CN105189109B - 接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板 - Google Patents

接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板 Download PDF

Info

Publication number
CN105189109B
CN105189109B CN201480013552.4A CN201480013552A CN105189109B CN 105189109 B CN105189109 B CN 105189109B CN 201480013552 A CN201480013552 A CN 201480013552A CN 105189109 B CN105189109 B CN 105189109B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layers
layer
radiator
metal level
parts
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480013552.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105189109A (zh
Inventor
寺崎伸幸
长友义幸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2013052408A external-priority patent/JP5725060B2/ja
Priority claimed from JP2013052409A external-priority patent/JP5725061B2/ja
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Publication of CN105189109A publication Critical patent/CN105189109A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105189109B publication Critical patent/CN105189109B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B23K20/023—Thermo-compression bonding
    • B23K20/026—Thermo-compression bonding with diffusion of soldering material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/16—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
    • B23K20/233—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/001—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces
    • B23K35/002—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces at least one of the workpieces being of light metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/001—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces
    • B23K35/005—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces at least one of the workpieces being of a refractory metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • B32B15/017—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of aluminium or an aluminium alloy, another layer being formed of an alloy based on a non ferrous metal other than aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C13/00—Alloys based on tin
    • C22C13/02—Alloys based on tin with antimony or bismuth as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3675—Cooling facilitated by shape of device characterised by the shape of the housing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49822—Multilayer substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49838—Geometry or layout
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/498—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers
    • H01L23/49866—Leads, i.e. metallisations or lead-frames on insulating substrates, e.g. chip carriers characterised by the materials
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/38—Conductors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/26—Alloys of Nickel and Cobalt and Chromium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Abstract

本发明的接合体，接合有由铝构成的铝部件与由铜、镍、或银构成的金属部件，在所述铝部件与所述金属部件的接合部形成有位于所述金属部件侧的Ti层(15)、和位于所述Ti层(15)与所述铝部件之间且Si固溶于Al3Ti的Al‑Ti‑Si层(16)，所述Al‑Ti‑Si层(16)具备形成于所述Ti层(15)侧的第一Al‑Ti‑Si层(16A)、和形成于所述铝部件侧且Si浓度比所述第一Al‑Ti‑Si层(16A)低的第二Al‑Ti‑Si层(16B)。

