CN102593009A - 电源模块用基板的制造方法、电源模块用基板和电源模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源模块用基板的制造方法，可容易且以低成本得到切实地接合金属板和陶瓷基板的、热循环可靠性高的电源模块用基板。该制造方法具有：在陶瓷基板的接合面和金属板的接合面的至少一面粘合Si和Cu的Si和Cu粘合工序S1；通过粘合的Si和Cu层压陶瓷基板和金属板的层压工序S2；在层压方向上加压并加热形成熔融金属区域的加热工序S3；和使该熔融金属区域凝固的凝固工序S4，在Si和Cu粘合工序S1中，使0.002mg/cm2以上且1.2mg/cm2以下的Si、0.08mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下的Cu存在于陶瓷基板和金属板的界面，在加热工序S3中，通过使Si和Cu扩散到金属板侧而形成熔融金属区域。

Description

电源模块用基板的制造方法、电源模块用基板和电源模块
技术领域
本发明涉及在控制大电流、高电压的半导体装置中使用的电源模块用基板的制造方法、通过该电源模块用基板的制造方法制造的电源模块用基板、带有散热器的电源模块用基板和具备该电源模块用基板的电源模块。
背景技术
在半导体元件中，用于供电的电源元件由于发热量较高，所以作为装载它的基板，例如如专利文献1所示，使用在由AlN(氮化铝)构成的陶瓷基板上通过焊料接合Al(铝)金属板的电源模块用基板。
并且，该金属板形成为电路层，在该金属板上通过钎焊料装载电源元件(半导体元件)。
另外，提出了在陶瓷基板的下面，为了散热而接合Al等金属板作为金属层，通过该金属层在散热板上接合电源模块用基板整体的电源模块。
此外，作为形成电路层的手段，除了在陶瓷基板上接合金属板后，在该金属板上形成电路图案的方法以外，还提出了例如如专利文献2所公开的，将预先形成为电路图案形状的金属片与陶瓷基板接合的方法。
进而，为了得到作为上述电路层和上述金属层的金属板与陶瓷基板的良好接合强度，例如在下述专利文献3中，公开了使陶瓷基板的表面粗糙度不到0.5μm的技术。
专利文献1：日本特开2003-086744号公报
专利文献2：日本特开2008-311294号公报
专利文献3：日本特开平3-234045号公报
然而，将金属板与陶瓷基板接合时，仅降低陶瓷基板的表面粗糙度，具有得不到足够高的接合强度，不能提高可靠性的不妥之处。例如可知，即使用Al2O3以干式对陶瓷基板的表面进行珩磨处理，使表面粗糙度为Ra＝0.2μm，也可能会在剥离试验中产生界面剥离。此外，即使通过研磨法使表面粗糙度为Ra＝0.1μm以下，还是同样可能会产生界面剥离。
特别是最近，随着电源模块小型化、薄型化的发展，其使用环境也变得越来越严格，电子部件的发热量有变大的趋势，如前所述，需要在散热板上配设电源模块用基板。此时，由于电源模块用基板受散热板约束，在热循环负荷时，大的剪切力作用在陶瓷基板和金属板之间的接合界面，相比以往，更需要提高陶瓷基板和金属板之间的接合强度和可靠性。
此外，在焊接陶瓷基板和金属板时，为了较低地设定熔点，大多使用含有7.5质量％以上Si的Al-Si系合金的焊料箔。在这种较多地含有Si的Al-Si系合金中，由于延展性不足，所以难以通过轧制等制造箔材。
进而，使用焊料箔时，在金属板与陶瓷基板的界面部分，由于在金属板的表面和焊料箔的两面这三个面上存在氧化被膜，从而氧化被膜的总厚度有变厚的趋势。
进而，在陶瓷基板与金属板之间配置焊料箔，将它们在层压方向上加压并加热，但为了在加压时使焊料箔的位置不偏离，需要层压配置焊料箔、陶瓷基板和金属板。
特别是如专利文献2所记载的，在通过焊料箔接合预先形成为电路图案形状的金属片时，由于接合面的形状复杂，进而需要提高焊料箔、陶瓷基板和金属板的位置精度。
另外，在焊料箔的位置偏离时，在陶瓷基板和金属板之间不能充分形成熔融金属层，陶瓷基板和金属板之间的接合强度有可能会降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提供可容易且以低成本得到切实地接合金属板和陶瓷基板的、热循环可靠性高的电源模块用基板的电源模块用基板的制造方法、通过该电源模块用基板的制造方法制造的电源模块用基板、带有散热器的电源模块用基板和具备该电源模块用基板的电源模块。
为了解决此课题，完成前述目的，本发明的电源模块用基板的制造方法为在陶瓷基板的表面层压接合由铝构成的金属板的电源模块用基板的制造方法，其特征在于，具有：在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面粘合Si和Cu的Si和Cu粘合工序；通过粘合的Si和Cu层压所述陶瓷基板和所述金属板的层压工序；将层压的所述陶瓷基板和所述金属板在层压方向上加压并加热，在所述陶瓷基板和所述金属板的界面形成熔融金属区域的加热工序；和通过使该熔融金属区域凝固而接合所述陶瓷基板和所述金属板的凝固工序，在所述Si和Cu粘合工序中，使0.002mg/cm2以上且1.2mg/cm2以下的Si、0.08mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下的Cu存在于所述陶瓷基板和所述金属板的界面，在所述加热工序中，通过使粘合的Si和Cu扩散到所述金属板侧，在所述陶瓷基板和所述金属板的界面形成所述熔融金属区域。
