CN102651348B - 功率模块用基板及制法、自带散热器的该基板及功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属板与陶瓷基板确实接合且热循环可靠性高的功率模块用基板、具备该功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板、功率模块及该功率模块用基板的制造方法。一种功率模块用基板(10)，其在陶瓷基板(11)的表面层压接合有铝制金属板(12、13)，其特征在于，在金属板(12、13)中，除了Si和Cu之外，还固溶有选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，在金属板(12、13)中，与陶瓷基板(11)的界面附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计设定在0.05质量％以上5质量％以下的范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制大电流、高电压的半导体装置中使用的功率模块用基板、具备该功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板、功率模块及该功率模块用基板的制造方法。
背景技术
由于在半导体元件中用于电力供给的功率元件的发热量比较高，所以作为搭载该功率元件的基板，例如，如专利文献1所示，使用有如下功率模块用基板：在由AlN(氮化铝)构成的陶瓷基板上通过钎料接合有Al(铝)金属板。
并且，该金属板形成为电路层，在其金属板上通过焊料搭载有功率元件(半导体元件)。
另外，提出有如下内容：为了散热，在陶瓷基板的下面也接合Al等金属板设为金属层，在散热板上通过该金属层接合功率模块用基板整体。
并且，作为形成电路层的手段，除了提出有在陶瓷基板上接合金属板之后后，在该金属板上形成电路图的方法之外，例如如专利文献2公开，还提出有将预先形成为电路图案形的金属片接合于陶瓷基板上的方法。
在此，为了获得作为所述电路层及所述金属层的金属板与陶瓷基板的良好的接合强度，例如在下述专利文献3中公开有将陶瓷基板的表面粗糙度设为不到0.5μm的技术。
专利文献1：日本专利公开2003-086744号公报
专利文献2：日本专利公开2008-311294号公报
专利文献3：日本专利公开平3-234045号公报
但是，将金属板接合于陶瓷基板时，存在如下问题点：仅降低陶瓷基板的表面粗糙度也不能获得充分高的接合强度，不能谋求可靠性的提高。例如，了解到可知，以干式对陶瓷基板的表面进行基于Al2O3颗粒的研磨处理，即使将表面粗糙度设为Ra＝0.2μm，在剥离试验中有时也产生界面剥离。并且，存在如下情况：即使通过研磨法将表面粗糙度设为Ra＝0.1μm以下，仍同样产生界面剥离。
尤其，最近在进行功率模块的小型化、薄壁化的同时，其使用环境也日趋严峻，存在来自电子零件的发热量变大的趋势，如前所述，需要在散热板上配设功率模块用基板。此时，因功率模块用基板受散热板限制，所以在热循环负荷时，巨大的剪切力作用于金属板与陶瓷基板的接合界面，与以往相比，更加要求陶瓷基板与金属板之间的接合强度及可靠性的提高。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种确实接合金属板与陶瓷基板且热循环可靠性高的功率模块用基板、具备该功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板、功率模块及该功率模块用基板的制造方法。
为了解决这种课题并实现所述目的，本发明的功率模块用基板，在陶瓷基板的表面层压接合有铝制金属板，其特征在于，在所述金属板中，除了Si和Cu之外，还固溶有选自Zn、Ge、Ag、Mg，Ca，Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，在所述金属板中，与所述陶瓷基板的界面附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计设定在0.05质量％以上5质量％以下的范围内。
在该此结构的功率模块用基板中，由于在所述金属板中，除了Si和Cu之外，还固溶有选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，因此使金属板的接合界面侧部分固溶强化。由此，可防止金属板部分处的破裂，可提高接合可靠性。
在此，由于所述金属板中，与所述陶瓷基板的界面附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计为0.05质量％以上，所以可确实地固溶强化金属板接合界面的侧部分。并且，所述金属板中，与所述陶瓷基板的界面附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计为5质量％以下，所以可防止金属板的接合界面的强度过于变高，在该功率模块用基板上负荷冷热循环时，可由金属板吸收热应力，并可防止陶瓷基板的破碎等。
而且，优选采用如下结构：所述陶瓷基板的宽度设定成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的化合物在铝中析出的Cu析出部。
此时，由于在金属板的宽度方向端部形成有Cu析出部，所以可析出强化金属板的宽度方向端部。由此，可防止来自金属板的宽度方向端部的破裂的产生，能够提高接合可靠性。
在此，所述陶瓷基板由AlN或Al2O3构成，在所述金属板与所述陶瓷基板的接合界面，也可形成有Si浓度为所述金属板中Si浓度的5倍以上的Si高浓度部。