Description

接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板
技术领域
本发明涉及一种通过接合铝部件与由铜、镍、或银形成的金属部件而成的接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板。
本发明基于2013年3月14日于日本申请的专利申请2013-052408号及专利申请2013-052409号主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
在LED或功率模块等的半导体装置中，设定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。
为了控制风力发电、电动汽车等电动车辆等而使用的大功率控制用功率半导体元件，由于发热量多，因此在作为搭载该元件的基板，例如在由AlN(氮化铝)等构成的陶瓷基板(绝缘层)的一个面、或两个面接合有导电性优异的金属板的情况下，将一个面的金属板作为电路层，将另一个面的金属板作为金属层的功率模块用基板以往就被广泛使用。
例如，专利文献1所示的功率模块构成为具备在陶瓷基板的一个面形成由Al构成的电路层(铝部件)及在另一个面形成由Al构成的金属层的功率模块用基板、和在该电路层上经由焊锡材料而接合的半导体元件的结构。并且，设定为在功率模块用基板的下侧接合有散热器，将因半导体元件而产生的热传递至功率模块用基板侧，且经由散热器而往外部发散的结构。
然而，如专利文献1所述的功率模块，当由Al构成电路层时，由于在表面形成Al的氧化皮膜，因此无法经由焊锡材料而接合半导体元件。并且，当由Al构成金属层时，由于在表面形成Al的氧化皮膜，因此无法经由焊锡材料而接合散热器。
于是，以往例如专利文献2所公开，在电路层或金属层、散热器的表面通过化学镀等形成Ni镀膜之后，再以焊锡材料接合。
并且，在专利文献3中提出有利用包含氧化银粒子与由有机物构成的还原剂的氧化银浆料来代替焊锡材料而接合半导体元件、金属层及散热器等的技术。
并且，在专利文献4中提出有将电路层及金属层通过Al层与Cu层构成的功率模块。此时，在电路层及金属层的表面配置有Cu层，因此能够利用焊锡材料而良好地接合半导体元件。而且，由于Cu的变形阻力比Al大，因此在该功率模块负荷热循环时，能够抑制电路层表面及金属层表面的较大变形，可以防止焊锡层龟裂的发生、使半导体元件与电路层的接合可靠性及金属层与散热器的接合可靠性提高。
并且，专利文献4所述的功率模块中，作为电路层及金属层使用经由Ti层而接合Al层与Cu层的接合体。其中，在Al层与Ti层之间形成有扩散层，该扩散层从Al层侧起依次具有Al-Ti层、Al-Ti-Si层、及Al-Ti-Cu层。
专利文献1：日本专利第3171234号公报
专利文献2：日本专利公开2004-172378号公报
专利文献3：日本专利公开2008-208442号公报
专利文献4：日本专利第3012835号公报
然而，如专利文献2所述，在电路层表面及金属层表面形成有Ni镀膜的功率模块用基板中，在直到将半导体元件接合到电路层为止的过程以及直到将散热器接合到金属层为止的过程中有可能导致Ni镀膜的表面因氧化等而劣化，与经由焊锡材料而接合的半导体元件的接合可靠性及与经由焊锡材料而接合的散热器的接合可靠性降低。并且，Ni电镀工序中往往进行遮蔽处理，以免由于在不需要的领域形成Ni电镀而发生电蚀等故障。如此，当进行遮蔽处理后再进行电镀处理时，存在如下问题，即在电路层部分及金属层部分形成Ni镀膜的工序中需要消耗大量劳力，而导致功率模块的制造成本大幅增加。
并且，如专利文献3所述，当使用氧化银浆料而接合电路层与半导体元件时，以及当使用氧化银浆料而接合金属层与散热器时，由于Al与氧化银浆料的烧结体的接合性较差，因此需要预先在电路层的表面及金属层的表面形成Ag基底层。
并且，在专利文献4所述的功率模块中存在如下问题，即在电路层中的Al层与Ti层的接合界面形成较硬的Al-Ti层或Al-Ti-Cu层，并在金属层中的Al层与Ti层的接合界面形成较硬的Al-Ti层或Al-Ti-Cu层，从而导致当负荷热循环时发生龟裂。
而且，存在如下问题，即当在Al层上经由Ti箔层叠铜板等，且加热至可使Al层与Ti箔的界面熔融的温度时，由于在接合界面产生液相而产生凸起，且厚度发生改变，因此接合可靠性降低。
其中，作为专利文献2的Ni电镀的代替方案，还考虑到如专利文献4所述，在由Al构成的电路层及由Al构成的金属层上，通过经由Ti箔接合Ni板而形成Ni层。并且，还考虑到使用专利文献3的氧化银浆料时，在由Al构成的电路层及由Al构成的金属层上，通过经由Ti箔接合Ag板而形成Ag基底层。
然而，在以专利文献4所述的方法形成Ni层或Ag层时，与形成Cu层时同样地在Al层与Ti层的接合界面形成Al-Ti层、Al-Ti-Ni层、Al-Ti-Ag层等的较硬层，且在接合界面产生凸起等，因此有可能导致接合可靠性降低。
如上所述，以往无法将铝部件，与由铜、镍、银的任一种构成的金属部件良好地接合，而未能得到接合可靠性优异的接合体。并且，以往无法将Al层，与由Cu、Ni、Ag的任一种构成的金属部件层良好地接合，而未能得到具有接合可靠性优异的金属层的功率模块用基板。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而研发的，其目的在于提供一种将铝部件，与由铜、镍、银的任一种构成的金属部件良好地接合，在负荷热循环时能够抑制接合部发生龟裂，且接合可靠性良好的接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板。
并且，其目的在于提供一种在具有Al层与由铜、镍、银的任一种构成的金属部件层的金属层中良好地接合Al层与金属部件层，在负荷热循环时能够抑制接合部发生龟裂，且接合可靠性良好的接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板。
为了解决上述课题，(1)本发明的一方式的接合体，接合有由铝构成的铝部件与由铜、镍、或银构成的金属部件，在所述铝部件与所述金属部件的接合部形成有位于所述金属部件侧的Ti层、和位于所述Ti层与所述铝部件之间且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，所述Al-Ti-Si层具备形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层、和形成于所述铝部件侧且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
根据上述接合体，在由铝构成的铝部件与由铜、镍、或银构成的金属部件的接合部形成有Ti层与Al-Ti-Si层，且未形成有较硬的Al-Ti-Cu层或Al-Ti层等，因此在负荷热循环时，能够抑制接合部发生龟裂，且能够提高铝部件与金属部件的接合可靠性。
并且，由于形成于Ti层侧的第一Al-Ti-Si层的Si浓度比形成于铝部件侧的第二Al-Ti-Si层高，能够通过Si浓度较高的第一Al-Ti-Si层而抑制Ti原子扩散到铝部件侧，且能够使第一Al-Ti-Si层及第二Al-Ti-Si层的厚度变薄，在负荷热循环时，能够抑制接合部发生龟裂。
并且，在本发明，铝由纯铝或铝合金构成，金属部件则是由铜或铜合金、镍或镍合金、或者银或银合金构成。
(2)本发明的另一方式的接合体为(1)所述的接合体，在上述接合体中，所述第二Al-Ti-Si层所含有的Si浓度为1at％以上。
这种情况下，由于形成于铝部件侧的第二Al-Ti-Si层具有足够的Si浓度，因此能够抑制构成铝部件的Al原子过度地扩散到Ti层侧，且能够使第一Al-Ti-Si层、及第二Al-Ti-Si层的厚度变薄。
(3)本发明的另一方式的功率模块用基板，具备绝缘层、和形成于所述绝缘层的一个面的电路层，所述电路层由(1)或(2)所述的接合体构成，所述电路层具有形成于所述绝缘层的一个面且由所述铝部件构成的Al层、和形成于该Al层的一个面且由所述金属部件构成的金属部件层，在所述Al层和所述金属部件层的接合部形成有位于所述金属部件层侧的Ti层、和位于所述Ti层与所述Al层之间且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，所述Al-Ti-Si层具备形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层、和形成于所述Al层侧且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层还低的第二Al-Ti-Si层。
根据上述功率模块用基板，在电路层中，在Al层与金属部件层的接合部形成有Ti层与Al-Ti-Si层，且未形成有较硬的Al-Ti-Cu层或Al-Ti层等，因此在负荷热循环时，能够抑制电路层发生龟裂。从而，在功率模块中，能够提高半导体元件与功率模块用基板的接合可靠性。
并且，形成于Ti层侧的第一Al-Ti-Si层的Si浓度，比形成于Al层侧的第二Al-Ti-Si层的Si浓度高，因此能够抑制Ti原子扩散到Al层侧，且能够使第一Al-Ti-Si层、及第二Al-Ti-Si层的厚度变薄。
并且，这种情况下，在绝缘层的一个面形成有变形阻力比较小的Al层，因此Al层吸收负荷热循环时所产生的热应力，能够抑制陶瓷基板发生破裂。
另外，当在Al层的一个面形成有由铜或铜合金构成的Cu层时，与Al层相比Cu层变形阻力大，因此负荷热循环时电路层的变形得到抑制，能够抑制接合半导体元件与电路层的焊锡层的变形而提高接合可靠性。并且，热传导率良好的Cu层形成于电路层的一侧，从而能够扩散来自半导体元件的热而有效地传递至功率模块用基板侧。
并且，当在Al层的一个面形成有由镍或镍合金构成的Ni层时，焊锡接合性变得良好，与半导体元件的接合可靠性得到提高。
并且，当在Al层的一个面形成有由银或银合金构成的Ag层时，例如利用包含氧化银粒子与由有机物构成的还原剂的氧化银浆料来接合半导体元件时，由于氧化银被还原的银与Ag层成为同一种类的金属之间的接合，因此能够提高接合可靠性。并且，由于热传导率良好的Ag层形成在电路层的一侧，因此能够扩散来自半导体元件的热而有效率地传递到功率模块用基板侧。
(4)本发明的另一方式的功率模块用基板，其为(3)所述的功率模块用基板，具备形成于所述绝缘层的另一个面的金属层，所述金属层由(1)或(2)所述的接合体构成，所述金属层具有Al层和金属部件层，所述Al层形成于所述绝缘层的另一个面且由所述铝部件构成，所述金属部件层形成于该Al层中的与形成有所述绝缘层的面相反侧的面且由所述金属部件构成，在所述Al层和所述金属部件层的接合部形成有位于所述金属部件层侧的Ti层、和位于所述Ti层与所述Al层之间且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，所述Al-Ti-Si层具备形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层、和形成于所述Al层侧且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
这种情况下，金属层中，在Al层与金属部件层的接合部形成有Ti层与第一Al-Ti-Si层，并未形成较硬的Al-Ti-Cu层或Al-Ti层等，因此在负荷热循环时，能够抑制金属层发生龟裂。从而，当金属层与散热器接合时，能够提高金属层与散热器的接合可靠性。
(5)本发明的另一方式的功率模块用基板，其为具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个面的电路层、及形成于所述绝缘层的另一个面的金属层的功率模块用基板，所述金属层由(1)或(2)所述的接合体构成，在由所述铝部件构成的Al层与由所述金属部件构成金属部件层的接合部形成有位于所述金属部件层侧的Ti层、和位于所述Ti层与所述Al层之间且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，所述Al-Ti-Si层具备形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层、和形成于所述Al层侧且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
并且，在本发明中，铝由纯铝或铝合金构成，铜由纯铜或铜合金、镍由纯镍或镍合金、银由纯银或银合金构成。
根据上述功率模块用基板，金属层中，在Al层与金属部件层的接合部形成有Ti层与Al-Ti-Si层，且未形成较硬的Al-Ti-Cu层或Al-Ti层等，因此在负荷热循环时，能够抑制金属层发生龟裂。从而，当功率模块用基板的金属层与散热器接合时，能够提高功率模块用基板与散热器的接合可靠性。
而且，形成于Ti层侧的第一Al-Ti-Si层的Si浓度，比形成于Al层侧的第二Al-Ti-Si层的Si浓度高，因此能够抑制Ti原子扩散到Al层侧，而使第一Al-Ti-Si层及第二Al-Ti-Si层的厚度变薄。
并且，这种情况下，在绝缘层的另一个面形成有变形阻力比较小的Al层，因此Al层吸收负荷热循环时所产生的热应力，能够抑制陶瓷基板发生破裂。
而且，当在Al层中与形成有绝缘层的面相反侧的面，形成有由铜或铜合金构成的Cu层时，由于Cu层变形阻力比Al层大，因此当负荷热循环时金属层的变形受到抑制，能够抑制接合散热器与金属层的接合层的变形，并能够提高接合可靠性。
并且，当在Al层中与形成有绝缘层的面相反侧的面，形成有由镍或镍合金构成的Ni层时，焊锡接合性变得良好，与散热器的接合可靠性得到提高。
并且，当在Al层中与形成有绝缘层的面相反侧的面，形成有由银或银合金构成的Ag层时，例如利用包含氧化银粒子与由有机物构成的还原剂的氧化银浆料来接合散热器时，由于氧化银被还原的银与Ag层成为同一种类的金属与金属之间的接合，因此能够提高接合可靠性。
(6)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块用基板，其具备(3)至(5)任一所述的功率模块用基板、和接合于所述金属层的散热器。
根据上述自带散热器的功率模块用基板，由于功率模块用基板与散热器接合，因此能够通过散热器将来自功率模块用基板侧的热有效地进行扩散。
(7)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块用基板，其为(6)所述的自带散热器的功率模块用基板，所述金属层与所述散热器通过焊锡层而接合。
这种情况下，金属层中形成于散热器侧的由铜、镍、或银构成的金属部件层与散热器通过焊锡层而接合，因此能够良好地接合金属部件层与焊锡层，且能够提高金属层与散热器的接合可靠性。
(8)本发明的另一方式的自带散热器的功率模块用基板，其具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个面的电路层、形成于所述绝缘层的另一个面的金属层、及接合于该金属层的散热器，所述金属层与所述散热器由(1)或(2)所述的接合体构成，所述金属层与所述散热器的接合体中的一方由铝构成，所述金属层与所述散热器的接合体中的另一方由铜、镍、或银构成，在所述金属层与所述散热器的接合部形成有：位于所述接合体由铜、镍、或银构成的所述金属层或所述散热器侧的Ti层；和位于所述接合体由铝构成的所述金属层或所述散热器与所述Ti层之间且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，所述Al-Ti-Si层具备形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层、和形成于所述接合体由铝构成的所述金属层或所述散热器侧且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
根据上述自带散热器的功率模块用基板，在金属层与散热器的接合部形成有Ti层、和Al-Ti-Si层，且未形成有较硬的Al-Ti-Cu层或Al-Ti层等，因此在负荷热循环时，能够抑制金属层与散热器的接合部发生龟裂，且能够实现接合可靠性的提高。
根据本发明，良好地接合有由铝部件(Al层)、和由铜、镍、银的任一种构成的金属部件(金属部件层)，在负荷热循环时能够抑制接合部发生龟裂，且能够提供接合可靠性良好的接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板。
附图说明
图1为本发明的第一实施方式所涉及的功率模块的概略说明图。
图2为图1的Al层与Ti层的接合界面的放大说明图。
图3为对第一实施方式所涉及的功率模块的制造方法进行说明的流程图。
图4为第一实施方式所涉及的功率模块的制造方法的概略说明图。
图5为本发明的第二实施方式所涉及的自带散热器的功率模块的概略说明图。
图6为图5的金属层与Ti层的接合界面的放大说明图。
图7为对第二实施方式所涉及的自带散热器的功率模块的制造方法进行说明的流程图。
图8为第二实施方式所涉及的自带散热器的功率模块的制造方法的概略说明图。
图9为本发明的第三实施方式所涉及的功率模块的概略说明图。
图10为本发明的第四实施方式所涉及的功率模块的制造方法的概略说明图。
图11为本发明例1-1的接合体中的铝部件与金属部件的接合部的SEM像。
图12为比较例1-1的接合体中的铝部件与金属部件的接合部的SEM像。
图13为本发明的第五实施方式所涉及的自带散热器的功率模块的概略说明图。
图14为第五实施方式所涉及的功率模块用基板的概略说明图。
图15为图14中的金属层的Ti层与Al层的接合部的放大说明图。
图16为对第五实施方式所涉及的自带散热器的功率模块的制造方法进行说明的流程图。
图17为第五实施方式所涉及的自带散热器的功率模块的制造方法的概略说明图。
图18为本发明的第六实施方式所涉及的自带散热器的功率模块的概略说明图。
图19为本发明的第七实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法概略说明图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。首先，对本发明的第一实施方式进行说明。
在图1中示出本发明的第一实施方式所涉及的功率模块1。
该功率模块1具备功率模块用基板10、和在该功率模块用基板10的一个面(在图1中为上表面)通过焊锡层2而接合的半导体元件3。
功率模块用基板10具备，构成绝缘层的陶瓷基板11，配设于该陶瓷基板11的一个面(在图1中为上表面、第一面)的电路层12(接合体)、和配设于陶瓷基板11的另一个面(第二面)的金属层13。
陶瓷基板11由绝缘性较高的AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)等构成。本实施方式中，由散热性优异的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板11的厚度被设定为0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式被设定为0.635mm。
如图1所示，电路层12具有，配设于陶瓷基板11的第一面的Al层12A、和在该Al层12A一个面经由Ti层15而层叠的Cu层12B(金属部件层)。
Al层12A在陶瓷基板11的第一面，通过接合由铝或铝合金构成的铝板(铝部件)而形成。在本实施方式中，Al层12A通过接合由接合纯度99质量％以上的铝(所谓的2N铝)的轧制板而形成。所述纯度99质量％以上的铝的轧制板，只需含有0.08质量％以上0.95质量％以下的Si即可。而且，被接合的铝板的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式被设定为0.4mm。
Cu层12B通过在Al层12A一个面(在图1中为上表面)经由Ti层15接合由铜或铜合金构成的铜板(金属部件)而形成。在本实施方式，Cu层12B通过无氧铜的轧制板在Al层12A经由Ti箔固相扩散接合而形成。而且，被接合的铜板的厚度被设定在0.1mm以上6.0mm以下的范围内，在本实施方式被设定为1.0mm。
Ti层15通过Al层12A与铜板经由钛箔而层叠，且固相扩散接合而形成的。其中，钛箔的纯度被设为99％以上。并且，钛箔的厚度被设定在3μm以上40μm以下，在本实施方式设定为10μm。
接着，如图2所示，在Al层12A与Ti层15的接合界面形成有Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层16。
Al-Ti-Si层16通过Al层12A的Al原子与Ti层15的Ti原子相互扩散而形成的。Al-Ti-Si层16的厚度被设定在0.5μm以上10μm以下，在本实施方式被设为3μm。
如图2所示，该Al-Ti-Si层16具备形成于Ti层15侧的第一Al-Ti-Si层16A、和形成于Al层12A侧的第二Al-Ti-Si层16B。即，在Al层12A与Cu层12B的接合部形成有Ti层15、第一Al-Ti-Si层16A、及第二Al-Ti-Si层16B。
这些第一Al-Ti-Si层16A与第二Al-Ti-Si层16B，由Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si相构成，第二Al-Ti-Si层16B的Si浓度比第一Al-Ti-Si层16A的Si浓度低。而且，在本实施方式，第一Al-Ti-Si层16A及第二Al-Ti-Si层16B所含有的Si，通过在2N铝的轧制板中作为杂质而含有的Si扩散于Al-Ti-Si层16，且变浓而得到。
第一Al-Ti-Si层16A的Si浓度被设定在10at％以上30at％以下，在本实施方式被设为20at％。第二Al-Ti-Si层16B的Si浓度被设定在1at％以上10at％以下，在本实施方式被设为3at％。
金属层13通过在陶瓷基板11的第二面(在图1中为下表面)，接合由铝或铝合金构成的铝板而形成。在本实施方式，金属层13通过由纯度为99质量％以上的铝(2N铝)的轧制板接合于陶瓷基板11而形成。而且，成为金属层13的铝板的厚度被设定在0.1mm以上3.0mm以下的范围内，在本实施方式被设定为1.6mm。
半导体元件3由Si等半导体材料构成。该半导体元件3与电路层12经由焊锡层2而接合。
焊锡层2例如被设定为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊锡材料(所谓无铅焊锡材料)，且接合功率模块用基板10与半导体元件3。
接着，参照图3及图4对本实施方式的功率模块1的制造方法进行说明。
首先，如图4所示，在陶瓷基板11的第一面层叠成为Al层12A的铝板22A，而且在其上经由钛箔25层叠成为Cu层12B的铜板22B。另一方面，在陶瓷基板11的第二面层叠成为金属层13的铝板23(铝板及铜板的层叠工序S01)。其中，在本实施方式中，在铝板22A、23与陶瓷基板11之间经由Al-Si系的钎料箔26而层叠。
其次，以朝向层叠方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态配置于真空加热炉内予以加热，形成Al层12A及金属层13，并且将Al层12A与钛箔25、及铜板22B与钛箔25固相扩散接合，形成电路层12及金属层13(电路层及金属层的形成工序S02)。
其中，优选将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在600℃以上643℃以下，保持时间则设定在30分钟以上180分钟以下的范围内。并且，进一步优选将加热温度设在630℃以上643℃以下的范围内。在本实施方式，朝层叠方向负荷12kgf/cm2的压力，以加热温度640℃、保持时间60分钟的条件下进行实施。
并且，与铝板22A、钛箔25、及铜板22B接合的各个面，在预先将该面的伤痕除去而平滑化之后，固相扩散接合。
通过上述方法制造本实施方式的功率模块用基板10。
其次，在电路层12一个面(表面)，经由焊锡材料层叠半导体元件3，且在还原炉内进行焊锡接合(半导体元件的接合工序S03)。
通过上述方法制造本实施方式的功率模块1。
根据如上构成的本实施方式所涉及的功率模块1及功率模块用基板10，在电路层12中Al层12A与Cu层12B的接合部的构成为形成有Ti层15、和Al-Ti-Si层16，且未形成有较硬的Al-Ti-Cu层或Al-Ti层，因此能够在负荷热循环时，抑制电路层12发生龟裂。从而，在功率模块1，能够提高半导体元件3与功率模块用基板10的接合可靠性。
而且，由于形成于Ti层15侧的第一Al-Ti-Si层16A的Si浓度比形成于Al层12A侧的第二Al-Ti-Si层16B的Si浓度高，因此，利用Si浓度较高的第一Al-Ti-Si层16A能够抑制Ti原子扩散至Al层12A侧，且能够使Al-Ti-Si层16的厚度变薄。并且，通过这种方式使Al-Ti-Si层16的厚度变薄，而能够抑制在负荷热循环时在Al层12A与Cu层12B的接合部发生破裂。
并且，形成于Al层12A侧的第二Al-Ti-Si层16B所含的Si浓度被设为1at％以上10at％以下，因此能够抑制Al原子过度地扩散至Ti层15侧，且能够使第二Al-Ti-Si层16B的厚度变薄。
而且，形成于Ti层15侧的第一Al-Ti-Si层16A所含的Si浓度被设为10at％以上30at％以下，因此能够抑制Ti原子过度地扩散至Al层12A侧，且能够使第一Al-Ti-Si层16A的厚度变薄。
并且，在本实施方式中的构成为在陶瓷基板11的第一面及第二面，将铝板22A、钛箔25、铜板22B、及铝板23同时接合，因此能够将制造工序简略化，且能够降低制造成本。
并且，在陶瓷基板11的第一面形成有变形阻力比较小的Al层12A，因此Al层12A吸收负荷热循环时所产生的热应力，能够抑制陶瓷基板11发生破裂。
而且，在Al层12A的一个面形成有变形阻力较大的Cu层12B，因此负荷热循环时电路层12的变形得到抑制，能够抑制接合半导体元件3与电路层12的焊锡层2的变形，能够提高接合可靠性。
并且，由于热传导率良好的Cu层12B形成于电路层12的一侧，因此能够散开来自半导体元件3的热有效率地传递到功率模块用基板10侧。
并且，在本实施方式，由于Al层12A(铝板22A)与钛箔25、及铜板22B与钛箔25的固相扩散接合以朝向层叠方向施加1～35kgf/cm2的压力的状态保持在600℃以上643℃以下而进行，因此在Al层与Ti层的界面未生成液相的情况下，能够将Ti原子扩散于Al层12A及铜板22B中，将Al原子及Cu原子在钛箔25中固相扩散而固相扩散接合，且将Al层12A、钛箔25、及铜板22B可靠地接合。
当在固相扩散接合时朝向层叠方向而施加的压力小于1kgf/cm2时，难以将Al层12A、钛箔25、及铜板22B充分地接合，而有时在接合界面产生间隙。并且，当超过35kgf/cm2时，由于被负荷的荷重过高，而有时在陶瓷基板11发生破裂。根据如上理由，固相扩散接合时所施加的压力被设定在上述的范围。
当固相扩散接合时的温度为600℃以上时，能够促进Al原子、Ti原子、及Cu原子的扩散，且能够在短时间内充分地固相扩散。并且，当为643℃以下时，能够抑制发生通过铝的溶融所造成的液相而在接合界面产生凸起，且能够抑制厚度的变动。因此，固相扩散接合的优选温度范围被设定在上述的范围。
并且，进行固相扩散接合时，当被接合的面有伤痕时，有时在固相扩散接合时产生间隙，在本实施方式，与铝板22A、铜板22B、及钛箔25接合的面由于在预先已将该面的伤痕除去而平滑化之后，进行固相扩散接合，因此能够抑制在各个接合界面产生间隙而进行接合。
(第二实施方式)
其次，对本发明的第二实施方式进行说明。并且，对与第一实施方式相同构成附以相同图号并加以记载，且省略详细的说明。
在图5中示出本发明的第二实施方式所涉及的自带散热器的功率模块201。该自带散热器的功率模块201具备自带散热器的功率模块用基板230、和在该自带散热器的功率模块用基板230一个面(在图5中为上表面)经由焊锡层2而接合的半导体元件3。
自带散热器的功率模块用基板230具备功率模块用基板210、和在该功率模块用基板210的下侧经由Ti层215而层叠的散热器231(金属部件)。
如图5所示，功率模块用基板210具备陶瓷基板11、被配设在该陶瓷基板11的第一面(在图5中为上表面)的电路层212、及被配设在陶瓷基板11的第二面(在图5中为下表面)的金属层213(Al层)。
电路层212通过在陶瓷基板11的第一面(在图5中为上表面)，接合具有导电性的铝板而形成。在本实施方式，电路层212通过接合纯度99.99质量％以上的铝(4N铝)的轧制板而形成。并且，被接合的铝板的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式被设定为0.6mm。
金属层213通过在陶瓷基板11的第二面(在图5中为下表面)，接合具有导电性的由铝或铝合金构成的铝板而形成。在本实施方式，金属层213通过接合纯度99质量％以上的铝(2N铝)的轧制板而形成。所述纯度99质量％以上的铝的轧制板只需含有0.08质量％以上0.95质量％以下的Si即可。而且，被接合的铝板的厚度被设定在0.1mm以上3.0mm以下的范围内，在本实施方式被设定为0.6mm。
散热器231用于将功率模块用基板210侧的热进行散热。散热器231由铜或铜合金构成，在本实施方式由无氧铜构成的。在该散热器231设有供冷却用流体流动用的流路232。
并且，这些金属层213与散热器231经由Ti层215而接合。
Ti层215通过由铝构成的金属层213与由铜构成的散热器231经由钛箔被层叠且固相扩散接合而形成。该钛箔的纯度被设为99％以上。钛箔的厚度被设定在3μm以上40μm以下，在本实施方式被设定为10μm。
并且，如图6所示，在金属层213与Ti层215的接合界面形成有Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层216。
Al-Ti-Si层216通过将金属层213的Al原子与Ti层215的Ti原子相互扩散而形成。Al-Ti-Si层216的厚度被设定在0.5μm以上10μm以下，在本实施方式设为3μm。如图6所示，该Al-Ti-Si层216具备形成于Ti层215侧的第一Al-Ti-Si层216A、和形成于金属层213侧的第二Al-Ti-Si层216B。即，在金属层213与散热器231的接合部形成有Ti层215、第一Al-Ti-Si层216A、及第二Al-Ti-Si层216B。
这些第一Al-Ti-Si层216A与第二Al-Ti-Si层216B由Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si相构成；第二Al-Ti-Si层216B的Si浓度比第一Al-Ti-Si层216A的Si浓度低。
第一Al-Ti-Si层216A的Si浓度被设在10at％以上30at％以下，在本实施方式被设为20at％。第二Al-Ti-Si层216B的Si浓度被设在1at％以上10at％以下，在本实施方式被设为3at％。
其次，参照图7及图8对本实施方式的自带散热器的功率模块201、自带散热器的功率模块用基板230的制造方法进行说明。
首先，如图8所示，在陶瓷基板11的第一面，经由Al-Si系钎料箔26，层叠成为电路层212的铝板222。并且，在陶瓷基板11的第二面，经由钎料箔26层叠成为金属层213的铝板223。并且，在陶瓷基板11的第二面侧(在图8中为下侧)，再通过钛箔225而层叠散热器231(铝板及散热器的层叠工序S211)。
其次，以朝向铝板222、223、陶瓷基板11、及散热器231的层叠方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态配置在真空加热炉内加热，在陶瓷基板11的第一面及第二面形成电路层212及金属层213，并且将金属层213与钛箔225、及散热器231与钛箔225固相扩散接合，且接合金属层213与散热器231(电路层、金属层、及散热器的接合工序S212)。
其中，优选将真空加热炉内的压力设定于10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，加热温度设定为600℃以上643℃以下，保持时间则设定在30分钟以上180分钟以下的范围内。并且，进一步优选将加热温度设在630℃以上643℃以下的范围内。在本实施方式，以朝向层叠方向负荷20kgf/cm2的压力，加热温度640℃、保持时间60分钟的条件进行实施。
并且，与铝板223、钛箔225、及散热器231接合的各个面，在预先将该面的伤痕除去而平滑化之后，固相扩散接合。
通过上述方法，制造本实施方式的自带散热器的功率模块用基板230及功率模块用基板210。
其次，在自带散热器的功率模块用基板230(电路层212)一个面，经由焊锡材料层叠半导体元件3，且在还原炉内进行焊锡接合(半导体元件的接合工序S213)。
通过上述方法，制造本实施方式的自带散热器的功率模块用基板201。
根据如上构成的本实施方式的自带散热器的功率模块201及自带散热器的功率模块用基板230，金属层213与散热器231的接合部形成有Ti层215、和Al-Ti-Si层216，且未形成有较硬的Al-Ti-Cu层或Al-Ti层，因此在负荷热循环时能够抑制在金属层213与散热器231的接合部发生龟裂。从而，在自带散热器的功率模块201，能够提高金属层213与散热器231的接合可靠性。
而且，由于形成于Ti层215侧的第一Al-Ti-Si层216A的Si浓度、比形成于金属层213侧的第二Al-Ti-Si层216B的Si浓度高，因此通过Si浓度较高的第一Al-Ti-Si层216A能够抑制Ti原子扩散至金属层213，且能够使Al-Ti-Si层216的厚度变薄。
并且，在本实施方式，能够在陶瓷基板11的第一面及第二面形成电路层212及金属层213，并且同时接合金属层213与散热器231，因此能够将制造工序简略化，且能够降低制造成本。
并且，如图9(第三实施方式)所示，金属层313可以构成为具有形成于陶瓷基板11的第二面的Al层313A、和在Al层313A中与接合陶瓷基板11的面相反侧的面经由Ti层315而固相扩散接合的Cu层313B。
具备该金属层313的功率模块301中，在负荷热循环时，通过Al层313A吸收产生于陶瓷基板11的热应力，能够抑制陶瓷基板11发生破裂。并且，在Al层313A的下侧形成有Cu层313B，因此能够有效率地将来自半导体元件3侧的热进行散热。
并且，在第一实施方式，对金属层由铝或铝合金构成的情况进行了说明，但并非限定于此，也可由铜或铜合金构成。
并且，在第二实施方式，对金属层由铝或铝合金构成，散热器由铜或铜合金构成的情况进行了说明，但并非限定于此，也可以是金属层由铜或铜合金构成，散热器由铝或铝合金构成。
并且，在第一实施方式，层叠成为Al层的铝板在其上经由钛箔层叠成为Cu层的铜板进行加压、加热而形成电路层，然而取代铜板可以利用由铜构成的引线框架(金属部件)。
(第五实施方式)
在图13中示出本发明的第五实施方式所涉及的自带散热器的功率模块501。
自带散热器的功率模块501具备自带散热器的功率模块用基板530、和在该自带散热器的功率模块用基板530的一个面(在图13中为上表面)经由焊锡层2而接合的半导体元件3。
自带散热器的功率模块用基板530具备功率模块用基板510、和在该功率模块用基板510的下侧经由焊锡层535而接合的散热器531。
如图14所示，功率模块用基板510具备，构成绝缘层的陶瓷基板511、配设于该陶瓷基板511一个面(在图14中为上表面、第一面)的电路层512、及配设于陶瓷基板511另一个面(在图14中为下表面、第二面)的金属层513。