在该构成的电源模块用基板的制造方法中，因为具备在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面粘合Si和Cu的Si和Cu粘合工序，所以Si和Cu存在于所述金属板和所述陶瓷基板的接合界面。在此，由于Cu相对Al为反应性高的元素，通过在接合界面附近存在Cu，由铝构成的金属板表面变得活性化。因而，即使在较低温、较短时间的接合条件下，也可牢固地接合陶瓷基板和金属板。
此外，在加热工序中，由于使粘合的Si和Cu扩散到所述金属板侧，在所述陶瓷基板和所述金属板的界面形成所述熔融金属区域，通过使该熔融金属区域凝固，使所述金属板与所述陶瓷基板接合，所以无需使用制造困难的Al-Si系的焊料箔，从而可以低成本制造切实地接合金属板和陶瓷基板的电源模块用基板。
此外，由于不使用焊料箔而在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面直接粘合有Si和Cu，所以无需进行焊料箔的对位操作。因而，例如在将预先形成电路图案形状的金属片与陶瓷基板接合时，也可提前防止因位置偏离等造成的故障。
而且，由于在金属板和陶瓷基板上直接粘合Si和Cu时，氧化被膜仅在金属板的表面形成，在金属板和陶瓷基板的界面存在的氧化被膜的总膜厚变薄，所以初期接合的合格率提高。
此外，由于在所述Si和Cu粘合工序中，使存在于所述陶瓷基板和所述金属板的界面的Si量和Cu量为Si在0.002mg/cm2以上、Cu在0.08mg/cm2以上，所以可在陶瓷基板和金属板的界面切实地形成熔融金属区域，从而可牢固地接合陶瓷基板和金属板。
进而，由于使存在于所述陶瓷基板和所述金属板的界面的Si量和Cu量为Si在1.2mg/cm2以下、Cu在2.7mg/cm2以下，所以可防止在粘合Si和Cu而形成的部分产生裂痕，从而可在陶瓷基板和金属板的界面切实地形成熔融金属区域。进而，可防止Si和Cu过量地扩散到金属板侧并使界面附近的金属板强度变得过高。因而，在电源模块用基板承受冷热循环时，可由金属板吸收热应力，从而可防止陶瓷基板的裂纹等。
此外，由于在所述Si和Cu粘合工序中，使0.002mg/cm2以上且1.2mg/cm2以下的Si、0.08mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下的Cu存在于所述陶瓷基板和所述金属板的界面，所以可制造所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Si浓度设定在0.05质量％以上且0.5质量％以下、Cu浓度设定在0.05质量％以上且5.0质量％以下的范围内的电源模块用基板。
而且，尽管构成为在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面直接粘合Si和Cu，但从生产率的观点来看，优选在金属板的接合面粘合Si和Cu。
此外，也可在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面分别单独粘合Si和Cu，形成Cu层和Si层。或者，也可在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面同时粘合Si和Cu而形成Si和Cu的混合层。
在此，所述Si和Cu粘合工序中优选构成为与Si和Cu一起粘合Al。
此时，由于与Si和Cu一起粘合Al，所以形成的Si和Cu层含有Al，该Si和Cu层变得优先熔融，所以能够切实地形成熔融金属区域，从而可牢固地接合陶瓷基板和金属板。而且，在与Si和Cu一起粘合Al时，可同时蒸镀Si和Cu以及Al，也可将Si和Cu以及Al的合金作为靶进行溅射。此外，也可层压Si和Cu以及Al。
此外，所述Si和Cu粘合工序优选为通过蒸镀、化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)或溅射在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面粘合Si和Cu。
此时，由于通过蒸镀、CVD或溅射在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面切实地粘合Si和Cu，所以Si和Cu能够切实地存在于陶瓷基板和金属板的接合界面。此外，可精度良好地调整Si和Cu的粘合量，能够切实地形成熔融金属区域，从而可牢固地接合陶瓷基板和金属板。
此外，本发明的电源模块用基板的特征在于，为通过所述电源模块用基板的制造方法制造的电源模块用基板，在所述金属板上固溶有Si和Cu，所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Si浓度设定在0.05质量％以上且0.5质量％以下，Cu浓度设定在0.05质量％以上且5.0质量％以下的范围内。
在该构成的电源模块用基板中，由于在所述金属板上固溶有Si和Cu，接合界面侧部分的Si浓度设定在0.05质量％以上且0.5质量％以下的范围内，Cu浓度设定在0.05质量％以上且5.0质量％以下的范围内，所以在所述的加热工序中，Si和Cu充分地扩散到金属板侧，从而牢固地接合金属板和陶瓷基板。
进而，金属板的接合界面侧部分由Si和Cu进行固溶强化。由此，可防止在金属板部分的断裂，从而可实现电源模块用基板的接合可靠性的提高。
此外，本发明的电源模块用基板的特征在于，为通过电源模块用基板的制造方法制造的电源模块用基板，所述陶瓷基板由AlN、Al2O3和Si3N4的任意一种构成。
在该构成的电源模块用基板中，由于所述陶瓷基板由绝缘性和强度优异的AlN、Al2O3和Si3N4的任意一种构成，所以可提供高品质的电源模块用基板。
此外，优选采用所述陶瓷基板的宽度被设定为宽于所述金属板的宽度，在所述金属板的宽度方向端部形成含Cu的化合物析出到铝中的Cu析出部的结构。
此时，由于在金属板的宽度方向端部形成Cu析出部，所以可对金属板的宽度方向端部进行析出强化。由此，可防止从金属板的宽度方向端部发生断裂，从而可提高接合可靠性。
本发明的带有散热器的电源模块用基板的特征在于具备上述电源模块用基板和冷却该电源模块用基板的散热器。
根据该构成的带有散热器的电源模块用基板，由于具备冷却该电源模块用基板的散热器，所以可通过散热器有效地冷却在电源模块用基板产生的热。
本发明的电源模块的特征在于具备上述电源模块用基板和装载在该电源模块用基板上的电子部件。
根据该构成的电源模块，陶瓷基板与金属板的接合强度高，因而在使用环境严格时，也可飞跃地提高其可靠性。
根据本发明，能够提供可容易且以低成本得到切实地接合金属板和陶瓷基板的、热循环可靠性高的电源模块用基板的电源模块用基板的制造方法、通过该电源模块用基板的制造方法制造的电源模块用基板、带有散热器的电源模块用基板和具备该电源模块用基板的电源模块。
附图说明
图1为本发明第一实施方式的使用电源模块用基板的电源模块的简要说明图；
图2为表示本发明第一实施方式的电源模块用基板的电路层和金属层的Si浓度分布和Cu浓度分布的说明图；
图3为表示本发明第一实施方式的电源模块用基板的电路层和金属层(金属板)与陶瓷基板的接合界面的模式图；
图4为表示本发明第一实施方式的电源模块用基板的制造方法的流程图；
图5为表示本发明第一实施方式的电源模块用基板的制造方法的说明图；
图6为表示图5中的金属板与陶瓷基板的接合界面附近的说明图；
图7为表示本发明第二实施方式的电源模块用基板的电路层和金属层的Si浓度分布和Cu浓度分布的说明图；
图8为表示本发明第二实施方式的电源模块用基板的电路层和金属层(金属板)与陶瓷基板的接合界面的模式图；
图9为表示本发明第二实施方式的电源模块用基板的制造方法的流程图；
图10为表示本发明第二实施方式的电源模块用基板的制造方法的说明图；
图11为表示实施例的评价结果的曲线图。
符号说明
1：电源模块
3：半导体芯片(电子部件)
10：电源模块用基板
11、111：陶瓷基板
12、112：电路层
13、113：金属层
22、23、122、123：金属板
24、25：混合层
26、27、126、127：熔融金属区域
30、130：接合界面
124A、125A：Cu层
124B、125B：Si层
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1示出了本发明实施方式的电源模块用基板、带有散热器的电源模块用基板和电源模块。
该电源模块1具备配设电路层12的电源模块用基板10、通过钎焊层2与电路层12的表面接合的半导体芯片3和散热器4。在此，钎焊层2为例如Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的钎焊料。而且，本实施方式中，在电路层12和钎焊层2之间设有镀镍层(未图示)。
电源模块用基板10具备陶瓷基板11、在该陶瓷基板11的一面(图1中的上面)配设的电路层12和在陶瓷基板11的另一面(图1中的下面)配设的金属层13。
陶瓷基板11为防止电路层12和金属层13之间的电连接的部件，由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。此外，陶瓷基板11的厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，本实施方式中，设定为0.635mm。而且，如图1所示，本实施方式中，陶瓷基板11的宽度设定为宽于电路层12和金属层13的宽度。
如图5所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一面接合具有导电性的金属板22而形成。在本实施方式中，电路层12通过将由纯度99.99％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板构成的金属板22与陶瓷基板11接合而形成。
如图5所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一面接合金属板23而形成。在本实施方式中，与电路层12一样，金属层13通过将由纯度99.99％以上的铝(所谓的4N铝)轧制板构成的金属板23与陶瓷基板11接合而形成。
散热器14用于冷却前述的电源模块用基板10，具备有与电源模块用基板10接合的顶板部5和用于流通冷却介质(例如冷却水)的通道6。散热器4(顶板部5)优选由导热性良好的材质构成，在本实施方式中，由A6063(铝合金)构成。
此外，在本实施方式，散热器4的顶板部5与金属层13之间设置有由铝或铝合金、或者包含铝的复合材料(例如AlSiC等)构成的缓冲层15。
而且，如图2所示，在陶瓷基板11与电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)的接合界面30的宽度方向中央部(图1的A部)，电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)中固溶有Si和Cu，自接合界面30离开沿着层压方向形成有Si浓度和Cu浓度逐渐降低的浓度梯度层33。在此，该浓度梯度层33的接合界面30侧的Si浓度设定在0.05质量％以上且0.5质量％以下的范围内，Cu浓度设定在0.05质量％以上且5.0质量％以下的范围内。
而且，浓度梯度层33的接合界面30侧的Si浓度和Cu浓度为用电子探针显微分析仪(EPMA，Electron probe micro-analyzer)分析(斑直径30μm)在距接合界面30的50μm位置测定五个点的平均值。此外，图2的曲线图为对电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)的中央部分，在层压方向上进行线性分析，以前述的50μm位置的浓度为基准求出的图。
此外，在陶瓷基板11与电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)的接合界面30的宽度方向端部(图1的B部)，形成有包含Cu的化合物析出到铝的母相中的Cu析出部35。在此，该Cu析出部35中的Cu浓度设定在0.5质量％以上且5.0质量％以下的范围内，含有大大地超出铝中的固溶量的Cu。
而且，Cu析出部35的Cu浓度为用EPMA分析(斑直径30μm)测定五个点的平均值。
此外，如图3所示，在透过型电子显微镜中观察陶瓷基板11与电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)的接合界面30时，在接合界面30形成有Si浓缩的Si高浓度部32。在该Si高浓度部32中，Si浓度比电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)中的Si浓度高出5倍以上。而且，该Si高浓度部32的厚度H为4nm以下。
在此，如图3所示，观察的接合界面30以电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)的格子像的界面侧端部与陶瓷基板11的格子像的界面侧端部之间的中央为基准面S。
以下，参照图4至图6对上述结构的电源模块用基板10的制造方法进行说明。
(Si和Cu粘合工序S1)
首先，如图5和图6所示，通过溅射在金属板22、23的各接合面粘合Si和Cu，形成Si和Cu的混合层24、25。在此，混合层24、25中的Si量和Cu量设定在Si为0.002mg/cm2以上且1.2mg/cm2以下，Cu为0.08mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下。
(层压工序S2)
接着，如图5所示，将金属板22层压在陶瓷基板11的一面侧，并将金属板23层压在陶瓷基板11的另一面侧。此时，如图5和图6所示，金属板22、23上形成混合层24、25的面朝向陶瓷基板11进行层压。即，混合层24、25(Si和Cu)分别存在于金属板22、23与陶瓷基板11之间。如此形成层压体20。
(加热工序S3)
接着，将在层压工序S2中形成的层压体20在其层压方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下装入真空加热炉内进行加热，如图6所示，在金属板22、23与陶瓷基板11的界面分别形成熔融金属区域26、27。如图6所示，通过混合层24、25的Si和Cu扩散到金属板22、23侧，金属板22、23的混合层24、25附近的Si浓度和Cu浓度提高且熔点变低而形成该熔融金属区域26、27。而且，上述压力不到1kgf/cm2时，有可能不能良好地进行陶瓷基板11与金属板22、23的接合。此外，上述压力超出35kgf/cm2时，金属板22、23有可能会变形。因而，对层压体20加压时的压力优选为1～35kgf/cm2的范围内。
在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-6～10-3Pa的范围内，加热温度设定为610℃以上且655℃以下的范围内。
(凝固工序S4)
接着，在形成熔融金属区域26、27的状态下保持着固定温度。这样，熔融金属区域26、27中的Si和Cu进一步向金属板22、23侧扩散。由此，熔融金属区域26、27的部分的Si浓度和Cu浓度缓慢降低，熔点上升，从而在保持固定温度的状态下进行着凝固。即，陶瓷基板11与金属板22、23通过所谓的扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)而接合。在如此进行凝固后，冷却至常温。
这样，成为电路层12和金属层13的金属板22、23与陶瓷基板11接合，制造本实施方式的电源模块用基板10。
在如上构成的本实施方式的电源模块用基板10和电源模块1中，由于具备在金属板22、23的接合面粘合Si和Cu的Si和Cu粘合工序S1，所以Si和Cu存在于金属板22、23与陶瓷基板11的接合界面30中。在此，由于Cu相对Al为反应性高的元素，所以通过Cu存在于接合界面30而使由铝构成的金属板22、23的表面变得活性化。因而，可牢固地接合陶瓷基板11与金属板22、23。
进而，由于陶瓷基板11与电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)通过将在金属板22、23的接合面形成的Si和Cu的混合层24、25的Si和Cu扩散到金属板22、23侧而形成熔融金属区域26、27，并通过将该熔融金属区域26、27中的Si和Cu向金属板22、23扩散而凝固来接合，所以即使在较低温、较短时间的接合条件下进行接合，也可牢固地接合陶瓷基板11与金属板22、23。
此外，由于在陶瓷基板11与电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)的接合界面30的宽度方向中央部，电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)中固溶有Si和Cu，自接合界面30离开沿着层压方向形成有Si浓度和Cu浓度逐渐降低的浓度梯度层33，该浓度梯度层33的接合界面30侧的Si浓度设定在0.05质量％以上且0.5质量％以下的范围内，Cu浓度设定在0.05质量％以上且5.0质量％以下的范围内，所以电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)的接合界面30侧的部分固溶强化，从而可防止电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)发生龟裂。
此外，在加热工序S3中，Si和Cu充分地扩散到金属板22、23侧，所以金属板22、23与陶瓷基板11被牢固接合。
进而，本实施方式中，由于陶瓷基板11由AlN构成，在金属板22、23与陶瓷基板11的接合界面30形成有Si浓度为电路层12(金属板22)和金属层13(金属板23)中的Si浓度的5倍以上的Si高浓度部32，所以通过存在于接合界面30的Si可实现陶瓷基板11与金属板22、23的接合强度提高。
此外，由于具备有在金属板的接合面粘合Si和Cu并形成混合层24、25的Si和Cu粘合工序S1，在加热工序S3中，通过使混合层24、25的Si和Cu扩散到金属板22、23侧而在陶瓷基板11与金属板22、23的界面形成熔融金属区域26、27，所以无需使用制造困难的Al-Si系焊料箔，从而可以低成本制造切实地接合金属板22、23和陶瓷基板11的电源模块用基板10。
此外，由于在Si和Cu粘合工序S1中，存在于陶瓷基板11与金属板22、23的界面的Si量和Cu量设定在Si为0.002mg/cm2以上、Cu为0.08mg/cm2以上，所以在陶瓷基板11与金属板22、23的界面能够切实地形成熔融金属区域26、27，从而可牢固地接合陶瓷基板11与金属板22、23。
进而，由于存在于陶瓷基板11与金属板22、23的界面的Si量和Cu量设定在Si为1.2mg/cm2以下、Cu为2.7mg/cm2以下，所以可防止在Si和Cu的混合层24、25产生裂缝，能够在陶瓷基板11与金属板22、23的界面切实地形成熔融金属区域26、27。进而，可防止Si和Cu过量地扩散到金属板22、23侧并使界面附近的金属板22、23的强度变得过高。因而，在电源模块用基板10承受冷热循环时，可由电路层12、金属层13(金属板22、23)吸收热应力，从而可防止陶瓷基板11的裂纹等。
此外，由于未使用焊料箔而在金属板22、23的接合面直接粘合Si和Cu形成混合层24、25，所以无需进行焊料箔的对位操作，从而能够切实地接合陶瓷基板11与金属板22、23。因而，可有效地制出该电源模块用基板10。
而且，由于在金属板22、23的接合面形成混合层24、25，所以存在于金属板22、23与陶瓷基板11的界面的氧化被膜仅存在于金属板22、23的表面，从而可使初期接合的合格率提高。
进而，由于本实施方式中在金属板22、23的接合面直接粘合Si和Cu形成混合层24、25，所以可有效地地进行Si和Cu粘合工序S1。
接着，参照图7至图10对本发明的第二实施方式进行说明。
该第二实施方式的电源模块用基板中，陶瓷基板111由Si3N4构成。
在此，如图7所示，在陶瓷基板111与电路层112(金属板122)和金属层113(金属板123)的接合界面130的宽度方向中央部，电路层112(金属板122)和金属层113(金属板123)中固溶有Si和Cu，自接合界面130离开沿着层压方向形成有Si浓度和Cu浓度逐渐降低的浓度梯度层133。在此，该浓度梯度层133的接合界面130侧的Si浓度设定在0.05质量％以上且0.5质量％以下的范围内，Cu浓度设定在0.05质量％以上且5.0质量％以下的范围内。
而且，浓度梯度层133的接合界面130侧的Si浓度和Cu浓度为用EPMA分析(斑直径30μm)在距接合界面130的50μm位置测定五个点的平均值。此外，图7的曲线图为对电路层112(金属板122)和金属层113(金属板123)的中央部分，在层压方向上进行线性分析，以前述的50μm位置的浓度为基准求出的图。
此外，如图8所示，在透过型电子显微镜中观察陶瓷基板111与电路层112(金属板122)和金属层113(金属板123)的接合界面130时，在接合界面130形成有氧浓缩的氧高浓度部132。在该氧高浓度部132中，氧浓度高于电路层112(金属板122)和金属层113(金属板123)中的氧浓度。而且，该氧高浓度部132的厚度H为4nm以下。
而且，如图8所示，在此观察的接合界面130以电路层112(金属板122)和金属层113(金属板123)的格子像的界面侧端部与陶瓷基板111的格子像的界面侧端部之间的中央为基准面S。
以下，参照图9和图10对上述结构的电源模块用基板的制造方法进行说明。而且，本实施方式中，Si和Cu粘合工序被分为Cu粘合工序S 10和Si粘合工序S11。
(Cu粘合工序S10)
首先，如图10所示，通过溅射在金属板122、123的各接合面粘合Cu，形成Cu层124A、125A。在此，Cu层124A、125A中的Cu量设定在Cu为0.08mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下。
(Si粘合工序S11)
接着，通过溅射在金属板122、123的各接合面形成的Cu层124A、125A上粘合Si，形成Si层124B、125B。在此，Si层124B、125B中的Si量设定在Si为0.002mg/cm2以上且1.2mg/cm2以下。
(层压工序S12)
接着，如图10所示，将金属板122层压在陶瓷基板111的一面侧，并将金属板123层压在陶瓷基板111的另一面侧。此时，如图10所示，金属板122、123上形成Cu层124A、125A和Si层124B、125B的面朝向陶瓷基板111进行层压。即，使Cu层124A、125A和Si层124B、125B分别存在于金属板122、123与陶瓷基板111之间。如此形成层压体。
(加热工序S13)
接着，将层压工序S12中形成的层压体在其层压方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下装入真空加热炉内进行加热，如图10所示，在金属板122、123与陶瓷基板111的界面分别形成熔融金属区域126、127。如图10所示，通过Cu层124A、125A和Si层124B、125B的Si和Cu扩散到金属板122、123侧，金属板122、123的Cu层124A、125A和Si层124B、125B附近的Si浓度和Cu浓度提高且熔点变低而形成该熔融金属区域126、127。
在此，本实施方式中，真空加热炉内的压力设定在10-6～10-3Pa的范围内，加热温度设定为610℃以上且655℃以下的范围内。
(凝固工序S14)
接着，在形成熔融金属区域126、127的状态下保持着固定温度。这样，熔融金属区域126、127中的Si和Cu进一步向金属板122、123侧扩散。由此，熔融金属区域126、127的部分的Si浓度和Cu浓度缓慢降低，熔点上升，从而在保持固定温度的状态下进行凝固。即，陶瓷基板111与金属板122、123通过所谓的扩散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)而接合。在如此进行凝固后，冷却至常温。
这样，成为电路层112和金属层113的金属板122、123与陶瓷基板111接合，制造本实施方式的电源模块用基板。
在如上构成的本实施方式的电源模块用基板中，由于具备在金属板122、123的接合面粘合Cu的Cu粘合工序S10和粘合Si的Si粘合工序S11，所以Si和Cu存在于金属板122、123与陶瓷基板111的接合界面130中。在此，由于Cu相对Al为反应性高的元素，所以通过Cu存在于接合界面130而使由铝构成的金属板122、123的表面变得活性化。因而，可牢固地接合陶瓷基板111与金属板122、123。
进而，由于陶瓷基板111与电路层112(金属板122)和金属层113(金属板123)通过将在金属板122、123的接合面形成的Cu层124A、125A和Si层124B、125B的Cu和Si扩散到金属板122、123侧而形成熔融金属区域126、127，并通过将该熔融金属区域126、127中的Si和Cu向金属板122、123扩散而凝固来接合，所以即使在较低温、较短时间的接合条件下进行接合，也可牢固地接合陶瓷基板111与金属板122、123。
此外，本实施方式中，由于陶瓷基板111由Si3N4构成，在成为电路层112和金属层113的金属板122、123与陶瓷基板111的接合界面130生成有氧浓度高于构成电路层112和金属层113的金属板122、123中的氧浓度的氧高浓度部132，所以通过该氧可实现陶瓷基板111与金属板122、123的接合强度的提高。此外，由于该氧高浓度部132的厚度为4nm以下，所以通过承受热循环时的应力可抑制在氧高浓度部132产生裂缝。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于此，在不脱离本发明的技术思想范围内可适当变更。
例如，对构成电路层和金属层的金属板为纯度99.99％的纯铝轧制板的情况进行了说明，但不限于此，也可为纯度99％的铝(2N铝)。
此外，在Si和Cu粘合工序中，对在金属板的接合面粘合Si和Cu的结构进行了说明，但不限于此，也可在陶瓷基板的接合面粘合Si和Cu。或者，也可在陶瓷基板的接合面和金属板的接合面分别粘合Si和Cu。
进而，在Si和Cu粘合工序中，对通过溅射粘合Si和Cu进行了说明，但不限于此，也可通过蒸镀、CVD等粘合Si和Cu。此外，在Si和Cu粘合工序中，还可与Si和Cu一起粘合Al。
此外，在第二实施方式中，对在Cu粘合工序S10之后进行Si粘合工序S11的Si和Cu粘合工序进行了说明，但不限于此，也可构成为在Si粘合工序之后进行Cu粘合工序。
进而，对使用真空加热炉进行陶瓷基板与金属板的接合进行了说明，但不限于此，也可在N2气氛、Ar气氛或He气氛等中进行陶瓷基板与金属板的接合。
此外，在散热器的顶板部与金属层之间设置由由铝或铝合金、或者包含铝的复合材料(例如AlSiC等)构成的缓冲层进行了说明，但也可没有该缓冲层。
进而，对由铝构成的散热器进行了说明，但也可由铝合金或包含铝的复合材料等构成。进而，对散热器具有冷却介质的通道的情况进行了说明，但不特别限定散热器的构造，可使用多种结构的散热器。
另外，对陶瓷基板由AlN、Si3N4构成的情况进行了说明，但不限于此，也可以由Al2O3等其他陶瓷构成。
(实施例)
对用于确认本发明的有效性而进行的确认实验进行说明。
准备两张由厚度0.6mm的4N铝构成的金属板，通过真空蒸镀在这些金属板的一面粘合Si和Cu，将这两张金属板分别以蒸镀面朝向陶瓷基板层压在由40mm边、厚度0.635mm的AlN构成的陶瓷基板的两面，在层压方向上以压力1～5kgf/cm2加压的状态下，在真空加热炉(真空度10-3～10-5Pa)内加热至630～650℃，制出具备陶瓷基板、电路层和金属层的电源模块用基板。
进而，改变粘合的Si量和Cu量制出多种试验片。
在如此成形的电源模块用基板的金属层侧通过由4N铝构成的厚度0.9mm的缓冲层接合相当于散热器的顶板的50mm×60mm、厚度5mm的铝板(A6063)。
使这些试验片承受-45℃～105℃的冷热循环，比较重复2000次冷热循环后的接合率。评价结果示于图11中。
而且，接合率由下式算出。在此，初期接合面积设为接合前应接合的面积。
接合率＝(初期接合面积-剥离面积)/初期接合面积
在此，重复2000次冷热循环后的接合率不到70％时用×表示，接合率在70％以上且不到85％时用△表示，接合率在85％以上时用○表示。
Si量为0.001mg/cm2、Cu量为0.05mg/cm2时，冷热循环负荷后的接合率不到70％。判断是因为存在于界面的Si量、Cu量少，从而在金属板与陶瓷基板的界面不能充分形成熔融金属区域。
此外，Si量为1.4mg/cm2，或者Cu量为3.2mg/cm2时，冷热循环负荷后的接合率也不到70％。推测是因为存在于界面的Si和Cu量过多，金属板变得过硬，从而在接合界面承受因冷热循环产生的热应力。
另一方面，Si量为0.002mg/cm2以上且1.2mg/cm2以下、Cu量为0.08mg/Gm2以上且2.7mg/cm2以下时，冷热循环负荷后的接合率为70％以上。判断是因为通过Si、Cu的扩散，能够在金属板与陶瓷基板的界面切实地形成熔融金属区域，从而可牢固地接合金属板与陶瓷基板。
特别是，Si量设为〔Si〕、Cu量设为〔Cu〕时，在满足下列关系的条件下，
〔Cu〕+2×〔Si〕≤3
且0.002mg/cm2≤〔Si〕≤1.2mg/cm2
0.08mg/cm2≤〔Cu〕≤2.7mg/cm2
冷热循环负荷后的接合率为85％以上，确认了可进一步牢固地接合金属板与陶瓷基板。推测这是因为超出上述关系粘合Si、Cu时，金属板因Si、Cu的固溶硬化而变得过硬，从而在接合率上产生偏差。
接着，准备两张由厚度0.6mm的4N铝构成的金属板，通过真空蒸镀在这些金属板的一面粘合Si和Cu，将这两张金属板分别以蒸镀面朝向陶瓷基板层压在由40mm边、厚度0.635mm的AlN构成的陶瓷基板的两面，在层压方向上以压力5～35kgf/cm2加压的状态下，在真空加热炉(真空度10-3～10-5Pa)内加热至630～650℃，制出具备陶瓷基板、电路层和金属层的电源模块用基板。
进而，改变粘合的Si量和Cu量制出多种试验片。
在如此成形的电源模块用基板的金属层侧通过由4N铝构成的厚度0.9mm的缓冲层接合相当于散热器的顶板的50mm×60mm、厚度5mm的铝板(A6063)。
使这些试验片承受-45℃～105℃的冷热循环，比较重复2000次冷热循环后的接合率。评价结果示于表1至表3中。
而且，接合率由下式算出。在此，初期接合面积设为接合前应接合的面积。
接合率＝(初期接合面积-剥离面积)/初期接合面积
此外，对于这些试验片，通过EPMA分析(斑直径30μm)测定金属板中的与陶瓷基板的接合界面附近(距接合界面50μm)的Si浓度。测定结果一起示于表1至表3中。
[表1]
Figure BSA00000421125200201
[表2]
Figure BSA00000421125200211
[表3]
Figure BSA00000421125200221
在Si粘合量和Cu粘合量为本发明范围外的比较例1～16中，重复2000次冷热循环后的接合率不到70％。
与此相对，在Si粘合量和Cu粘合量为本发明范围内的实施例1～48中，重复2000次冷热循环后的接合率超出70％。
此外，在Si层的粘合量为0.001mg/cm2的比较例1中，界面的Si浓度为0.039质量％。在Si层的粘合量为1.398mg/cm2的比较例11～16中，界面的Si浓度超出了0.5质量％。与此相对，在Si层的粘合量为0.1165～1.165mg/cm2的实施例1～48中，确认了界面的Si浓度为0.2～0.5质量％的范围内。
同样，在Cu层的粘合量为0.005mg/cm2的比较例1中，界面的Cu浓度为0.027质量％。在Cu层的粘合量为3.136mg/cm2的比较例2～10中，界面的Cu浓度超出了6质量％。与此相对，在Cu层的粘合量为0.448～2.688mg/cm2的实施例1～48中，确认了界面的Cu浓度为0.45～5质量％的范围内。

Claims (8)

1.一种电源模块用基板的制造方法，为在陶瓷基板的表面层压接合由铝构成的金属板的电源模块用基板的制造方法，其特征在于，具有：
在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面粘合Si和Cu的Si和Cu粘合工序；
通过粘合的Si和Cu层压所述陶瓷基板和所述金属板的层压工序；
将层压的所述陶瓷基板和所述金属板在层压方向上加压并加热，在所述陶瓷基板和所述金属板的界面形成熔融金属区域的加热工序；和
通过使该熔融金属区域凝固而接合所述陶瓷基板和所述金属板的凝固工序，
在所述Si和Cu粘合工序中，使0.002mg/cm2以上且1.2mg/cm2以下的Si、0.08mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下的Cu存在于所述陶瓷基板和所述金属板的界面，
在所述加热工序中，通过使粘合的Si和Cu扩散到所述金属板侧，在所述陶瓷基板和所述金属板的界面形成所述熔融金属区域。
2.根据权利要求1所述的电源模块用基板的制造方法，其特征在于，在所述Si和Cu粘合工序中，与Si和Cu一起粘合Al。
3.根据权利要求1或2所述的电源模块用基板的制造方法，其特征在于，所述Si和Cu粘合工序通过电镀、蒸镀、化学气相沉积、溅射、冷喷涂、或者粉末分散着的浆料和墨水等的涂布在所述陶瓷基板的接合面和所述金属板的接合面的至少一面粘合Si和Cu。
4.一种电源模块用基板，其特征在于，为通过权利要求1至3中任意一项所述的电源模块用基板的制造方法制造的电源模块用基板，
在所述金属板上固溶有Si和Cu，所述金属板中的与所述陶瓷基板的界面附近的Si浓度设定在0.05质量％以上且0.5质量％以下，Cu浓度设定在0.05质量％以上且5.0质量％以下的范围内。
5.一种电源模块用基板，其特征在于，为通过权利要求1至3中任意一项所述的电源模块用基板的制造方法制造的电源模块用基板，所述陶瓷基板由AlN、Al2O3和Si3N4的任意一种构成。
6.根据权利要求4或5所述的电源模块用基板，其特征在于，设定所述陶瓷基板的宽度宽于所述金属板的宽度，在所述金属板的宽度方向端部形成有含Cu的化合物析出到铝中的Cu析出部。
7.一种带有散热器的电源模块用基板，其特征在于，具备权利要求4至6中任意一项所述的电源模块用基板和冷却该电源模块用基板的散热器。
8.一种电源模块，其特征在于，具备权利要求4至6中任意一项所述的电源模块用基板和装载在该电源模块用基板上的电子部件。
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