此时，由于在所述金属板与所述陶瓷基板的接合界面形成有Si浓度为所述金属板中Si浓度的5倍以上的Si高浓度部，所以通过存在于接合界面的Si原子提高由AlN或Al2O3构成的陶瓷基板与铝制金属板的接合强度。另外，在此，金属板中的Si浓度是指，在金属板中从接合界面远离一定距离(例如，50nm以上)的部分的Si浓度。
并且，也可以为如下：所述陶瓷基板由AlN或Si3N4构成，在所述金属板与所述陶瓷基板的接合界面形成有氧浓度高于所述金属板中及所述陶瓷基板中的氧浓度的氧高浓度部，该氧高浓度部的厚度为4nm以下。
此时，由于在由AlN或Si3N4构成的陶瓷基板与铝制金属板的接合界面形成有氧浓度高于所述金属板中及所述陶瓷基板中的氧浓度的氧高浓度部，所以通过存在于接合界面的氧提高由AlN或Si3N4构成的陶瓷基板和铝制金属板的接合强度。另外，由于该氧高浓度部的厚度为4nm以下，因此可抑制通过负荷热循环时的应力产生在氧高浓度部的裂纹。
另外，在此，金属板中及陶瓷基板中的氧浓度是指，金属板及陶瓷基板中从接合界面远离一定距离(例如，50nm以上)的部分的氧浓度。
本发明的自带散热器的功率模块用基板的特征在于，具备所述功率模块用基板和冷却该功率模块用基板的散热器。
根据该结构的自带散热器的功率模块用基板，由于具备有冷却功率模块用基板的散热器，所以可通过散热器有效冷却功率模块用基板中产生的热。
本发明的功率模块的特征在于，具备所述功率模块用基板和搭载于该功率模块用基板上的电子零件。
根据该结构的功率模块，陶瓷基板与金属板的接合强度高，即使在严峻的使用环境下，也可飞跃提高其可靠性。
本发明的功率模块用基板的制造方法，其在陶瓷基板的表面层压接合有铝制金属板，其特征在于，具有：固着工序，在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方，除了Si和Cu之外，还固着选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，形成含有Si、Cu及所述添加元素的固着层；层压工序，通过所述固着层，层压所述陶瓷基板和所述金属板；加热工序，将被层压的所述陶瓷基板和所述金属板向层压方向加压的同时加热，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；及凝固工序，通过凝固该熔融金属区域来接合所述陶瓷基板与所述金属板，其中在所述固着工序中，使Si、Cu及所述添加元素在0.1mg/cm2以上10mg/cm2以下的范围内介入在所述陶瓷基板与所述金属板的界面，在所述加热工序中，通过使所述固着层的Si、Cu及所述添加元素向所述金属板侧扩散，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成所述熔融金属区域。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法，由于具备有：在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方，除了Si和Cu之外，还固着选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，形成含有Si、Cu及所述添加元素的固着层的固着工序，所以在所述金属板与所述陶瓷基板的接合界面，除了Si和Cu之外，还介入有选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。在此，Si和Cu及Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li之类的元素为降低铝熔点的元素，因此在比较低温条件下，可在金属板与陶瓷基板的界面形成熔融金属区域。并且，Cu为相对于Al反应性较高的元素，因此铝制金属板的表面通过接合界面附近存在Cu而进行活性化。
从而，即使在比较低温、短时间的接合条件下接合，也可紧固地接合陶瓷基板与金属板。
并且，在加热工序中，通过使固着层的Si、Cu及选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素向所述金属板侧扩散，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成所述熔融金属区域，并凝固该熔融金属区域，从而成为接合所述金属板与所述陶瓷基板的结构，所以无需使用Al-Si系的钎料箔就能够以低成本制造金属板与陶瓷基板确实接合的功率模块用基板。
如此，不使用钎料箔就能接合所述陶瓷基板与所述金属板，因此无需进行钎料箔的对位作业等，例如，将预先形成为电路图案形的金属片接合于陶瓷基板时，也可将由错位等引起的麻烦防患于未然。
并且，在所述固着工序中，将介入于所述陶瓷基板与所述金属板的界面的Si、Cu及所述添加元素的固着量设为0.1mg/cm2以上，因此在陶瓷基板与金属板的界面，能够确实形成熔融金属区域，并可紧固地接合陶瓷基板与金属板。
另外，将介入于所述陶瓷基板与所述金属板的界面的Si、Cu及所述添加元素的固着量设为10mg/cm2以下，因此可防止在固着层中产生裂纹，并可在陶瓷基板与金属板的界面确实地形成熔融金属区域。另外，可防止Si、Cu及所述添加元素过于向金属板侧扩散而界面附近的金属板的强度过于变高。由此，在功率模块用基板负荷冷热循环时，可由金属板吸收热应力，并可防止陶瓷基板的破裂等。
另外，在所述固着工序中，使Si、Cu及所述添加元素在0.1mg/cm2以上10mg/cm2以下的范围内介入于所述陶瓷基板与所述金属板的界面，因此可制造如下功率模块用基板：在所述金属板中，与所述陶瓷基板的界面附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计在0.05质量％以上5质量％以下的范围内。
而且，由于在金属板及陶瓷基板上直接形成固着层，因此氧化薄膜只形成在金属板的表面，存在于金属板及陶瓷基板的界面的氧化薄膜的总计厚度变薄，因此能够提高初始接合的成品率。
另外，成为如下结构：在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方直接固着Si、Cu及所述添加元素，但从生产性的观点考虑，优选在金属板的接合面固着Si、Cu及所述添加元素。在陶瓷基板的接合面固着Si、Cu及所述添加元素时，必须在每片陶瓷基板分别固着Si、Cu及所述添加元素。对此，向金属板的接合面固着Si、Cu及所述添加元素时，对于被卷成卷状的长金属条，可从其一端到另一端连续固着Si、Cu及所述添加元素，生产性优越。
并且，可以在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方分别单独固着Si、Cu及所述添加元素而形成Cu层、Si层及添加元素层。或者，也可以在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方同时固着Si、Cu及所述添加元素而形成Si和Cu及所述添加元素的固着层。
在此，所述固着工序中，优选成为与Si、Cu及所述添加元素一同固着Al的结构。
此时，由于与Si、Cu及所述添加元素一同固着Al，因此所形成的固着层含有Al，在加热工序中，该固着层能够优先熔融而确实形成熔融金属区域，并能够紧固地接合陶瓷基板和金属板。并且，可防止Mg、Ca、Li等氧化活性元素的氧化。另外，为了与Si、Cu及所述添加元素一同固着Al，可同时蒸镀Si、Cu及所述添加元素和Al，也可将Si、Cu及所述添加元素和Al的合金作为靶进行溅射。另外，也可层压Si、Cu及添加元素和Al。
并且，所述固着工序优选通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者通过涂布分散有粉末的糊剂及墨水等，在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方固着Si、Cu及所述添加元素。
此时，通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者通过涂布分散有粉末的糊剂及墨水等，Si、Cu及所述添加元素确实地固着于所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方，因此能够使Si、Cu及所述添加元素确实介入于陶瓷基板与金属板的接合界面。并且，可高精度调节Si、Cu及所述添加元素的固着量，并可以确实形成熔融金属区域而紧固地接合陶瓷基板与金属板。
根据本发明，能够提供金属板与陶瓷基板确实接合且热循环可靠性高的功率模块用基板、具备该功率模块用基板的自带散热器的功率模块用基板、功率模块及该功率模块用基板的制造方法。
附图说明
图1是使用本发明的第1实施方式的功率模块用基板的功率模块的简要说明图。
图2是表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层的Si浓度、Cu浓度及添加元素浓度的说明图。
图3是本发明的第1实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层(金属板)与陶瓷基板的接合界面的示意图。
图4是表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图5是表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图6是表示图5中的金属板与陶瓷基板的接合界面附近的说明图。
图7是表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层的Si浓度、Cu浓度及添加元素浓度的说明图。
图8是本发明的第2实施方式的功率模块用基板的电路层及金属层(金属板)与陶瓷基板的接合界面的说明图。
图9是表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图10是表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
符号说明
1-功率模块，3-半导体芯片(电子零件)，10-功率模块用基板，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-固着层，26、27、126、127-熔融金属区域，30、130-接合界面，124A、125A-Cu层，124B、125B-Si层，124C、125C添加元素层。
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中表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板及功率模块。
该功率模块1具备有：功率模块用基板10，配设有电路层12；半导体芯片3，通过焊层2接合于电路层12的表面；及散热器4。在此，焊层2例如为Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊料。另外，在本实施方式中，电路层12和焊层2之间设置有Ni镀层(未图示)。
功率模块用基板10具备：陶瓷基板11；电路层12，配设于该陶瓷基板11的一面(在图1中为上部)；及金属层13，配设于陶瓷基板11的另一面(在图1中为下部)。
陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，由绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板11的厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中设定为0.635mm。另外，如图1所示，在本实施方式中，陶瓷基板11的宽度(在图1中的左右方向长度)设定为宽于电路层12及金属层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，通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)压延板构成的金属板22接合于陶瓷基板11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，金属层13与电路层12同样通过由纯度为99.99％以上的铝(所谓4N铝)压延板构成的金属板23接合于陶瓷基板11而形成。
散热器4用于冷却所述功率模块用基板10，具备有：顶板部5，与功率模块用基板10相接合；及流路6，用于使冷却介质(例如冷却水)流通。散热器4(顶板部5)优选由热传导性良好的材质构成，在本实施方式中，由A6063(铝合金)构成。
并且，在本实施方式中，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含有铝的复合材料(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)及金属层13(金属板23)的接合界面30的宽度方向中央部中，在电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)中，除了Si和Cu之外，还固溶有选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。在电路层12及金属层13的接合界面30的附近处形成有Si浓度、Cu浓度及所述添加元素的浓度随着从接合界面30向层压方向离开而降低的浓度倾斜层33。在此，该浓度倾斜层33的接合界面30侧(电路层12及金属层13的接合界面30的附近)的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计设定在0.05质量％以上5质量％以下的范围内。
另外，电路层12及金属层13的接合界面30附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度是通过EPMA分析(斑点直径30μm)在距离接合界面30的50μm位置进行5点测定的平均值。并且，图2的图表是在电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)的中央部分向层压方向进行线性分析，并将所述50μm位置处的浓度作为基准而求出的图表。
在此，本实施方式中，将Ge作为添加元素使用，且电路层12及金属层13的接合界面30附近的Ge浓度设定在0.05质量％以上1质量％以下，Si浓度设定在0.05质量％以上0.5质量％以下，Cu浓度设定在0.05质量％以上1质量％以下的范围内。
并且，在陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及与金属层13(金属板23)的接合界面30的宽度方向端部中，形成有含有Cu的化合物在铝的母相中析出的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5.0质量％的范围内，并含有大幅度超过铝中固溶量的Cu。
另外，Cu析出部35的Cu浓度为以EPMA分析(斑点直径30μm)进行5点测定的平均值。
并且，在透射电子显微镜中观察陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及与金属层13(金属板23)的接合界面30时，如图3所示，在接合界面30形成有浓缩Si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)及金属层13(金属板23)中的Si浓度高出5倍以上。另外，该Si高浓度部32的厚度H为4nm以下。
在此，如图3所示，所观察的接合界面30将电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)的晶格像的界面侧端部与陶瓷基板11的晶格像的界面侧端部之间的中央设为基准面S。
以下，参照图4至图6对所述结构的功率模块用基板10的制造方法进行说明。
(固着工序S1)
首先，如图5及图6所示，通过溅射在金属板22、23的各接合面固着Si及Cu和选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，形成固着层24、25。
在此，在本实施方式中，将Ge作为添加元素使用，固着层24、25中的Si量设定在0.002mg/cm2以上1.2mg/cm2以下，Cu量设定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下，Ge量设定在0.002mg/cm2以上2.5mg/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，并且将金属板23层压在陶瓷基板11的另一面侧。此时，如图5及图6所示，以金属板22、23中形成有固着层24、25的面朝向陶瓷基板11的方式层压。即，在金属板22、23与陶瓷基板11之间分别介入有固着层24、25(Si、Cu及所述添加元素)。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以向其层压方向加压(压力为1～35kgf/cm2)的状态装入加热炉内进行加热，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，该熔融金属区域26、27是通过如下而形成的：固着层24、25的Si、Cu及所述添加元素向金属板22、23侧扩散，从而金属板22、23的固着层24、25附近的Si浓度、Cu浓度及所述添加元素的浓度(在本实施方式中为Ge浓度)上升，熔点降低。另外，上述压力不到1kgf/cm2时，有可能无法良好地进行陶瓷基板11与金属板22、23的接合。并且，上述压力超过35kgf/cm2时，金属板22、23有可能变形。从而，上述加压压力优选设在1～35kgf/cm2的范围内。
在此，本实施方式中，加热炉内的气氛设为N2气体气氛，加热温度设定在550℃以上650℃以下的范围内。
(凝固工序S4)
接着，在形成有熔融金属区域26、27的状态下将温度保持为恒定。这样，熔融金属区域26、27中的Si、Cu及添加元素(在本实施方式中为Ge)进一步向金属板22、23侧扩散。由此，曾为熔融金属区域26、27的部分的Si浓度、Cu浓度及所述添加元素的浓度(在本实施方式中为Ge浓度)逐渐降低，熔点上升，在将温度保持为恒定的状态下进行凝固。即，陶瓷基板11和金属板22、23通过所谓等温扩散接合(TransientLiquidPhaseDiffusionBonding)而接合。如此，进行凝固后冷却至常温。
如此，成为电路层12及金属层13的金属板22、23与陶瓷基板11接合，制造出本实施方式的功率模块用基板10。
在成为如以上结构的本实施方式的功率模块用基板10及功率模块用基板1中，由于具备在金属板22、23的接合面固着Si、Cu及所述添加元素(在本实施方式中为Ge)的固着工序S1，所以在金属板22、23与陶瓷基板11的接合面30介入有Si、Cu及所述添加元素。在此，Cu为相对Al反应性高的元素，所以铝制金属板22、23的表面通过接合界面30存在Cu而进行活性化。从而，能够紧固地接合陶瓷基板11与金属板22、23。
另外，陶瓷基板11与电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)通过使形成于金属板22、23的接合面的含有Si、Cu及所述添加元素的固着层24、25的Si、Cu及所述添加元素向金属板22、23侧扩散来形成熔融金属区域26、27，并通过使该熔融金属区域26、27中的Si、Cu及所述添加元素向金属板22、23扩散而凝固并接合，因此在比较低温、短时间的接合条件下也能够紧固接合陶瓷基板11与金属板22、23。尤其，Si、Cu及Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li之类的元素为降低铝的熔点的元素，因此能够在低温条件下接合。
并且，在陶瓷基板11与电路等12(金属板22)及与金属层13(金属板23)的接合界面30的宽度方向中央部中，在电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)固溶有Si、Cu及所述添加元素，电路层12及金属层13的各接合界面30侧的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计设定在0.05质量％以上5质量％以下的范围内，在本实施方式中，将Ge作为添加元素使用，电路层12及金属层13的接合界面30附近的Ge浓度设定在0.05质量％以上1质量％以下的范围内，Si浓度设定在0.05质量％以上0.5质量％以下的范围内，Cu浓度设定在0.05质量％以上1质量％以下的范围内，所以电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)的接合界面30侧的部分固溶强化，能够防止电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)中的龟裂的产生。
并且，在加热工序S3中Si、Cu及所述添加元素充分向金属板22、23侧扩散，并紧固接合金属板22、23和陶瓷基板11。
另外，在本实施方式中，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浓度成为电路层12(金属板22)及金属层13(金属板23)中的Si浓度的5倍以上的Si高浓度部32，因此能够通过存在于接合界面30的Si谋求陶瓷基板11与金属板22、23的接合强度的提高。
并且，具备有在金属板的接合面固着Si、Cu及所述添加元素而形成固着层24、25的固着工序S1，且构成为如下：在加热工序S3中，通过使固着层24、25的Si、Cu及所述添加元素向金属板22、23侧扩散，从而在陶瓷基板11与金属板22、23的界面形成熔融金属区域26、27，因此无需使用制造困难的Al-Si系的钎料箔，就能够以低成本制造金属板22、23和陶瓷基板11确实接合的功率模块用基板10。
另外，在本实施方式中，在固着工序S1中，介入于陶瓷基板11与金属板22、23的界面的Si量、Cu量及Ge量设定为Si：0.002mg/cm2以上、Cu：0.08mg/cm2以上、Ge：0.002mg/cm2以上，因此能够在陶瓷基板11与金属板22、23的界面确实地形成熔融金属区域26、27，并能够紧固接合陶瓷基板11和金属板22、23。
另外，由于将介入于陶瓷基板11与金属板22、23的界面的Si量、Cu量及Ge量设定为Si：1.2mg/cm2以下、Cu：2.7mg/cm2以下、Ge：2.5mg/cm2以下，因此能够防止在固着层24、25产生裂纹，并能够在陶瓷基板11与金属板22、23的界面确实地形成熔融金属区域26、27。另外，能够防止Si、Cu及所述添加元素过于向金属板22、23侧扩散而界面附近的金属板22、23的强度变得过高。从而，在功率模块用基板10负荷冷热循环时，可由电路层12、金属层13(金属板22、23)吸收热应力，并能够防止陶瓷基板11的破裂等。