陶瓷基板511由绝缘性较高的AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)等构成。在本实施方式，由散热性优异的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板511的厚度被设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式被设定为0.635mm。
电路层512通过在陶瓷基板511的第一面(图14的上表面)，接合由铝或铝合金构成的铝板而形成。在本实施方式，电路层512由纯度为99％以上的铝(2N铝)的轧制板接合于陶瓷基板511而形成。并且，成为电路层512的铝板的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式被设定为0.6mm。
如图13所示，金属层513具有配设于陶瓷基板511的第二面(在图14中为下表面)的Al层513A、和在该Al层513A中与接合陶瓷基板511的面相反侧的面经由Ti层515而层叠的Cu层513B(金属部件层)。
Al层513A通过在陶瓷基板511的第二面接合由铝或铝合金构成的铝板而形成。在本实施方式，Al层513A通过接合纯度99质量％以上的铝(所谓的2N铝)的轧制板而形成。所述纯度99质量％以上的铝的轧制板，只需含有0.08质量％以上0.95质量％以下的Si即可。并且，被接合的铝板的厚度被设定在0.1mm以上3.0mm以下的范围内，在本实施方式被设为在0.6mm。
Cu层513B通过在Al层513A中与形成有陶瓷基板511的面相反侧的面(图14的下表面)，经由Ti层515接合由铜或铜合金构成的铜板而形成。在本实施方式，Cu层513B在无氧铜的轧制板在Al层513A经由钛箔固相扩散接合而形成。
并且，被接合的铜板的厚度被设定在0.1mm以上6.0mm以下的范围内，在本实施方式被设定为0.3mm。
Ti层515通过Al层513A与铜板经由钛箔被层叠，且固相扩散接合而形成。其中，钛箔的纯度被设在99％以上。并且，Ti箔的厚度被设定在3μm以上40μm以下，在本实施方式中，设定为15μm。
另外，如图15所示，在Al层513A与Ti层515的接合界面形成有Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层516。
Al-Ti-Si层516通过Al层513A的Al原子与Ti层515的Ti原子相互扩散而形成的。Al-Ti-Si层516的厚度被设定在0.5μm以上10μm以下，在本实施方式被设为5μm。
如图15所示，该Al-Ti-Si层516具备形成于Ti层515侧的第一Al-Ti-Si层516A、和形成于Al层513A侧的第二Al-Ti-Si层516B。即，在Al层513A与Cu层513B的接合部形成有Ti层515、第一Al-Ti-Si层516A、和第二Al-Ti-Si层516B。
这些第一Al-Ti-Si层516A与第二Al-Ti-Si层516B，由Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si相构成，第二Al-Ti-Si层516B的Si浓度比第一Al-Ti-Si层516A的Si浓度低。并且，在本实施方式，第一Al-Ti-Si层516A及第二Al-Ti-Si层516B所含有的Si，通过在2N-Al的轧制板中作为杂质而含有的Si扩散于Al-Ti-Si层516，且变浓而得到。
第一Al-Ti-Si层516A的Si浓度被设在10at％以上30at％以下，在本实施方式被设为20at％。第二Al-Ti-Si层516B的Si浓度被设在1at％以上10at％以下，在本实施方式被设为3at％。
半导体元件3由Si等半导体材料构成。该半导体元件3与电路层512经由焊锡层2而接合。
焊锡层2例如被设定为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊锡材料(所谓无铅焊锡材料)，且接合功率模块用基板510与半导体元件3。
散热器531用于将功率模块用基板510侧的热进行散热。散热器531由铜或铜合金构成，在本实施方式由无氧铜构成。在该散热器531设有供冷却用流体流动用的流路532。
焊锡层535与焊锡层2同样地，例如被设定为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊锡材料(所谓无铅焊锡材料)，且接合功率模块用基板510与半导体元件531。
其次，参照图16及图17对本实施方式的自带散热器的功率模块501的制造方法进行说明。
首先，如图17所示，在陶瓷基板511的第一面层叠成为电路层512的铝板522。另一方面，在陶瓷基板511的第二面层叠成为Al层513A的铝板523A，并且在其上经由钛箔525层叠成为Cu层513B的铜板523B(铝板及铜板的层叠工序S501)。其中，本实施方式中，在铝板522、523A与陶瓷基板511之间，经由Al-Si系的钎料箔526而层叠。
其次，以朝向叠方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态配置在真空加热炉内予以加热，形成电路层512及Al层513A，并且将Al层513A与钛箔525、及铜板523B与钛箔525固相扩散接合，形成电路层512及金属层513(电路层及金属层的形成工序S502)。
其中，优选将真空加热炉内的压力设定于10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，加热温度设定为600℃以上643℃以下，保持时间则设定在30分钟以上180分钟以下的范围内。并且，进一步优选将加热温度设在630℃以上643℃以下的范围内。本实施方式，以朝向层叠方向负荷12kgf/cm2的压力，加热温度640℃、保持时间60分钟的条件进行实施。
并且，与铝板523A、钛箔525、及铜板523B接合的各个面，在预先将该面的伤痕除去而平滑化之后，固相扩散接合。
通过上述方法，制造本实施方式的功率模块用基板510。
其次，在功率模块用基板510的金属层513，经由焊锡材料层叠散热器531，在还原炉内进行焊锡接合(散热器的接合工序S503)。
通过上述方法，制造本实施方式的自带散热器的功率模块用基板530。
其次，在电路层512一个面(表面)，经由焊锡材料层叠半导体元件3，在还原炉内进行焊锡接合(半导体元件的接合工序S504)。
通过上述方法，制造本实施方式的自带散热器的功率模块501。
根据如上构成的本实施方式所涉及的自带散热器的功率模块501、自带散热器的功率模块用基板530、及功率模块用基板510，在金属层513在Al层513A与Cu层513B的接合部形成有Ti层515、和Al-Ti-Si层516，且未形成有较硬的Al-Ti-Cu层或Al-Ti层，因此在负荷热循环时，能够抑制金属层513发生龟裂。从而，能够提高功率模块用基板510与散热器531的接合可靠性。
而且，由于形成于Ti层515侧的第一Al-Ti-Si层516A的Si浓度比形成于Al层513A侧的第二Al-Ti-Si层516B的Si浓度高，因此能够通过Si浓度较高的第一Al-Ti-Si层516A抑制Ti原子扩散至Al层513A侧，且能够使Al-Ti-Si层516的厚度变薄。并且，通过如此使Al-Ti-Si层516的厚度变薄，能够抑制在负荷热循环时在Al层513A与Cu层513B的接合部发生龟裂。
并且，形成于Al层513A侧的第二Al-Ti-Si层516B所含的Si浓度被设为1at％以上10at％以下，因此能够抑制Al原子过度地扩散至Ti层515侧，且能够使第二Al-Ti-Si层516B的厚度变薄。
而且，形成于Ti层515侧的第一Al-Ti-Si层516A所含的Si浓度被设为10at％以上30at％以下，因此能够抑制Ti原子过度地扩散至Al层513A侧，且能够使第一Al-Ti-Si层516A的厚度变薄。
并且，本实施方式构成为在陶瓷基板511的第一面及第二面同时接合铝板523A、钛箔525、铜板523B、及铝板522，因此能够将制造工序简略化，且能够降低制造成本。
并且，在陶瓷基板511的第二面形成变形阻力比较小的Al层513A，因此Al层513A吸收负荷热循环时所产生的热应力，能够抑制陶瓷基板511发生破裂。
而且，在Al层513A中与形成有陶瓷基板511的面相反侧的面，形成变形阻力较大的Cu层513B，因此负荷热循环时金属层513的变形得到抑制，能够抑制接合金属层513与散热器531的焊锡层535的变形，能够提高接合可靠性。
并且，在本实施方式，由于Al层513A(铝板523A)与钛箔525、及铜板523B与钛箔525的固相扩散接合以在朝向层叠方向施加1～35kgf/cm2的压力的状态下保持于600℃以上643℃以下而进行，因此能够在Al层513A及铜板523B中使Ti原子扩散，在钛箔525中使Al原子及Cu原子固相扩散而固相扩散接合，且将Al层513A、钛箔525、及铜板523B可靠地接合。
当在固相扩散接合时朝向层叠方向施加的压力小于1kgf/cm2时，难以将Al层513A、钛箔525、及铜板523B充分地接合，而有时在接合界面产生间隙。并且，当超过35kgf/cm2时，由于被负荷的荷重过高，而有时陶瓷基板511发生破裂。根据这些理由，将固相扩散接合时所施加的压力设定在上述的范围。
当在固相扩散接合时的温度为600℃以上时，能够促进Al原子、Ti原子、及Cu原子的扩散、于短时间内充分地固相扩散。并且，当643℃以下时，能够抑制产生由铝的溶融所造成的液相而在接合界面产生凸起，且能够抑制厚度变动。因此，优选将固相扩散接合温度范围设定在上述的范围。
并且，在进行固相扩散接合时，当被接合的面有伤痕时，有时在固相扩散接合时产生间隙，但在本实施方式，与铝板523A、铜板523B、及钛箔525接合的面，由于在预先将该面的伤痕除去而平滑化之后，固相扩散接合，因此，能够抑制在各个接合界面产生间隙而接合。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离其发明的技术思想的范围可以适当地进行变更。
上述实施方式中，对接合Al层与Cu层的情况进行了说明，但取代Cu层，也可以接合由镍或镍合金构成的Ni层、或者由银或银合金构成的Ag层。
例如，当取代Cu层而形成Ni层时，焊锡接合性变得良好，在经由焊锡材料接合电路层和半导体元件时和/或经由焊锡材料接合金属层与散热器时，能够提高接合可靠性。而且，当通过固相扩散接合来形成Ni层时，无需进行在以化学镀等来形成Ni镀膜时所进行的遮蔽处理，因此能够降低制造成本。这种情况下，优选将Ni层的厚度设在1μm以上30μm以下。当Ni层的厚度小于1μm时有可能丧失提高Ni层与半导体元件的接合可靠性的效果和/或提高Ni层与散热器的接合可靠性的效果，当超过30μm时Ni层有可能成为热阻力体，而无法有效地将热传递到功率模块用基板侧和/或散热器侧。
并且，当通过固相扩散接合来形成Ni层时，固相扩散接合可以在与所述第一实施方式中形成Cu层的情况同样的条件下形成。
并且，当取代Cu层而形成Ag层时，例如使用包含氧化银粒子与由有机物构成的还原剂的氧化银浆料来接合半导体元件和/或散热器时，由于将氧化银被还原的银与Ag层成为同一种类的金属与金属之间的接合，因此能够提高接合可靠性。这种情况下，优选将Ag层的厚度设在1μm以上20μm以下。当Ag层的厚度小于1μm时有可能丧失提高Ag层与半导体元件的接合可靠性的效果和/或提高Ag层与散热器的接合可靠性的效果，当超过20μm时则看不见接合可靠性提高的效果，且导致成本的增加。
并且，当通过固相扩散接合来形成Ag层时，固相扩散接合可以以与所述第一实施方式形成Cu层的情况同样的条件下形成。
以外，如图18(第六实施方式)所示，电路层612可以构成为具有，在陶瓷基板511的第一面(图18的上表面)形成的Al层612A、和在Al层612A一个面(图18的上表面)经由Ti层615而固相扩散接合的Cu层612B。
具备该电路层612的自带散热器的功率模块601，在负荷热循环时，利用Al层612A吸收陶瓷基板511所产生的热应力，能够抑制陶瓷基板511发生破裂。并且，在Al层612A的上侧形成有Cu层612B，因此能够将来自半导体元件3侧的热散开而有效地在散热器531侧进行散热。
并且，在上述实施方式，对经由钛箔，将由2N铝构成的铝板与由无氧铜构成的铜板进行层叠并固相扩散接合的情况进行了说明，而通过钛箔在将由Si的含有量比2N铝还少的4N铝构成的铝板与铜板进行固相扩散接合的情况下，在接合界面并不形成Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，而使Al3Ti层(Al-Ti层)变厚。当接合由4N铝构成的铝板与铜板时，如例如图10(第四实施方式)及图19(第七实施方式)所示，通过将由4N铝构成的铝板422A(723A)、Al-Si系钎料箔426(726)、钛箔425(725)、及铜板422B(723B)按顺序层叠并固相扩散接合，能够与功率模块用基板10(510)同样地形成第一Al-Ti-Si层及第二Al-Ti-Si层，且在负荷热循环时能够抑制电路层或金属层发生龟裂。
并且，在上述实施方式，对经由焊锡材料接合金属层与散热器的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以利用其他方法来接合。例如，可以利用上述的氧化银浆料来接合，或利用钎料箔来接合。
并且，在上述实施方式，对电路层由铝或铝合金构成的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由铜或铜合金来构成。并且，电路层也可以为由铜或铜合金构成的引线框架的一部分。
并且，对散热器由铜或铜合金构成的情况进行了说明，但并不限定于此，散热器也可以由铝或铝合金来构成。
并且，在上述实施方式，对在陶瓷基板的第一面及第二面，通过Al-Si系的钎料箔来接合铝板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以适用瞬间液相连接法(TransientLiquid Phase Bonding)。
而且，在上述实施方式，通过在陶瓷基板的第一面或第二面，经由Al-Si系钎料箔来层叠成为Al层的铝板，并且在其上经由钛箔层叠成为Cu层的铜板，进行加压加热而形成接合体(或金属层)，然而，可以使用由Ti/Cu构成的包覆金属来取代钛箔及铜板。并且，也可以使用由Al/Ti/Cu等3层构成的包覆金属来取代铝板、钛箔及铜板。
并且，当形成Ni层来取代Cu层时，可以采用由Ti/Ni构成的包覆金属或由Al/Ti/Ni构成的包覆金属。
而且，当形成Ag层来取代Cu层时，可以采用由Ti/Ag构成的包覆金属或由Al/Ti/Ag构成的包覆金属。
实施例
(实施例1)
以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
如表1所示，作为本发明例1-1～1-7的接合体，在由含有0.25质量％Si的2N铝板构成的铝部件(10mm×10mm、厚度0.6mm)的一个面，经由钛箔层叠表1所记载的金属部件构成的板(2mm×2mm、厚度0.3mm)，通过上述实施方式所记载的方法，以表1所示的条件进行固相扩散接合。
并且，作为比较例1-1的接合体，在由纯度99.99％以上的铝板构成的铝部件(10mm×10mm、厚度0.6mm)的一个面，经由钛箔层叠由无氧铜板构成的金属部件(2mm×2mm、厚度0.3mm)，与本发明例1-1的接合体同样的方法，以表1所示的条件进行固相扩散接合。
对通过这种方法而得到的接合体，实施接合体的剖面观察、及剪切测试。
(剖面观察)
在将接合体的剖面利用剖面离子抛光仪(日本电子股份有限公司制SM-09010)、以离子加速电压：5kV、加工时间：14小时、来自遮蔽板的突出量：100μm进行离子蚀刻之后，利用扫描型电子显微镜(SEM)来观察Al层(铝部件)与金属部件层(金属部件)的接合部。并且，利用EPMA分析装置对接合部的组成进行分析，确认在Ti层与Al层之间的接合界面(在图11、12，Ti层与铝部件之间的界面)，是否形成有Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层。
(剪切测试)
对接合体实施剪切测试，测定剪切强度(剪断强度)。并且，剪切测试依据国际电工委员会的规格IEC 60749-19来实施。
作为剖面观察结果的一例，将本发明例1-1的剖面观察结果(SEM像)示出于图11，将比较例1-1的剖面观察结果(SEM像)示出于图12。并且，在表1示出Al-Ti-Si层的有无、接合体剪切测试的测定结果。
通过上述方法，确认到形成有Al-Ti-Si层时在表中记载为“有”，未确认到则记载为“无”。
[表1]
如图11所示，本发明例1-1中，在Ti层与Al层(铝部件)之间确认到形成有Al-Ti-Si层。确认到该Al-Ti-Si层的厚度形成为较薄。且确认到这种Al-Ti-Si层还形成于本发明例1-2～1-7中。
另一方面，比较例1-1中，在Ti层与Al层之间形成有Al-Ti层，且未确认到Al-Ti-Si层。如图12所示，与本发明例1-1～1-7的Al-Ti-Si层相比较，比较例1-1的Al-Ti层的厚度形成为较厚，且在其接合界面观察到龟裂。
并且，在未确认到Al-Ti-Si层的比较例1-1中，剪切强度为28MPa，相对于此，确认到形成有Al-Ti-Si层的本发明例1-1～1-7的剪切强度为79MPa以上，明显较高。
(实施例2)
通过如下方法制造本发明例2-1～2-7的功率模块。在陶瓷基板的一个面层叠成为Al层的含有0.25质量％的Si的2N铝板(厚度0.6mm)，并在其上经由钛箔层叠由表2所记载的金属部件构成的板。并且，在陶瓷基板的第二面层叠成为金属层的纯度99.99％以上的4N铝板(厚度0.6mm)。其中，在铝板与陶瓷基板之间，经由Al-Si系钎料箔而层叠。其次，以示出于表2条件进行加热处理，在陶瓷基板的第一面及第二面形成Al层及金属层，并且将Al层、钛箔、及由金属部件构成的板进行固相扩散接合而形成电路层。并且，在电路层的一个面经由焊锡材料接合半导体元件。
比较例2-1的功率模块使用纯度99.99％以上的4N铝作为Al层，除此之外，以与本发明例2-1的功率模块同样的方法进行制造。
并且，加热处理以示出于表2的条件进行实施。
在通过这种方法制造的功率模块的电路层的Al层与金属部件层的接合部，与实施例1同样地对Al-Si-Ti层的有无进行确认。通过与实施例1同样的方法，确认到形成有Al-Ti-Si层时在表中记载为“有”，未确认到则记载为“无”。而且，对于功率模块进行热循环测试，且对测试后的Al层与金属部件层的接合部的接合率进行测定。并且，还对Al层与金属部件层的接合部的初期的接合率(热循环测试前的接合率)进行测定。热循环测试与接合率的测定通过如下述方法而进行。
(热循环测试)
相对于功率模块，热循环测试通过由负荷反覆-40℃与125℃的热循环而进行。在本实施例，实施4000次该热循环。
测定该热循环测试前后的Al层与金属部件层的界面的接合率。
(Al层与金属层的接合部的接合率评价)
针对于热循环测试前后的功率模块，对Al层与金属部件层的接合部的接合率使用超声波探伤装置进行评价，且由以下式算出。其中，初期接合面积被设为接合前应接合的面积，即Al层的面积。超声波探伤图像中剥离以白色部分显示，因此将该白色部分的面积作为剥离面积。
(接合率(％))＝{(初期接合面积)-(剥离面积)}/(初期接合面积)×100
将以上的评价结果示出于表2。
[表2]
在未确认到Al-Ti-Si层的比较例2-1中，初期接合率低至72.5％，在热循环测试后的接合率大幅降低。
另一方面，在确认到形成有Al-Ti-Si层的本发明例2-1～2-7，初期接合率高至97.8％以上，热循环测试后的接合率也一直较高，确认为接合可靠性高的功率模块。
(实施例3)
以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
通过以下方法而制造本发明例3-1～3-5的自带散热器的功率模块。首先，在示出于表3的陶瓷基板一个面层叠成为电路层的纯度99％以上的Al(2N-Al)板。并且，在陶瓷基板的第二面层叠成为Al层的纯度99％以上的铝板(含有0.25质量％的Si)，并经由钛箔层叠无氧铜构成的铜板。其中，在铝板与陶瓷基板之间经由Al-Si系钎料箔而层叠。其次，以示出于表3的条件进行加热处理，在陶瓷基板的第一面及第二面形成电路层及Al层，并且将Al层、钛箔、铜板进行固相扩散接合而形成金属层。接着，将功率模块用基板的金属层与示出于表3的散热器使用Sn-Sb系焊锡材料进行接合。并且，在电路层的一个面经由Sn-Sb系焊锡材料来接合半导体元件。
其次，第一本发明例3-6～3-8的自带散热器的功率模块的制造方法进行说明。在陶瓷基板一个面层叠成为Al层的含有0.25质量％的Si的2N铝板，并在其上经由钛箔层叠表3所记载的构成金属部件层的金属板。并且，在陶瓷基板的第二面层叠成为Al层的纯度99％以上的铝板(含有0.25质量％的Si)，并经由钛箔层叠表3所记载的构成金属部件层的金属板。其中，在铝板与陶瓷基板之间经由Al-Si系钎料箔而层叠。其次，以示出于表3的条件进行加热处理，在陶瓷基板的第一面及第二面形成Al层，并且将Al层、钛箔、由金属部件构成的板进行固相扩散接合而形成电路层及金属层。
接着，将功率模块用基板的金属层与示出于表3的散热器用Sn-Sb系焊锡材料进行接合。并且，在电路层的一个面经由Sn-Sb系焊锡材料来接合半导体元件。
比较例3-1的自带散热器的功率模块使用纯度99.99％以上的铝(4N铝)作为Al层，除此之外，通过与本发明例3-1的自带散热器的功率模块同样的方法来进行制造。并且，加热处理以示出于表3的条件进行实施。
在通过这种方法而制造的自带散热器的功率模块的金属层的Al层与金属部件层的接合部，进行剖面观察，且确认Al-Ti-Si层的有无。
并且，针对于自带散热器的功率模块，进行冷热循环测试(热循环测试)，对测试后的陶瓷基板与金属层的接合率进行评价。
剖面观察、冷热循环测试(热循环测试)及接合率的评价按照实施例1及实施例2所记载而实施。然而，热循环的次数被设为3000次，接合率的评价针对冷热循环测试(热循环测试)后的自带散热器的功率模块进行，且对Al层与金属部件层的接合部的接合率进行评价。
将以上的评价结果示出于表3。
[表3]
确认到形成有Al-Ti-Si层的本发明例3-1～3-8中，冷热循环测试后的接合率高至94.4％以上，确认为接合可靠性较高的功率模块。
另一方面，未确认到Al-Ti-Si层的比较例3-1中，与本发明例相比较，热循环测试后的接合率大幅降低。
根据本发明，良好地接合有铝部件(Al层)与由铜、镍、银的任一种构成的金属部件(金属部件层)，在负荷热循环时能够抑制接合部发生龟裂，且能够提供接合可靠性良好的接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板。
符号说明
10、210、510、610-功率模块用基板，11、511-陶瓷基板(绝缘层)，12、612-电路层(接合体)，12A、313A、513A、612A-Al层，12B、313B、513B、612B-Cu层(金属部件层)，13-金属层，15、215、315、515、615、715-Ti层，16、216、516-Al-Ti-Si层，16A、216A、516A-第一Al-Ti-Si层，16B、216B、516B-第二Al-Ti-Si层，212、512-电路层，213-金属层(Al层)，230、530、630-自带散热器的功率模块用基板，231、531-散热器(金属部件)，313、513-金属层(接合体)。

Claims (9)

1.一种接合体，接合有由铝构成的铝部件与由镍构成的金属部件，其特征在于，
所述铝部件与所述金属部件经由钛材而层叠，
所述铝部件与所述钛材被固相扩散接合，该固相扩散接合中，所述钛材的Ti原子固相扩散到所述铝部件中，Al原子固相扩散到所述钛材中，
在所述铝部件与所述金属部件的接合部形成有：
位于所述金属部件侧的Ti层；和
位于所述Ti层与所述铝部件之间，且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，
所述Al-Ti-Si层具备：
形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层；和
形成于所述铝部件侧，且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
2.一种接合体，接合有由铝构成的铝部件与由铜或银构成的金属部件，其特征在于，
在所述铝部件与所述金属部件的接合部形成有：
位于所述金属部件侧的Ti层；和
位于所述Ti层与所述铝部件之间，且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，
所述Al-Ti-Si层具备：
形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层；和
形成于所述铝部件侧，且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
3.根据权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，所述第二Al-Ti-Si层所含有的Si浓度为1at%以上。
4.一种功率模块用基板，其特征在于，
具备绝缘层和形成于所述绝缘层的一个面的电路层，
所述电路层由权利要求1~3中任一项所述的接合体构成，
所述电路层具有形成于所述绝缘层的一个面且由所述铝部件构成的Al层和形成于该Al层的一个面且由所述金属部件构成的金属部件层，
在所述Al层和所述金属部件层的接合部形成有：
位于所述金属部件层侧的Ti层；和
位于所述Ti层与所述Al层之间，且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，
所述Al-Ti-Si层具备：
形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层；和
形成于所述Al层侧，且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
5.根据权利要求4所述的功率模块用基板，其特征在于，
具备形成于所述绝缘层的另一个面的金属层，
所述金属层由权利要求1~3中任一项所述的接合体构成，
所述金属层具有Al层和金属部件层，所述Al层形成于所述绝缘层的另一个面且由所述铝部件构成，所述金属部件层形成于该Al层中的与形成有所述绝缘层的面相反侧的面且由所述金属部件构成，
在所述Al层和所述金属部件层的接合部形成有：
位于所述金属部件层侧的Ti层；和
位于所述Ti层与所述Al层之间，且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，
所述Al-Ti-Si层具备：
形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层；和
形成于所述Al层侧，且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
6.一种功率模块用基板，具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个面的电路层及形成于所述绝缘层的另一个面的金属层，其特征在于，
所述金属层由权利要求1~3中任一项所述的接合体构成，
在由所述铝部件构成的Al层与由所述金属部件构成的金属部件层的接合部形成有：
位于所述金属部件层侧的Ti层；和
位于所述Ti层与所述Al层之间，且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，
所述Al-Ti-Si层具备：
形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层；和
形成于所述Al层侧，且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
7.一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4~6中的任意一项所述的功率模块用基板和接合于所述金属层的散热器。
8.根据权利要求7所述的自带散热器的功率模块用基板，其特征在于，所述金属层与所述散热器经由焊锡层而接合。
9.一种自带散热器的功率模块用基板，其特征在于，具备绝缘层、形成于该绝缘层的一个面的电路层、形成于所述绝缘层的另一个面的金属层及接合于该金属层的散热器，
所述金属层与所述散热器由权利要求1~3中任一项所述的接合体构成，
所述金属层与所述散热器中的接合体的一方由铝构成，
所述金属层与所述散热器中的接合体的另一方由铜、镍或银构成，
在所述金属层与所述散热器的接合部形成有：
位于所述接合体由铜、镍或银构成的所述金属层或所述散热器侧的Ti层；和
位于所述接合体由铝构成的所述金属层或所述散热器与所述Ti层之间，且Si固溶于Al3Ti的Al-Ti-Si层，
所述Al-Ti-Si层具备：
形成于所述Ti层侧的第一Al-Ti-Si层；和
形成于所述接合体由铝构成的所述金属层或所述散热器侧，且Si浓度比所述第一Al-Ti-Si层低的第二Al-Ti-Si层。
CN201480013552.4A 2013-03-14 2014-03-14 接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板 Active CN105189109B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-052408 2013-03-14
JP2013-052409 2013-03-14
JP2013052408A JP5725060B2 (ja) 2013-03-14 2013-03-14 接合体、パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
JP2013052409A JP5725061B2 (ja) 2013-03-14 2013-03-14 パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
PCT/JP2014/056920 WO2014142310A1 (ja) 2013-03-14 2014-03-14 接合体、パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105189109A CN105189109A (zh) 2015-12-23
CN105189109B true CN105189109B (zh) 2017-04-05

Family

ID=51536957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480013552.4A Active CN105189109B (zh) 2013-03-14 2014-03-14 接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9560755B2 (zh)
EP (1) EP2974859B1 (zh)
KR (1) KR102130868B1 (zh)
CN (1) CN105189109B (zh)
TW (1) TWI604574B (zh)
WO (1) WO2014142310A1 (zh)

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5672324B2 (ja) 2013-03-18 2015-02-18 三菱マテリアル株式会社 接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法
JP6111764B2 (ja) * 2013-03-18 2017-04-12 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法
US9969654B2 (en) * 2014-01-24 2018-05-15 United Technologies Corporation Method of bonding a metallic component to a non-metallic component using a compliant material
US9837363B2 (en) * 2014-07-04 2017-12-05 Mitsubishi Materials Corporation Power-module substrate unit and power module
CN107112298A (zh) * 2014-10-16 2017-08-29 三菱综合材料株式会社 附带冷却器的功率模块用基板及其制造方法
US10497585B2 (en) 2015-04-16 2019-12-03 Mitsubishi Materials Corporation Bonded body, substrate for power module with heat sink, heat sink, method for producing bonded body, method for producing substrate for power module with heat sink, and method for producing heat sink
JP6696215B2 (ja) * 2015-04-16 2020-05-20 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法
JP6696214B2 (ja) * 2015-04-16 2020-05-20 三菱マテリアル株式会社 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法
WO2017060224A1 (de) * 2015-10-07 2017-04-13 Ceramtec Gmbh Zweiseitig gekühlter schaltkreis
EP3163611B1 (en) * 2015-11-02 2021-06-30 ABB Schweiz AG Power electronic assembly
CN109219878B (zh) * 2016-06-23 2022-06-03 三菱综合材料株式会社 绝缘电路基板的制造方法、绝缘电路基板及热电转换模块
JP6904094B2 (ja) * 2016-06-23 2021-07-14 三菱マテリアル株式会社 絶縁回路基板の製造方法
JP6407216B2 (ja) * 2016-08-10 2018-10-17 株式会社東芝 半導体モジュールおよびその生産方法
CN106449567B (zh) * 2016-11-26 2018-11-23 江苏拓博制冷科技有限公司 一种冷却器
KR102615729B1 (ko) * 2016-12-22 2023-12-20 한온시스템 주식회사 클래드 메탈을 이용한 전자 부품 및 열교환기의 결합구조
JP7230432B2 (ja) * 2017-11-02 2023-03-01 三菱マテリアル株式会社 接合体、及び、絶縁回路基板
JP7283716B2 (ja) * 2018-01-15 2023-05-30 ソニーグループ株式会社 機能素子および機能素子の製造方法ならびに電子機器
JP6601512B2 (ja) * 2018-01-24 2019-11-06 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付きパワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP7135364B2 (ja) * 2018-03-23 2022-09-13 三菱マテリアル株式会社 絶縁回路基板、及び、絶縁回路基板の製造方法
US11289400B2 (en) * 2018-03-26 2022-03-29 Mitsubishi Materials Corporation Method of manufacturing bonded body for insulation circuit substrate board and bonded body for insulation circuit substrate board
US11728237B2 (en) 2018-10-24 2023-08-15 Rohm Co., Ltd. Semiconductor device with a supporting member and bonded metal layers
US10896865B2 (en) * 2018-11-13 2021-01-19 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Power electronics modules including an integrated cooling channel extending through an electrically-conductive substrate
EP3898070A1 (en) * 2018-12-17 2021-10-27 Heraeus Precious Metals North America Conshohocken LLC Process for forming an electric heater
EP3936332A4 (en) * 2019-03-08 2022-11-16 Kyocera Corporation ARRANGEMENT AND LIGHT SOURCE DEVICE
US20220189837A1 (en) * 2019-03-25 2022-06-16 Kyocera Corporation Circuit base, and heat dissipation base or electronic device provided with same
US11587799B2 (en) * 2019-12-02 2023-02-21 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for processing a substrate
US11614289B2 (en) * 2020-01-21 2023-03-28 Dana Canada Corporation Aluminum heat exchanger with solderable outer surface layer
EP4234518A1 (en) * 2020-10-22 2023-08-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Joined body, ceramic-copper circuit board, and semiconductor device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1725932A (zh) * 2004-06-17 2006-01-25 古河电路铜箔株式会社 带电阻层的导电性基材及带电阻层的电路基板材料
JP2011108999A (ja) * 2009-11-20 2011-06-02 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
CN102403292A (zh) * 2010-09-16 2012-04-04 英飞凌科技股份有限公司 叠层和集成电路装置
JP2012104539A (ja) * 2010-11-08 2012-05-31 Showa Denko Kk 絶縁基板用クラッド材

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06328271A (ja) 1993-05-19 1994-11-29 Kobe Steel Ltd アルミニウム管と銅管とを接続するための管継手
JP3012835U (ja) 1994-12-21 1995-06-27 有限会社ディンプルコ−ポレ−ション ショ−トアプロ−チマット
JP3171234B2 (ja) 1997-03-26 2001-05-28 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク付セラミック回路基板
JP3012835B2 (ja) 1997-11-07 2000-02-28 電気化学工業株式会社 基板とその製造法、基板に好適な金属接合体
JP3922166B2 (ja) 2002-11-20 2007-05-30 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法並びにパワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP4737116B2 (ja) 2007-02-28 2011-07-27 株式会社日立製作所 接合方法
US8304324B2 (en) 2008-05-16 2012-11-06 Corporation For National Research Initiatives Low-temperature wafer bonding of semiconductors to metals
JP3171234U (ja) 2011-08-09 2011-10-20 正宜 田辺 簡易温室
JP5950791B2 (ja) 2012-10-29 2016-07-13 日立金属Ｍｍｃスーパーアロイ株式会社 耐食性Ｎｉ基合金とアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる複合部材

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1725932A (zh) * 2004-06-17 2006-01-25 古河电路铜箔株式会社 带电阻层的导电性基材及带电阻层的电路基板材料
JP2011108999A (ja) * 2009-11-20 2011-06-02 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
CN102403292A (zh) * 2010-09-16 2012-04-04 英飞凌科技股份有限公司 叠层和集成电路装置
JP2012104539A (ja) * 2010-11-08 2012-05-31 Showa Denko Kk 絶縁基板用クラッド材

Also Published As

Publication number Publication date
EP2974859A1 (en) 2016-01-20
EP2974859A4 (en) 2017-03-01
WO2014142310A1 (ja) 2014-09-18
EP2974859B1 (en) 2020-10-14
KR20150129720A (ko) 2015-11-20
TW201503296A (zh) 2015-01-16
CN105189109A (zh) 2015-12-23
US9560755B2 (en) 2017-01-31
KR102130868B1 (ko) 2020-07-08
TWI604574B (zh) 2017-11-01
US20160035660A1 (en) 2016-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105189109B (zh) 接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板
KR102459745B1 (ko) 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법
CN109417056B (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
KR102422607B1 (ko) 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 및 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크의 제조 방법
EP3632879B1 (en) Ceramic circuit board and method of production
KR102422064B1 (ko) 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 및 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크의 제조 방법
JP5725060B2 (ja) 接合体、パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板
KR102272865B1 (ko) 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 및 히트 싱크의 제조 방법
KR102300413B1 (ko) 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법
KR102154882B1 (ko) 파워 모듈
JP5698947B2 (ja) 電子機器用放熱板およびその製造方法
TWI661516B (zh) 接合體，附散熱器電源模組用基板，散熱器，接合體的製造方法，附散熱器電源模組用基板的製造方法及散熱器的製造方法
JP5991103B2 (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
KR102154369B1 (ko) 파워 모듈
JP6575386B2 (ja) 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンクの製造方法
WO2021085451A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
JP6031784B2 (ja) パワーモジュール用基板及びその製造方法
JP2016041434A (ja) 接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法
EP3407381B1 (en) Bonded body, power module substrate, power module, bonded body manufacturing method, and power module substrate manufacturing method
WO2016167217A1 (ja) 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法
WO2022224958A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2022224946A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2023008565A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2024053738A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2022224949A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant