由铝或铝合金构成的铝板23A而形成的。在本实施方式中，Al层13A是通过在陶瓷基板11接合纯度为99质量％以上的铝(2N铝)或纯度为99.99质量％以上的铝(4N铝)的轧制板(铝板23A)而形成的。所接合的铝板23A的厚度设定在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为0.6mm。
如图5所示，Cu层13B是通过在Al层13A的另一面接合由铜或铜合金构成的铜板23B而形成的。在本实施方式中，Cu层13B是通过接合无氧铜的轧制板(铜板23B)而形成的。Cu层13B的厚度设定在0.1mm以上且6mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为1mm。
散热器31用于散发绝缘电路基板10侧的热，在本实施方式中，如图2所示，设置有供冷却介质流通的流通路径32。该散热器31由Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的铝合金构成。另外，在该散热器31(铝合金)中，细微地分散有Si析出物。
在此，散热器31与金属层13(Cu层13B)固相扩散接合。
如图3所示，在金属层13(Cu层13B)与散热器31的接合界面，形成有金属间化合物层40。该金属间化合物层40是通过散热器31的Al原子与金属层13(Cu层13B)的Cu原子相互扩散而形成的。
如图3所示，该金属间化合物层40由第一金属间化合物层41和第二金属间化合物层42构成，该第一金属间化合物层41配设于散热器31侧并且由Cu与Al的金属间化合物的θ相构成，该第二金属间化合物层42配设于金属层13侧并且由θ相以外的η2相、ζ2相、δ相、γ2相等的非θ相构成。
在此，金属间化合物层40的厚度设定在10μm以上且80μm以下的范围内，优选设定在20μm以上且50μm以下的范围内。
然后，由θ相构成的第一金属间化合物层41的厚度t1与由非θ相构成的第二金属间化合物层42的厚度t2的比t2/t1在1.2以上且2.0以下的范围内。
另外，上述的厚度比t2/t1的下限优选为1.4以上，进一步优选为1.5以上。并且，上述的厚度比t2/t1的上限优选为1.8以下，进一步优选为1.6以下。
并且，由θ相构成的第一金属间化合物层41的厚度t1的下限优选为5μm以上，进一步优选为10μm以上。另一方面，由θ相构成的第一金属间化合物层41的厚度t1的上限优选为20μm以下，进一步优选为15μm以下。
接着，参考图4及图5对本实施方式的带散热器的绝缘电路基板30的制造方法进行说明。
(电路层及Al层形成工序S01)
首先，如图5所示，在陶瓷基板11的一面，通过Al-Si系的钎料箔26层叠成为电路层12的铝板22。
并且，在陶瓷基板11的另一面，通过Al-Si系的钎料箔26层叠成为Al层13A的铝板23A。另外，在本实施方式中，作为Al-Si系的钎料箔26，使用了厚度10μm的Al-8质量％Si合金箔。
然后，在沿层叠方向加压(压力1～35kgf/cm2(0.1～3.5MPa))的状态下配置于真空加热炉内进行加热，从而接合铝板22与陶瓷基板11，以形成电路层12。并且，接合陶瓷基板11与铝板23A，以形成Al层13A。
在此，优选真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定为600℃以上且650℃以下，加热温度下的保持时间设定在15分钟以上且180分钟以下的范围内。
(Cu层(金属层)形成工序S02)
接着，在Al层13A的另一面侧，层叠成为Cu层13B的铜板23B。
然后，在沿层叠方向加压(压力3～35kgf/cm2(0.3～3.5MPa))的状态下配置于真空加热炉内进行加热，从而固相扩散接合Al层13A与铜板23B，以形成金属层13。
在此，优选真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定为400℃以上且548℃以下，加热温度下的保持时间设定在5分钟以上且240分钟以下的范围内。
另外，关于Al层13A及铜板23B中的固相扩散接合的各接合面，预先去除该面的伤痕以实现平滑。
通过如上方式，制造绝缘电路基板10。
(散热器准备工序S11)
另一方面，准备散热器31。首先，制造成为散热器31的原料的铝合金板。具体而言，熔炼以Si浓度为1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的方式进行成分调整的铝合金熔液。然后，使用该铝合金熔液，通过双辊法来制造铝合金板。在双辊法中，由于冷却速度快，因此Si析出物会细微地分散。
然后，对该铝合金板进行加工，成形出散热器31。
(金属层及散热器接合工序S03)
接着，层叠上述的绝缘电路基板10的金属层13(Cu层13B)与散热器31，在沿层叠方向加压(压力5～35kgf/cm2(0.5～3.5MPa))的状态下配置于真空加热炉内进行加热，从而固相扩散接合金属层13(Cu层13B)与散热器31。另外，关于金属层13(Cu层13B)及散热器31中的固相扩散接合的各接合面，预先去除该面的伤痕以实现平滑。
在此，优选真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定为400℃以上且520℃以下，加热温度下的保持时间设定在15分钟以上且300分钟以下的范围内。
在该金属层及散热器接合工序S03中，Cu层13B中的Cu原子及散热器31中的Al原子相互扩散，如图3所示，形成层叠由θ相构成的第一金属间化合物层41与由非θ相构成的第二金属间化合物层42而成的金属间化合物层40。
如此，制造本实施方式的带散热器的绝缘电路基板30。
在此，在本实施方式中，如上所述，使用通过双辊法制造的铝合金板，成型出散热器31，因此在散热器31中，细微地分散有Si析出物。Si相较于Al，Cu的扩散速度快，因此通过Si析出物的分散，促进Cu的扩散，θ相大幅生长。由此，由θ相构成的第一金属间化合物层41的厚度t1与由非θ相构成的第二金属间化合物层42的厚度t2的比t2/t1在1.2以上且2.0以下的范围内。并且，由于在散热器31不存在粗大的Si析出物，因此能够抑制柯肯达尔空洞的过剩形成。
(半导体元件接合工序S04)
接下来，在电路层12的一面(表面)，通过焊料材料层叠半导体元件3，并且在还原炉内进行焊料接合。
通过如上方式，制造本实施方式的功率模块1。
根据如上结构的本实施方式所涉及的带散热器的绝缘电路基板30，散热器31由Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的铝合金构成，因此散热器31的强度高，能够进行螺纹紧固，并且能够抑制翘曲的发生。并且，由于散热器31的热传导率比较高，因此散热特性优异。
并且，在本实施方式中，在形成于散热器31与金属层13的接合界面的金属间化合物层40中，位于散热器31侧并且由θ相构成的第一金属间化合物层41的厚度t1与位于金属层13侧并且由θ相以外的非θ相构成的第二金属间化合物层42的厚度t2的比t2/t1为1.2以上。由此，由θ相构成的第一金属间化合物层41的厚度没必要过厚，且能够抑制由该第一金属间化合物层41引起的破裂的发生。并且，通过确保位于金属层13侧的由非θ相构成的第二金属间化合物层42的厚度，金属层13的变形阻力大，即使施加外力的情况下，金属层13也不容易变形，能够抑制金属间化合物层40的破裂的发生。
并且，第一金属间化合物层41的厚度t1与第二金属间化合物层42的厚度t2的比t2/t1为2.0以下，因此确保位于散热器31侧的由θ相构成的第一金属间化合物层41的厚度，从而散热器31的变形阻力大，即使施加外力的情况下，散热器31也不容易变形，能够抑制金属间化合物层40的破裂的发生。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式的散热器进行说明。在图6中表示本发明的第二实施方式所涉及的散热器101。
该散热器101具备散热器主体110与层叠于散热器主体110的一面(图6中为上侧)的由铜或铜合金构成的铜部件层117。在本实施方式中，如图9所示，通过接合由无氧铜的轧制板构成的铜板127而构成铜部件层117。
在散热器主体110中设置有供冷却介质流通的流通路径111。该散热器主体110由Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的铝合金构成。另外，在该散热器主体110(铝合金)中，细微地分散有Si析出物。
在此，散热器主体110与铜部件层117固相扩散接合。
在散热器主体110与铜部件层117的接合界面，如图7所示，形成有含有Al与Cu的金属间化合物层140。该金属间化合物层140是通过散热器主体110的Al原子与铜部件层117的Cu原子相互扩散而形成的。
如图7所示，该金属间化合物层140由配设于散热器主体110侧的由Cu与Al的金属间化合物的θ相构成的第一金属间化合物层141与配设于铜部件层117侧并且由θ相以外的η2相、ζ2相、δ相、γ2相等的非θ相构成的第二金属间化合物层142构成。
在此，金属间化合物层140的厚度设定在10μm以上且80μm以下的范围内，优选设定在20μm以上且50μm以下的范围内。
并且，由θ相构成的第一金属间化合物层141的厚度t1与由非θ相构成的第二金属间化合物层142的厚度t2的比t2/t1在1.2以上且2.0以下的范围内。
另外，上述的厚度比t2/t1的下限优选为1.4以上，进一步优选为1.5以上。并且，上述的厚度比t2/t1的上限优选为1.8以下，进一步优选为1.6以下。
并且，由θ相构成的第一金属间化合物层141的厚度t1的下限优选为5μm以上，进一步优选为10μm以上。另一方面，由θ相构成的第一金属间化合物层141的厚度t1的上限优选为20μm以下，进一步优选为15μm以下。
接着，参考图8及图9对本实施方式的散热器101的制造方法进行说明。
(散热器主体准备工序S101)
准备所接合的散热器主体110。首先，制造成为散热器主体110的原料的铝合金板。具体而言，熔炼以Si浓度为1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度为0.05质量％以下的方式进行成分调整的铝合金熔液。然后，使用该铝合金熔液，通过双辊法来制造铝合金板。
在双辊法中，由于冷却速度快，因此Si析出物会细微地分散。
然后，对该铝合金板进行加工，成型出散热器主体110。
(散热器主体及铜部件层接合工序S102)
接着，如图9所示，层叠散热器主体110与成为铜部件层117的铜板127，在沿层叠方向加压(压力5～35kgf/cm2(0.5～3.5MPa))的状态下配置于真空加热炉内进行加热，由此固相扩散接合铜板127与散热器主体110。另外，关于铜板127及散热器主体110中的固相扩散接合的各接合面，预先去除该面的伤痕以实现平滑。
在此，优选真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定为450℃以上且520℃以下，加热温度下的保持时间设定在15分钟以上且300分钟以下的范围内。
在该散热器主体及铜部件层接合工序S102中，铜部件层117(铜板127)中的Cu原子及散热器主体110中的Al原子相互扩散，如图7所示，形成层叠由θ相构成的第一金属间化合物层141与由非θ相构成的第二金属间化合物层142而成的金属间化合物层140。
如此，制造本实施方式的散热器101。
在此，在本实施方式中，如上所述，使用通过双辊法制造的铝合金板，成型出散热器主体110，因此在散热器主体110中，细微地分散有Si析出物。Si相较于Al，Cu的扩散速度快，因此通过Si析出物的分散，促进Cu的扩散，θ相大幅生长。由此，由θ相构成的第一金属间化合物层141的厚度t1与由非θ相构成的第二金属间化合物层142的厚度t2的比t2/t1在1.2以上且2.0以下的范围内。并且，由于在散热器主体110不存在粗大的Si析出物，因此能够抑制柯肯达尔空洞的过剩形成。
根据如上结构的本实施方式所涉及的散热器101，通过在散热器主体110的一面侧接合由无氧铜的轧制板构成的铜板127而形成有铜部件层117，因此能够将热通过铜部件层117沿面方向扩散，能够大幅提升散热特性。并且，能够使用焊料等良好地接合其他部件与散热器101。
并且，在本实施方式中，散热器主体110由Si浓度在1.5质量％以上且12.5质量％以下的范围内、Fe浓度为0.15质量％以下及Cu浓度在0.05质量％以下的铝合金构成，因此散热器主体110的强度高，能够进行螺纹紧固，并且能够抑制翘曲的发生，能够与冷却器等密接。并且，由于散热器主体110的热传导率比较高，因此散热特性优异。
并且，在形成于散热器主体110与铜部件层117的接合界面的金属间化合物层140中，位于散热器主体110侧并且由θ相构成的第一金属间化合物层141的厚度t1与位于铜部件层117侧并且由θ相以外的非θ相构成的第二金属间化合物层142的厚度t2的比t2/t1为1.2以上，因此由θ相构成的第一金属间化合物层141的厚度没必要过厚，且能够抑制由该第一金属间化合物层141引起的破裂的发生。并且，确保位于铜部件层117侧的由非θ相构成的第二金属间化合物层142的厚度，从而铜部件层117的变形阻力大，即使以紧固等施加外力的情况下，铜部件层117也不容易变形，能够抑制金属间化合物层140的破裂的发生。
并且，第一金属间化合物层141的厚度t1与第二金属间化合物层142的厚度t2的比t2/t1为2.0以下，因此确保位于散热器主体110侧的由θ相构成的第一金属间化合物层141的厚度，从而散热器主体110的变形阻力大，即使以紧固等施加外力的情况下，散热器主体110也不容易变形，能够抑制金属间化合物层140的破裂的发生。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内能够进行适当变更。
例如，在第一实施方式中，将金属层13作为具有Al层13A与Cu层13B的层进行了说明，但是，并不限定于此，如图10所示，也可以由铜或铜合金构成金属层整体。在该图10所示的带散热器的绝缘电路基板230中，在陶瓷基板11的另一面(图10中为下侧)，通过DBC法或活性金属钎焊法接合铜板，形成由铜或铜合金构成的金属层213。然后，该金属层213与散热器31固相扩散接合。另外，在图10所示的绝缘电路基板210中，电路层212也由铜或铜合金构成。
并且，在第一实施方式中，将电路层作为通过接合纯度99质量％的铝板所形成的层来进行了说明，但是并不限定于此，也可以由纯度99.99质量％以上的纯铝、其他铝或铝合金、铜或铜合金等其他金属构成。并且，也可以将电路层作为Al层与Cu层的双层结构。这在图10所示的绝缘电路基板210中也同样。
并且，在第一实施方式的金属层及散热器接合工序S03中，设为层叠金属层13(Cu层13B)与散热器31并在沿层叠方向加压的状态下配置于真空加热炉内进行加热的结构。并且，在第二实施方式的散热器主体及铜部件层接合工序S102中，对层叠散热器主体110与成为铜部件层117的铜板127并在沿层叠方向加压(压力5～35kgf/cm2(0.5～3.5MPa))的状态下配置于真空加热炉内进行加热的结构进行了说明。但是，本发明并不限定于这些第一实施方式或第二实施方式，如图11所示，在固相扩散接合铝合金部件301(散热器31，散热器主体110)与铜部件302(金属层13，铜部件层117)时也可以应用通电加热法。
进行通电加热时，如图11所示，层叠铝合金部件301与铜部件302，将该层叠体通过碳板311、311且利用一对电极312、312沿层叠方向加压，并且对铝合金部件301及铜部件302进行通电。于是，通过焦耳热，对碳板311、311及铝合金部件301与铜部件302进行加热，固相扩散接合铝合金部件301与铜部件302。
在上述的通电加热法中，由于对铝合金部件301及铜部件302直接进行通电加热，能够将升温温度设为比较快且例如30～100℃/分钟，能够在短时间中进行固相扩散接合。由此，接合面的氧化的影响小，例如即使在大气气氛下也可进行接合。并且，根据铝合金部件301及铜部件302的电阻值及比热，在这些铝合金部件301及铜部件302产生温度差的状态下也可进行接合，能够缩小热膨胀之差，也能够实现热应力的降低。
在此，在上述的通电加热法中，由一对电极312、312产生的加压荷载优选在30kgf/cm2以上且100kgf/cm2以下(3MPa以上且10MPa以下)的范围内。
并且，应用通电加热法的情况下，铝合金部件301及铜部件302的表面粗糙度优选以算术平均粗糙度Ra(JIS B 0601:2001)计为0.3μm以上且0.6μm以下，或以最大高度Rz(JIS B 0601:2001)计在1.3μm以上且2.3μm以下的范围内。在通常的固相扩散接合中，接合面的表面粗糙度优选较小，但是，在通电加热法的情况下，若接合面的表面粗糙度过小，则界面接触电阻会降低，难以局部加热接合界面，因此优选在上述的范围内。
另外，也可在第一实施方式的金属层及散热器接合工序S03中使用上述的通电加热法，但此时，陶瓷基板11为绝缘体，因此例如需要利用由碳构成的夹具等来使碳板311、311短路。接合条件与上述的铝合金部件301与铜部件302的接合相同。
并且，关于金属层13(Cu层13B)与散热器31的表面粗糙度，与上述的铝合金部件301及铜部件302的情况相同。
实施例
以下，对为了确认本发明的效果所进行的确认实验的结果进行说明。
(试验片的制作)
在表1所示的铝合金板(50mm×50mm，厚度5mm)的一面，通过上述的实施方式所记载的方法，固相扩散接合由无氧铜构成的铜板(40mm×40mm，厚度5mm)。另外，在本发明例中，通过双辊法制造了铝合金板。在比较例中，通过制造出块形状的铸块并对其进行热轧及冷轧来制造铝合金板。
然后，在本发明例及比较例中，将铝合金板与铜板沿层叠方向以15kgf/cm2(1.5MPa)的荷载进行按压，利用真空加热炉在500℃以表1所示的保持时间实施了固相扩散接合。
(铝合金板的硬度)
对于接合体的铝合金板，通过纳米压痕法来测定了压痕硬度(测定设备：ENT-1100a(ELIONIX INC.))。在铝合金板的厚度方向中央部的10处进行测定，取得其平均值。另外，关于压痕硬度，使用被称为别尔科维奇压头的菱间角为114.8°以上且115.1°以下的三角锥钻石压头，计测将试验荷载设为5000mgf且施加负荷时的荷载-位移的相关关系，并通过压痕硬度＝37.926×10-3×(荷载[mgf]÷位移[μm]2)的式子来求出。
(金属间化合物层的评价)
进行固相扩散接合的铝合金板与铜板的接合体的截面观察，在形成于接合界面的金属间化合物层中，测定θ相的厚度t1、非θ相的厚度t2。
使用EPMA(JXA-8530F：JEOL Ltd.)，对包含金属间化合物层的位置，在厚度方向实施了线性分析。将Cu与Al的合计量设为100原子％，将Cu浓度为30～35原子％的区域设为θ相，将Cu浓度为46～72原子％的区域设为非θ相。另外，排除了因Si析出物而局部存在峰值的部位。
然后，在五个视场中实施上述的观察，计算出θ相的厚度t1的平均值、非θ相的厚度t2的平均值。将测定结果示于表1。
(冷热循环试验)
接着，在如此制造的接合体中，实施了冷热循环试验。使用冷热冲击试验机ESPECCORP.制TSA-72ES，在气槽中对试验片(带散热器的功率模块)实施了在-50℃中45分钟及在175℃中45分钟的2500次冷热循环。
然后，以如下方式评价了冷热循环试验前的接合体的层叠方向的热阻与接合率、及冷热循环试验后的接合体的层叠方向的热阻与接合率。
(接合率评价)
对接合体的铝合金板与金属板的接合部的接合率，使用超声波探伤装置(FineSAT200：Hitachi Power Solutions Co.,Ltd.)进行评价，并根据以下式子进行了计算。在此，初始接合面积为接合前的应接合的面积，即铝合金板的面积。在超声波探伤图像中，剥离由白色部分表示，因此将该白色部分的面积设为剥离面积。将评价结果示于表1。
接合率(％)＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)×100
(热阻的测定)
将加热片(13mm×10mm×0.25mm)焊接于金属板的表面，将铝合金板钎焊接合于冷却器。接着，以100W的功率对加热片进行加热，使用热电偶(K热电偶，级别1)实际测量了加热片的温度。并且，实际测量了在冷却器中流通的冷却介质(乙二醇:水＝9:1)的温度。然后，将加热片的温度与冷却介质的温度差除以功率的值设为热阻。
另外，将比较例1的冷热循环试验前的热阻设为1来作为基准，通过与该比较例1的比率来评价了热阻。将评价结果示于表1。
[表1]
在比较例1中，铝合金板的Si浓度为0.2质量％，小于本发明的范围，θ相厚度t1与非θ相厚度t2的比t2/t1为2.8，大于本发明的范围，在冷热循环负荷后，接合率降低，并且热阻大幅增加。
在比较例2中，铝合金板的Si浓度为18.5质量％，大于本发明的范围，θ相厚度t1与非θ相厚度t2的比t2/t1为1.0，小于本发明的范围，在冷热循环负荷后，接合率降低，并且热阻大幅增加。
在比较例3中，铝合金板的Fe浓度为0.42质量％，大于本发明的范围，在冷热循环负荷后，接合率降低，并且热阻大幅增加。
在比较例4中，铝合金板的Cu浓度为0.26质量％，大于本发明的范围，在冷热循环负荷后，接合率大幅降低，并且热阻大幅增加。
相对于此，在铝合金板的Si浓度、Fe浓度、Cu浓度、θ相厚度t1与非θ相厚度t2的比t2/t1分别在本发明的范围内的本发明例1-8中，热阻低于比较例1的热阻。并且，在冷热循环负荷后，接合率也不会大幅降低，且热阻也未大幅增加。
根据以上内容确认到，根据本发明例1-8，可提供如下的接合体，该接合体通过固相扩散接合由铝合金构成的铝合金部件与由铜或铜合金构成的铜部件而成，冷热循环可靠性优异，且散热特性及强度优异。
产业上的可利用性
本发明的接合体、具备该接合体的带散热器的绝缘电路基板及散热器能够适合利用于具有控制电路的装置(例如风力发电装置、电动汽车、混合动力汽车等)，该控制电路具备发热量大的大功率控制用的功率半导体元件。
符号说明
10、210 绝缘电路基板
11 陶瓷基板
13、213 金属层
13B Cu层(铜部件)
31 散热板(铝合金部件)
40 金属间化合物层
41 第一金属间化合物
42 第二金属间化合物
101 散热器
110 散热板主体(铝合金部件)
117 铜部件层
140 金属间化合物层
141 第一金属间化合物
142 第二金属间化合物
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