并且，不使用钎料箔，在金属板22、23的接合面直接形成固着层24、25，因此无需进行钎料箔的对位作业，就能够确实接合陶瓷基板11与金属板22、23。
而且，在金属板22、23的接合面形成有固着层24、25，因此介入于金属板22、23与陶瓷基板11的界面的氧化薄膜只存在于金属板22、23的表面，因此能够在N2气氛下进行接合。从而，能够有效制造出该功率模块用基板10，能够大幅度降低制造成本。
接着，参照图7至图10对本发明的第2实施方式进行说明。
该第2实施方式的功率模块用基板中，陶瓷基板111由Si3N4构成。
在陶瓷基板111与电路层112(金属板122)及金属层113(金属板123)的接合界面130的宽度方向中央部中，如图7所示，在电路层112(金属板122)及金属层113(金属板123)中，除了Si和Cu之外，还固溶有选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。在此，电路层112及金属层113的接合界面130附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计设定在0.05质量％以上5质量％以下的范围内。
另外，电路层112及金属层113的接合界面130附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度是通过EPMA分析(斑点直径30μm)在距离接合界面130的50μm位置进行5点测定的平均值。并且，图7的图表是在电路层112(金属板122)及金属层113(金属板123)的中央部分向层压方向进行线性分析，并将所述50μm位置处的浓度作为基准而求出的图表。
在此，本实施方式中，将Ag作为添加元素使用，在电路层112及金属层113的接合界面130附近的Ag浓度设定在0.05质量％以上1.5质量％以下，Si浓度设定在0.05质量％以上0.5质量％以下，Cu浓度设定在0.05质量％以上1质量％以下的范围内。
并且，在透射电子显微镜中观察陶瓷基板111与电路层112(金属板122)及与金属层113(金属板123)的接合界面130时，如图8所示，接合界面130形成有浓缩氧的氧高浓度部132。在该氧高浓度部132中，氧浓度高于电路层112(金属板122)及金属层113(金属板123)中的氧浓度。另外，该氧高浓度部132的厚度H设为4nm以下。
另外，如图8所示，在此观察的接合界面130将电路层112(金属板122)及金属层113(金属板123)的晶格像的界面侧端部与陶瓷基板111的晶格像的接合界面侧端部之间的中央设为基准面S。
以下，参照图9及图10对所述结构的功率模块用基板的制造方法进行说明。另外，在本实施方式中，固着工序分为Cu固着工序S10、Si固着工序S11及添加元素固着工序S12。
(Cu固着工序S10)
首先，如图10所示，通过溅射在金属板122、123的各接合面固着Cu，形成Cu层124A、125A。在此，Cu层124A、125A中的Cu量设定在0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下。并且，Cu层124A、125A的厚度优选设定在0.1μm以上3μm以下的范围内。
(Si固着工序S11)
接着，在形成于金属板122、123的各接合面的Cu层124A、125A上，通过溅射固着Si，形成Si层124B、125B。在此，Si层124B、125B中的Si量设定在0.002mg/cm2以上1.2mg/cm2以下。并且，Si层124B、125B的厚度优选设定在0.01μm以上5μm以下的范围内。
(添加元素固着工序S12)
接着，在所述Si层124B、125B上，通过溅射固着选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，而形成添加元素层124C、125C。在此，在本实施方式中，使用Ag作为添加元素，添加元素层124C、125C中的Ag量设定在0.08mg/cm2以上5.4mg/cm2以下。并且，添加元素层124C、125C的厚度优选设定在0.01μm以上5μm以下的范围内。
(层压工序S13)
接着，将金属板122层压在陶瓷基板111的一面侧，并且将金属板123层压在陶瓷基板111的另一面侧。此时，如图10所示，以金属板122、123中形成有Cu层124A、125A，Si层124B、125B及添加元素层124C、125C的面朝向陶瓷基板111的方式层压。即，在金属板122、123与陶瓷基板111之间分别介入有Cu层124A、125A，Si层124B、125B及添加元素层124C、125C。如此形成层压体。
(加热工序S14)
接着，将在层压工序S13中形成的层压体以向其层压方向加压(压力为1～35kgf/cm2)的状态装入加热炉内进行加热，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，该熔融金属区域126、127是通过如下而形成的：Cu层124A、125A，Si层124B、125B及添加元素层124C、125C的Si、Cu及添加元素(在本实施方式中为Ag)向金属板122、123侧扩散，从而金属板122、123的Cu层124A、125A，Si层124B、125B及添加元素层124C、125C附近的Si浓度、Cu浓度及添加元素的浓度上升、熔点降低。
在此，本实施方式中，加热炉内的气氛设为N2气氛，加热温度设定在550℃以上650℃以下的范围内。
(凝固工序S15)
接着，在形成有熔融金属区域126、127的状态下将温度保持为恒定。这样，熔融金属区域126、127中的Si、Cu及添加元素进一步向金属板122、123侧扩散。由此，曾为熔融金属区域126、127的部分的Si浓度、Cu浓度及添加元素的浓度逐渐降低，熔点上升，在将温度保持为恒定的状态下进行凝固。即，陶瓷基板111与金属板122、123通过所谓等温扩散接合(TransientLiquidPhaseDiffusionBonding)而接合。如此，进行凝固后冷却至常温。
如此，成为电路层112及金属层113的金属板122、123与陶瓷基板111接合，制造出本实施方式的功率模块用基板。
在成为如以上结构的本实施方式的功率模块用基板中，由于具备有在金属板122、123的接合面固着Cu的Cu固着工序S10、固着Si的Si固着工序S11、及固着所述添加元素(在本实施方式中为Ag)的添加元素固着工序S12，所以在金属板122、123与陶瓷基板111的接合界面130中介入有Si、Cu及所述添加元素。在此，Cu为相对Al反应性高的元素，所以铝制金属板122、123的表面通过接合界面130存在Cu而进行活性化，能够紧固接合陶瓷基板111与金属板122、123。
另外，陶瓷基板111和电路层112(金属板122)及金属层113(金属板123)，通过使形成于金属板122、123的接合面的Cu层124A、125A和Si层124B、125B及添加元素层124C、125C的Cu、Si及添加元素向金属板122、123侧扩散来形成熔融金属区域126、127，并通过使该熔融金属区域126、127中的Si、Cu及添加元素向金属板122、123扩散而凝固接合，因此在比较低温、短时间的接合条件下，也能够紧固地接合陶瓷基板111与金属板122、123。尤其，Si、Cu及Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li之类的元素为降低铝的熔点的元素，因此能够在低温条件下接合。
并且，本实施方式中，由于陶瓷基板111由Si3N4构成，在成为电路层112及金属层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及金属层113的金属板122、123中的氧浓度的氧高浓度部132，因此可通过此氧谋求陶瓷基板111与金属板122、123的接合强度的提高。并且，由于该氧高浓度部132的厚度为4nm以下，所以可抑制通过负荷热循环时的应力产生在氧高浓度部132中的裂纹。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于此，在不脱离其发明的技术思想的范围可适当变更。
例如，对于将构成电路层及金属层的金属板作为纯度99.99％的纯铝压延板的情况进行了说明，但并不局限于此，也可以是纯度为99％的铝(2N铝)。
并且，在固着工序中，对于在金属板的接合面固着Si、Cu及所述添加元素的结构进行了说明，但并不局限于此，可以在陶瓷基板的接合面固着Si、Cu及所述添加元素，也可以在陶瓷基板的接合面及金属板的接合面分别固着Si、Cu及所述添加元素。
并且，在固着工序中，可以与Si、Cu及所述添加元素一同固着Al。
另外，在固着工序中，对通过溅射固着Si、Cu及所述添加元素的情况进行了说明，但并不局限于此，也可通过电镀、蒸镀、CVD、冷喷涂、或者是通过涂布分散有粉末的糊剂及墨水等，固着Si、Cu及所述添加元素。
并且，在第2实施方式中，对固着工序中在Cu固着工序S10之后进行Si固着工序S11，再进行添加元素固着工序S12的情况进行了说明，但并不局限于此，Si固着工序、Cu固着工序及添加元素固着工序的顺序并无限制。
另外，可使用添加元素和Cu或添加元素和Si等的合金来形成Cu和添加元素或Si和添加元素的合金层。
并且，对使用N2气氛的加热炉进行陶瓷基板与金属板的接合的情况进行了说明，但并不局限于此，也可使用真空炉接合陶瓷基板与金属板。此时的真空度优选在10-6～10- 3Pa的范围内。
并且，对于在散热器的顶板部与金属层之间设置由铝或铝合金或者含有铝的复合材料(例如AlSiC等)构成的缓冲层的情况进行了说明，但也可以没有该缓冲层。
另外，对由铝构成散热器的情况进行了说明，但也可以由铝合金或含有铝的复合材料等构成。另外，对具有冷却介质的流路作为散热器的情况进行了说明，但散热器的结构并无特别限定，可使用各种结构的散热器。
并且，对由AlN、Si3N4构成陶瓷基板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由Al2O3等其他陶瓷构成。
[实施例]
对为了确认本发明的有效性而进行的比较实验进行说明。
在由厚度为0.635mm的AlN构成的陶瓷基板，接合由厚度为0.6mm的4N铝构成的电路层和由厚度为0.6mm的4N铝构成的金属层，制作出了功率模块用基板。
在此，在成为电路层及金属层的铝板(4N铝)的接合面固着Si、Cu及添加元素而形成固着层，层压金属板与陶瓷基板并加压加热，接合了金属板与陶瓷基板。
而且，制出变更了所固着的添加元素的各种试验片，并使用这些试验片进行了接合可靠性的评价。作为接合可靠性的评价，比较了反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)后的接合率。将结果示于表1至表3。
另外，用下式：接合率＝(初始接合面积-剥离面积)/初始接合面积来计算接合率。在此，初始接合面积是指接合前的应接合的面积。
并且，对于这些试验片，通过EPMA分析(斑点直径30μm)测定金属板中陶瓷基板的接合界面附近(距接合界面50μm)的Si、Cu及添加元素的浓度。将Si、Cu及添加元素的总计浓度合并示于表1-3。
在固着层的Si量为0.001mg/cm2(以厚度换算为0.0043μm)、Cu量为0.005mg/cm2(以厚度换算为0.0056μm)、及添加元素(Li)的固着量为0.05mg/cm2(以厚度换算为0.935μm)且固着量总计为0.056mg/cm2的比较例1中，表示了反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)后的接合率为52.1％的非常低的数值。判断其原因为介入于界面的Si量、Cu量及添加元素(Li)的量少，在金属板与陶瓷基板的界面未能充分形成熔融金属区域。
在固着层的Si量为0.9mg/cm2(以厚度换算为3.86μm)、Cu量为2.2mg/cm2(以厚度换算为2.47μm)、及添加元素(Ag)的固着量为5.2mg/cm2(以厚度换算为4.96μm)、添加元素(Ge)的固着量为2.2mg/cm2(以厚度换算为4.13μm)且固着量总计为10.5mg/cm2的比较例2中，反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)后的接合率为65.3％。推测其原因为，Si、Cu及添加元素(Ag、Ge)量多且金属板过于变硬，由冷热循环引起的热应力负荷于接合界面。
与此相反，在本发明例1-60中，反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)后的接合率均为93％以上。
并且，在固着层的Si量为0.002mg/cm2(以厚度换算为0.0086μm)、Cu量为0.008mg/cm2(以厚度换算为0.009μm)、及添加元素(Li)的固着量为0.09mg/cm2(以厚度换算为1.68μm)且固着量总计为0.1mg/cm2的本发明例61或者固着层的Si量为0.9mg/cm2(以厚度换算为3.86μm)，Cu量为2.2mg/cm2(以厚度换算为2.47μm)，及添加元素(Ag)的固着量为5.0mg/cm2(以厚度换算为4.77μm)，添加元素(Ge)的固着量为1.9mg/cm2(以厚度换算为3.57μm)且固着量总计为10mg/cm2的本发明例62中，反复2000次冷热循环(-45℃～125℃)后的接合率超过了70％。
从此结果判断出根据本发明例，通过Si、Cu及各种添加元素的扩散，能够在金属板与陶瓷基板的界面确实形成熔融金属区域，并能够紧固接合金属板与陶瓷基板。
并且，确认在本发明例1-62中，金属板中陶瓷基板的接合界面附近(距离接合界面50μm)的Si、Cu及各种添加元素的总计浓度在0.05质量％以上5质量％以下的范围内。
Claims (8)
1.一种功率模块用基板，其在陶瓷基板的表面层压接合有铝制金属板，其特征在于，
在所述金属板中，除了Si和Cu之外，还固溶有选自Zn、Ge、Ag、Mg，Ca，Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，在所述金属板中，与所述陶瓷基板的界面附近的Si、Cu及所述添加元素的浓度总计设定在0.05质量％以上5质量％以下的范围内，
所述陶瓷基板由AlN或Si3N4构成，所述金属板与所述陶瓷基板的接合界面上，形成有氧浓度高于所述金属板中及所述陶瓷基板中的氧浓度的氧高浓度部，该氧高浓度部的厚度在4nm以下。
2.如权利要求1所述的功率模块用基板，其特征在于，
所述陶瓷基板的宽度设定成宽于所述金属板的宽度，所述金属板的宽度方向端部形成有含Cu的化合物在铝中析出的Cu析出部。
3.如权利要求1或2所述的功率模块用基板，其特征在于，
所述陶瓷基板由AlN构成，所述金属板与所述陶瓷基板的接合界面上，形成有Si浓度为所述金属板中Si浓度的5倍以上的Si高浓度部。
4.一种自带散热器的功率模块用基板，其特征在于，
具备权利要求1至3中的任一项所述的功率模块用基板及冷却该功率模块用基板的散热器。
5.一种功率模块，其特征在于，
具备权利要求1至3中的任一项所述的功率模块用基板及搭载于该功率模块用基板上的电子零件。
6.一种功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板在陶瓷基板的表面层压接合有铝制金属板，其特征在于，具有：
固着工序，在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方，除了Si和Cu之外，还固着选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素，并形成含有Si、Cu及所述添加元素的固着层；
层压工序，通过所述固着层，层压所述陶瓷基板与所述金属板；
加热工序，将被层压的所述陶瓷基板和所述金属板向层压方向加压的同时加热，在所述陶瓷基板与所述金属板的界面形成熔融金属区域；以及
凝固工序，通过凝固该熔融金属区域来接合所述陶瓷基板与所述金属板，
在所述固着工序中，使Si、Cu及所述添加元素在0.1mg/cm2以上10mg/cm2以下的范围内介入在所述陶瓷基板与所述金属板的界面，
在所述加热工序中，通过使所述固着层的元素向所述金属板侧扩散，从而在所述陶瓷基板与所述金属板的界面上形成所述熔融金属区域，
所述陶瓷基板由AlN或Si3N4构成，所述金属板与所述陶瓷基板的接合界面上，形成有氧浓度高于所述金属板中及所述陶瓷基板中的氧浓度的氧高浓度部，该氧高浓度部的厚度在4nm以下。
7.如权利要求6所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
在所述固着工序中，使Al与Si、Cu及所述添加元素一同固着。
8.如权利要求6或7所述的功率模块用基板的制造方法，其特征在于，
所述固着工序通过电镀、蒸镀、CVD、溅射、冷喷涂或者通过涂布分散有粉末的糊剂及墨水，在所述陶瓷基板的接合面及所述金属板的接合面中的至少一方固着Si及Cu和选自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1种或2种以上的添加元素。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |