CN1647267A - 电路基板及其制造方法、以及功率模块 - Google Patents

电路基板及其制造方法、以及功率模块 Download PDF

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Abstract

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。

Description

电路基板及其制造方法、以及功率模块
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
本发明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。
发明内容
本发明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。
本发明的功率模块，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，对于本发明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。
根据本发明，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，根据本发明，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是表示本发明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表示本发明的电路基板的导电层中的晶体的示例。
图4是表示本发明的功率模块的实施方式的剖面图。
图5是表示在本发明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是表示在本发明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。
具体实施方式
下面，结合附图说明本发明的电路基板及其制造方法的实施方式。
图1是表示本发明的电路基板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，例如采用厚度为0.635mm的AlN板，对于Al板3，例如厚度为0.4mm。可以将Al板3与陶瓷基板2的整个面接合，也可以只接合陶瓷基板2的一部分。例如，可以如图1所示那样只形成在陶瓷基板2的除去周边部的部分上。
虽然未限定焊料4的厚度，但作为一例，可以为0.005mm～0.05mm。在更具体的实例中，为0.03mm左右。虽然未限定焊料4的材质，但优选从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。任意一种焊料都使Al的含量为70～98质量％。其中，特别优选Al-Si类焊料或Al-Ge类焊料。这是由于这些Al-Si类焊料、Al-Ge类焊料不容易产生金属间化合物，如果产生该金属间化合物，则在发生上述的-40℃～120℃的温度循环时，容易成为发生龟裂的原因。另外，由于不容易产生金属间化合物，所以能够在低的压力下进行接合。如果例举Al-Si类焊料的一例，则有包含95～75质量％的Al以及3～20质量％的Si的合金，其熔点(共晶点)为577℃。
Al板3的平均晶体粒径为0.5mm～5mm，晶体粒径的标准偏差σ为2mm以下。当平均晶体粒径大于5mm时，Al板3的机械特性产生各向异性，在温度变化的条件下，电路基板1可能发生翘曲。当平均晶体粒径小于0.5mm时，加工硬化变大，因温度循环引起的变形阻抗上升，容易发生陶瓷的破裂和Si芯片焊接部的龟裂。在标准偏差为2mm以上的情况下，由于晶体粒径的差异过大，所以机械特性有产生各向异性的可能性。
Al板3的晶体粒径的测定，可如下进行。对与绝缘陶瓷基板2接合的Al板3的表面进行蚀刻，使导电层的宏观组织露出。作为蚀刻液，可使用NaOH水溶液或HF、Ga等。在蚀刻后，进行水洗及干燥，利用光学显微镜或电子显微镜(SEM)进行晶体粒的组织观察。并且，如图3B所示，通过对显微镜图象进行图象处理，进行平均晶体粒径以及标准偏差的测定。同样也能够求出最大晶体粒径。
以下是图象解析方法的一例。首先，对接合在陶瓷基板2上的Al板3的表面在以下的任意一个条件下进行蚀刻，制作能够观察到宏观组织、即Al晶体粒界的样品。
蚀刻条件(1)：例如，对Al板3的表面利用氟硝酸(酸性氟化铵：100g/L、硝酸800mL/L)进行3分钟处理。
蚀刻条件(2)：例如，对Al板3的表面利用4质量％NaOH水溶液进行20分钟处理。
蚀刻条件(3)：对Al板3的表面进行研磨，然后涂敷Ga，在50℃×2h下，使Ga向Al粒界扩散，然后进一步对表面进行镜面研磨。
对获得的样品利用光学显微镜或SEM等进行拍照，用简易CAD软件等获取照片中的各个晶体粒边界，然后通过图象处理求出各个晶体粒的面积S。根据以下算式将其转换成平均粒径。
平均粒径＝2×(S/π)
而且，也可以根据照片全体的平均粒径的分布计算出平均值以及标准偏差。
具有最大晶体粒径的晶体面积占据绝缘陶瓷基板2的面积的比例优选15％以下。此时，可降低电路基板1的翘曲量。
在把Al板3与绝缘陶瓷基板2接合时，一旦Al晶体异常成长，则陶瓷基板2两面的Al板3的机械特性会产生各向异性，导致翘曲量增大，然而只要如上述那样设定Al板3的晶体粒径，则可降低Al板3的机械特性的各向异性，从而可降低电路基板1的翘曲。
对于与绝缘陶瓷基板2的表面和背面接合的Al板3，优选各自的厚度相等。优选在绝缘陶瓷基板2的两面上接合Al板3。这是因为如果只在一面接合，则绝缘陶瓷基板2容易发生翘曲。不过，根据需要，也可以只在一面接合。
Al板3优选含有均在20ppm以上的Cu、Fe、Si。此时，可抑制Al晶体的过度成长，可减少晶体粒径的差异，因此，不容易形成一部分晶体粒的粗大化，不容易成为机械各向异性的原因。更优选的是，使Cu为20～60ppm、Fe为20～40ppm、Cu为20～80ppm。如果超过了这些上限值，则0.2％耐力和加工硬度指数大于上述的值(0.2％耐力小于等于35N/mm2，加工硬度指数小于等于0.18)，在发生温度循环时，与绝缘陶瓷基板的界面和配置在导电层上的Si芯片的焊接面上产生应力，成为绝缘陶瓷基板和焊层发生龟裂的原因。
下面，说明上述电路基板1的制造方法。
在Al板3上按顺序叠层片状焊料4、绝缘陶瓷基板2、片状焊料4以及Al板3。然后对它们施加50～300kPa(0.5～3kgf/cm2)的压力，同时在真空中或惰性气体中(例如Ar气环境中)加热到600℃以上且Al板3的熔点以下的温度。由此，使焊料4熔化，将陶瓷基板2与Al板3牢固接合。设定此时的加热条件，使之满足上述的晶体粒径条件。焊接后，冷却到室温，将一面的Al板3蚀刻为给定图形，形成电路。
贴合时的压力如果不足50kPa，则可能会产生接合不均。如果大于300kPa，则在接合时陶瓷基板2容易发生破裂。如果加热温度不足600℃，则容易造成接合不充分。而且，如果超出上述范围，则不容易满足上述晶体粒径的条件。
为了测量电路基板1的翘曲量，在100mm四方形的电路基板1的对角线上以100mm的间隔取2点，使用3维测量装置或激光变位计测量该2点之间的剖面曲线。如图2所示，测量该剖面曲线与平面P之间间隔中的最大变位C。沿着电路基板1的交叉的各个对角线测量，将测量的值中大的值定义为翘曲量。
通过增加添加元素，可抑制Al板3的晶体成长，但由于该添加元素的浓度，即，Al的纯度，使得Al本身的机械特性显著变化。为了实现上述的晶体粒径，Al板3优选通过将含99.98质量％以上的铝的板材在200～450℃下进行最终热处理，然后以15％以上的压下率进行压延而获得。这样，可容易地使Al板3的0.2％耐力小于等于35N/mm2，导电层的加工硬度指数小于等于0.18。因此，可提高应力缓和效果，在进行-40℃～125℃的温度循环试验时，可防止在电路基板上发生破裂。另外，对于Al板3，只要最终热处理后的压下率为15％以上，则晶体粒的粗大化不容易进行。
根据本实施方式，即使绝缘陶瓷基板2由杨氏模量为320GPa左右的、需要抑制翘曲措施的铝、AlN或者Si3N4等形成，并且焊料4为需要在导电层的晶体粒成长的500℃以上的温度区域，特别是600℃以上进行热处理的Al-Si类的焊料的情况下，通过使Al板3的平均晶体粒径在0.5mm～5mm的范围，并且设定晶体粒径的标准偏差σ在2mm以下，也可以减少Al板3的机械特性产生各向异性。从而，可减少因绝缘陶瓷基板2与Al板3的热膨胀差而引起的热应力的发生，防止电路基板1发生翘曲和龟裂，由此可提高电路基板的长期可靠性。
下面，说明本发明的第2实施方式的功率模块。在本实施方式的功率模块10中安装有上述第1实施方式的电路基板1。图4是功率模块10的剖面图。
如图4所示，功率模块10在散热板11的一主面上固定有1个或2个以上的方形电路基板1。散热板11是由Al类合金板构成的板材，优选与绝缘陶瓷基板同样，具有高的热传导率(例如150W/mK以上)和低的热膨胀系数(例如10×10-6/℃以下)，理想的是由AlSiC构成，或者是在多孔Fe-Ni合金板的两面上接合Al而成的三层结构。另外，虽然未限定散热板11的厚度，但作为一例，使用3～10mm的散热板。电路基板1为与上述第1实施方式同样的电路基板，其具有由AlN等构成的例如厚度为0.3～1.5mm的绝缘陶瓷基板2和接合在绝缘陶瓷基板2的两面上的第1及第2Al板3。第1及第2Al板3的厚度例如为0.25～0.6mm。电路基板1是例如一边为30mm以下的方形形状。
利用焊料将电路基板1焊接在散热板11上。作为焊料，优选使用从Al-Si类、Al-Cu类、Al-Mg类、Al-Mn类以及Al-Ge类的焊料中选择出的1种或2种以上。为了将电路基板1焊接在散热板11上，在散热板11上按顺序叠层焊料片以及电路基板1，对它们施加50～300kPa的压力，在真空中或惰性气体中加热到580～650℃，使焊料熔化，然后进行冷却。作为上述焊料，其熔点低于焊料4的熔点，更优选在500～630℃之间，例如是575℃左右(其中，熔点是指超过液相线的点)。此时，能够使散热板11与第1Al板3接合，而不使接合绝缘陶瓷基板2和Al板3的焊料4完全熔解。
这样构成的功率模块10，通过将螺钉13插入形成在散热板11角上的安装孔11a内，将这些螺钉13分别与形成于水冷式散热设备14上的螺孔14a螺合，从而使散热板11的另一面与例如Al合金构成的水冷式散热设备14紧密结合。
这样构成的功率模块10可达到与第1实施方式相同的效果。通过安装这样的电路基板1，能够将热循环时产生的电路基板1边缘的收缩量的差异抑制得较小，可延长功率模块10的热循环寿命。结果，可提高作为功率模块的可靠性。
实施例
下面，说明本发明的实施例。
实施例1
制作图4所示结构的功率模块。
在50mm×50mm×0.635mm的AlN制陶瓷基板2的两面上，分别接合厚度为0.4mm，纵横尺寸与绝缘陶瓷基板2相同的Al板3，制成电路基板1。Al板3是在进行450℃的最终热处理后，在压下率30％下进行压延得到的板，含有99.99质量％的Al、23ppm的Cu、30ppm的Si、33ppm的Fe。焊料4为含有8质量％的Si的Al-Si类焊料。该焊料的熔点为626℃。在按顺序叠层Al板3、Al-Si类焊料4、绝缘陶瓷基板2、Al-Si类焊料4、Al板3的状态下，对它们施加200kPa的压力，同时在真空中加热到630℃，经过10分钟后将其冷却，由此将它们接合。
然后，预备由100mm×100mm×3mm的AlSiC构成的散热板11和Si芯片16，利用焊料将电路基板1和散热板11和Si芯片16焊接在一起，获得功率模块10。准备30个这样获得的功率模块，作为实施例1的试验品。
实施例2～12以及比较例1～6
如表1所示，改变绝缘陶瓷基板的材料、焊料、最终压延率、Al纯度、Cu量、Si量、Fe量，分别制成30个功率模块。关于比较例，分别使比较例1的Cu量、比较例2的Si量、比较例3的Fe量、比较例4的最终压延率、比较例5的Al纯度超出本发明的目标范围进行制作。另外，比较例6只在绝缘陶瓷基板的一面接合Al板。
对实施例1～12、比较例1～6的各个Al板3的表面，用2～5％NaOH水溶液进行蚀刻，使宏观组织露出，使用电子显微镜(SEM)观察晶体粒的组织，进行图象处理，测量平均晶体粒径、标准偏差、最大晶体粒径以及包含在导电层中的具有最大晶体粒径的晶体的面积占绝缘陶瓷基板2的面积的比例。对于晶体粒径，先测量出晶体粒的面积(S)，再根据该面积除以圆周率(π)后的平方根求出半径，再乘以2(2×(S/π))。结果一并记录在表1中。
表1
编号 陶瓷 焊料   最终压延率 Al纯度 Cu量 Si量 Fe量 平均晶体粒径(mm)   标准偏差(mm) 最大晶体粒径(mm)
实施例1 AlN  Al-8wt％Si   30％   99.99％   23ppm   30ppm   33ppm     2.9     0.7     4.0
实施例2 AlN  Al-8wt％Si   30％   99.98％   80ppm   35ppm   39ppm     1.9     0.7     3.1
实施例3 AlN  Al-8wt％Si   30％   99.98％   80ppm   35ppm   39ppm     2.0     1.0     4.0
实施例4 アルミナ  Al-8wt％Si   30％   99.98％   80ppm   35ppm   39ppm     1.8     0.9     3.2
实施例5 Si3N4  Al-8wt％Si   30％   99.98％   80ppm   35ppm   39ppm     2.1     0.8     3.3
实施例6 Si3N4  Al-4wt％Si   30％   99.98％   80ppm   35ppm   39ppm     2.3     0.9     3.7
实施例7 AlN  Al-8wt％Si   15％   99.98％   20ppm   60ppm   40ppm     3.4     1.1     4.6
实施例8 AlN  Al-8wt％Si   15％   99.98％   80ppm   20ppm   40ppm     2.1     0.8     3.2
实施例9 AlN  Al-8wt％Si   15％   99.98％   80ppm   60ppm   20ppm     1.7     0.7     3.1
实施例10 AlN  Al-8wt％Si   15％   99.99％   20ppm   20ppm   20ppm     3.9     1.3     4.8
实施例11 AlN  Al-12wt％Si   15％   99.99％   20ppm   20ppm   20ppm     4.2     1.4     4.9
实施例12 AlN  Al-45wt％Ge   15％   99.99％   20ppm   20ppm   20ppm     4.1     1.5     4.8
比较例1 AlN  Al-8wt％Si   30％   99.99％   16ppm   32ppm   31ppm     22.9     15.5     84.9
比较例2 AlN  Al-8wt％Si   30％   99.99％   25ppm   12ppm   16ppm     4.3     3.2     14.9
比较例3 AlN  Al-8wt％Si   30％   99.99％   23ppm   28ppm   10ppm     3.8     3.2     15.0
比较例4 AlN  Al-8wt％Si   10％   99.99％   23ppm   28ppm   39ppm     3.2     3.5     17.2
比较例5 AlN Al-8wt％Si 30％ 99.95％ 350ppm 500ppm 450ppm 21.9 5.5 46.7.
比较例6 AlN  Al-8wt％Si   30％   99.99％   23ppm   30ppm   33ppm     2.9     0.7     4.7
比较试验以及评价
将实施例1～12以及比较例1～6的功率模块放置在冷热冲击试验器中，反复进行以-40℃×30分钟、常温×30分钟、125℃×30分钟以及常温×30分钟为1个循环的热处理。在反复进行100次温度循环的时刻，观察电路基板1与散热板11之间、以及绝缘陶瓷基板2与Al板3之间有无剥离，在未观察到剥离的情况下，再反复进行100次温度循环。反复进行这项工序，测量直到观察到剥离时的温度循环次数，将其作为温度循环寿命。使用放大镜来确认有无剥离。该结果如表2所示。
对各个电路基板1测量翘曲量，对于30个中在接合Al板3后的制造工序中发生不合格的数量进行计数。所谓不合格的数量是指在电路基板的制造工序、或使用该绝缘电路基板制造功率模块的组装工序中产生不良情况的功率模块的个数。所谓不良情况具体是指，由于翘曲量大，在电路图形形成用的抗蚀剂印刷工序中在用于固定基板的吸附台上陶瓷基板破裂，或在散热设备的焊接中发生翘曲引起的焊料空隙等。将这些结果一并记录在表2中。
表2
  编号   翘曲量(μm)   制造中的不合格数   温度循环试验结果
  实施例1   46   0/30   3000次循环以上良好
  实施例2   32   0/30   3000次循环以上良好
  实施例3   40   0/30   3000次循环以上良好
  实施例4   38   0/30   3000次循环以上良好
  实施例5   39   0/30   3000次循环以上良好
  实施例6   48   0/30   3000次循环以上良好
  实施例7   35   0/30   3000次循环以上良好
  实施例8   33   0/30   3000次循环以上良好
  实施例9   40   0/30   3000次循环以上良好
  实施例10   45   0/30   3000次循环以上良好
  实施例11   48   0/30   3000次循环以上良好
  实施例12   48   0/30   3000次循环以上良好
  比较例1   305   5/30   绝缘电路基板与散热设备之间的焊层在1500次循环时破裂
  比较例2   213   3/30   绝缘电路基板与散热设备之间的焊层在1500次循环时破裂
  比较例3   195   3/30   绝缘电路基板与散热设备之间的焊层在1500次循环时破裂
  比较例4   50   3/30   绝缘电路基板与散热设备之间的焊层在1500次循环时破裂
  比较例5   225   4/30   绝缘电路基板的表面Al和陶瓷的界面上在500次循环时发生剥离
  比较例6   315   4/30   绝缘电路基板与散热设备之间的焊层在1500次循环时破裂
评价
如表1所示，在实施例1～12中，通过使Al板3最终压下率为15％以上，纯度为99.98质量％以上，含有20ppm以上的Cu、20ppm以上的Si、20ppm以上的Fe，从而可使平均晶体粒径在0.5mm～5mm之间，晶体粒径的标准偏差σ在2mm以下。实施例1～12的功率模块都具有良好的温度循环寿命。
与此相对，超出了上述条件的比较例1～6中，平均晶体粒径以及标准偏差不满足本发明的范围，温度循环寿命变短。
图5表示通过试验得到的平均晶体粒径与温度循环寿命的关系。从图5可看出，平均晶体粒径小于0.5时，温度循环寿命变得非常短，在3100次以下。另外，导电层的平均晶体粒径在0.8mm以上、1.5mm以下的范围时，温度循环寿命变得非常长，为约5000次。
图6表示导电层内包含的具有最大晶体粒径的晶体的面积占绝缘陶瓷基板的面积的比例与翘曲量的关系。从图6可看出，最大晶体粒径部分超过基板全体的15％时，每50mm基板的翘曲量激增到120μm以上。
另一方面，对Al板内的Si浓度进行测定，结果确认，在Al板/AlN基板的接合时，焊料中包含的Si向Al板内扩散。图7是表示从Al/AlN的接合界面向Al板内的距离X与Si浓度的关系的曲线图。如该曲线图所示，Si扩散的深度约为距离Al/AlN的接合界面的0.1mm。因此，如果对Al板的表层部(例如厚度约为0.1mm的范围)进行元素分析，能够测定Al板材本身的组成，而不受来自焊料的Si扩散的影响。由此，也能够充分地进行Si：20～60ppm、Fe：20～40ppm、Cu：20～80ppm的微量分析。
如图7所示，在Al板/AlN基板的接合界面附近，扩散了约0.1质量％的Si，使得Al纯度减少到99.90质量％左右。由于这样的Si扩散，使Al板的接合界面附近相对成为高强度，从而可获得防止龟裂发展的效果。关于Al板的其余部分(表面侧的约3/4的区域)，由于确保了高纯度Al的状态，所以变形阻抗小，在温度循环试验时，可减少对AlN基板的应力。
工业实用性
根据本发明，不仅可减少电路基板的翘曲，而且即使处于温度变化的场合，也能够防止陶瓷基板发生破裂等不良现象。

Claims (11)

1.一种电路基板，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。
2.根据权利要求1所述的电路基板，所述导电层含有分别为20ppm以上的Cu、Fe、Si，并且经过压延。
3.根据权利要求2所述的电路基板，所述导电层在15％以上的压下率下进行压延。
4.根据权利要求1所述的电路基板，所述导电层中包含的具有最大晶体粒径的晶体的面积为所述绝缘陶瓷基板的面积的15％以下。
5.根据权利要求1所述的电路基板，所述绝缘陶瓷基板由Al2O3、AlN以及Si3N4中至少一种形成。
6.根据权利要求1所述的电路基板，使用焊料将所述导电层接合在所述绝缘陶瓷基板的表面上，所述焊料是从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二种以上的焊料。
7.根据权利要求2所述的电路基板，所述导电层中所包含的具有最大晶体粒径的晶体的面积为所述绝缘陶瓷基板的面积的15％以下，所述绝缘陶瓷基板由Al2O3、AlN以及Si3N4中至少一种形成，使用焊料将所述导电层接合在所述绝缘陶瓷基板的表面上，所述焊料是从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二种以上的焊料。
8.一种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99.98质量％以上的铝的导电层，然后将它们在50kPa以上且300kPa以下的力下进行压接，同时在真空中或惰性气体中加热到600℃以上，由此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为0.5mm以上且5mm以下，使晶体粒径的标准偏差σ为2mm以下。
9.根据权利要求8所述的电路基板的制造方法，还具有：通过对含有99.98质量％以上的铝、以及分别为20ppm以上的Cu、Fe、Si的板材进行热处理，然后在15％以上的压下率下进行压延，从而得到所述导电层的工序。
10.一种功率模块，具有权利要求1所述的电路基板和支撑该电路基板的散热板。
11.根据权利要求10所述的功率模块，将所述电路基板的所述导电层的至少一部分，使用比所述焊料的熔点低的焊料接合在所述散热板上。
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