CN105393349A - 接合体及功率模块用基板 - Google Patents

接合体及功率模块用基板 Download PDF

Info

Publication number
CN105393349A
CN105393349A CN201480041130.8A CN201480041130A CN105393349A CN 105393349 A CN105393349 A CN 105393349A CN 201480041130 A CN201480041130 A CN 201480041130A CN 105393349 A CN105393349 A CN 105393349A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ceramic substrate
layer
power module
substrate
circuit layer
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.)
Granted
Application number
CN201480041130.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105393349B (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
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Publication of CN105393349A publication Critical patent/CN105393349A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105393349B publication Critical patent/CN105393349B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • 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
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • 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
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B23K35/025—Pastes, creams, slurries
    • 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
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • 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
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • 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
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/302—Cu as the principal constituent
    • 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
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/02—Alloys based on copper with tin as the next major constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4846—Leads on or in insulating or insulated substrates, e.g. metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
    • H01L21/4882—Assembly of heatsink parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/15—Ceramic or glass 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
    • H01L23/46—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
    • H01L23/49838—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
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/121—Metallic interlayers based on aluminium
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/122—Metallic interlayers based on refractory metals
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/123—Metallic interlayers based on iron group metals, e.g. steel
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/366—Aluminium nitride
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/368—Silicon nitride
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/402—Aluminium
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • 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
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/58—Forming a gradient in composition or in properties across the laminate or the joined articles
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Abstract

本发明的接合体为由陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件通过Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合而成的接合体，其中，在所述陶瓷部件与所述Cu部件的接合界面形成有：位于所述陶瓷部件侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；及位于所述Cu部件与所述Cu-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。

Description

接合体及功率模块用基板
技术领域
本发明涉及一种陶瓷部件与Cu部件接合而成的接合体及在陶瓷基板的其中一个面形成有电路层的功率模块用基板。
本申请主张基于2013年8月26日申请的日本专利申请第2013-175001号及2014年7月15日申请的日本专利申请第2014-145115的优先权，并将所有内容援用于本说明书中。
背景技术
LED或功率模块等半导体装置具备在由导电材料构成的电路层上接合有半导体元件的结构。
用于控制风力发电、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的发热量较多。因此，作为搭载这种功率半导体元件的基板，至今以来广泛使用例如在由AlN(氮化铝)等构成的陶瓷基板的其中一个面接合导电性优异的金属板以作为电路层的功率模块用基板。并且，也有在陶瓷基板的另一个面接合金属板以作为金属层。
例如，专利文献1所示的功率模块用基板结构如下，即在陶瓷基板(陶瓷部件)的其中一个面接合Cu板(Cu部件)来形成电路层。该功率模块用基板中，在陶瓷基板的其中一个面夹着Cu-Mg-Ti钎料配置Cu板的状态下进行加热处理，从而接合Cu板。
专利文献1：日本专利第4375730号公报
然而，如专利文献1中所公开的那样，若通过Cu-Mg-Ti钎料将陶瓷基板与Cu板接合，则在陶瓷基板的附近形成包含Cu、Mg或Ti的金属间化合物。
由于形成在该陶瓷基板附近的金属间化合物较硬，因此存在当功率模块用基板受到冷热循环时，使得在陶瓷基板产生的热应力变大，从而存在容易在陶瓷基板产生裂纹的问题。
并且，若接合陶瓷基板与电路层时在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间化合物，则有可能使陶瓷基板与电路层的接合率下降，有可能无法将它们良好地接合。
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能够良好地接合陶瓷部件与Cu部件，并且能够在受到冷热循环时抑制在陶瓷部件产生裂纹的接合体及功率模块用基板。
为解决上述课题，本发明的第一方式所涉及的接合体，由陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件通过Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合而成，在所述陶瓷部件与所述Cu部件的接合界面形成有：位于所述陶瓷部件侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；及位于所述Cu部件与所述Cu-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。
根据本发明的第一方式所涉及的接合体，在陶瓷部件与Cu部件的接合界面，Cu-P-Sn系钎料中所含的P进入到形成于Cu部件侧的金属间化合物层中。由此，在陶瓷部件侧形成不具有含P的金属间化合物或含P的金属间化合物极少的Cu-Sn层。即，由于没有在陶瓷部件的附近形成较硬的金属间化合物，因此能够减少受到冷热循环时在陶瓷部件产生的热应力。其结果，能够抑制在陶瓷部件产生裂纹。
并且，在陶瓷部件与Cu部件的接合界面，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间化合物，因此可提高陶瓷部件与Cu部件的接合率，且陶瓷部件与Cu部件被良好地接合。
并且，优选所述金属间化合物层形成于自所述陶瓷部件与所述Cu-Sn层的界面距离0.1μm以上100μm以下的范围内。
此时，由于金属间化合物层形成于自陶瓷部件与Cu-Sn层的界面距离0.1μm以上100μm以下的范围内，因此不会在陶瓷部件的附近形成较硬的金属间化合物，且即便受到冷热循环也能够可靠地抑制在陶瓷部件产生裂纹。并且，如上所述，由于没有在陶瓷部件的附近形成较硬的金属间化合物，因此能够可靠地提高陶瓷部件与Cu部件的接合率。
本发明的第二方式所涉及的功率模块用基板由上述接合体构成，且所述功率模块用基板具备：陶瓷基板，由所述陶瓷部件构成；及电路层，在该陶瓷基板的第一面通过Cu-P-Sn系钎料接合由所述Cu部件构成的Cu板而成，在所述陶瓷基板与所述电路层的接合界面形成有：位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；及位于所述电路层与所述Cu-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。
根据本发明的第二方式所涉及的功率模块用基板，在陶瓷基板与电路层的接合界面，Cu-P-Sn系钎料中所含的P进入到形成于电路层侧的金属间化合物层中。由此，在陶瓷基板侧形成不具有含P的金属间化合物或含P的金属间化合物极少的Cu-Sn层。即，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间化合物，因此能够减少受到冷热循环时在陶瓷基板产生的热应力。其结果，能够抑制在陶瓷基板产生裂纹。
并且，在陶瓷基板与电路层的接合界面，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间化合物，因此可提高陶瓷基板与电路层的接合率，且陶瓷基板与电路层被良好地接合。
并且，在本发明的第二方式所涉及的功率模块用基板中，优选在所述陶瓷基板的第二面形成有金属层。
此时，由于在陶瓷基板的第二面形成有金属层，因此能够通过金属层有效地散发陶瓷基板侧的热量。
并且，优选如下：所述金属层在所述陶瓷基板的第二面通过Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合由Cu或Cu合金构成的Cu板而成，在所述陶瓷基板与所述金属层的接合界面形成有：位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；及位于所述金属层与所述Cu-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。
此时，在陶瓷基板与金属层的接合界面，Cu-P-Sn系钎料中所含的P进入到形成于金属层侧的金属间化合物层中。由此，在陶瓷基板侧形成有不具有含P的金属间化合物或含P的金属间化合物极少的Cu-Sn层。即，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间化合物，因此能够减少受到冷热循环时在陶瓷基板产生的热应力。其结果，能够抑制在陶瓷基板产生裂纹。
并且，在陶瓷基板与电路层的接合界面，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间化合物，因此可提高陶瓷基板与电路层的接合率，且陶瓷基板与电路层被良好地接合。
并且，所述金属层也可以由Al或Al合金构成。
此时，由Al或Al合金构成的金属层的强度较低，因此受到冷热循环时，能够减少在陶瓷基板产生的热应力。
根据本发明，可提供一种能够良好地接合陶瓷部件与Cu部件，并且能够在受到冷热循环时抑制陶瓷部件产生裂纹的接合体及功率模块用基板。
附图说明
图1为使用本发明的第一实施方式所涉及的功率模块用基板的功率模块的概略说明图。
图2为本发明的第一实施方式所涉及的功率模块用基板的概略说明图。
图3为拍摄图2所示的电路层与陶瓷基板的接合界面的截面的电子显微镜照片及其概略图。
图4为说明本发明的第一实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法及功率模块的制造方法的流程图。
图5为本发明的第一实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法及功率模块的制造方法的概略说明图。
图6为使用本发明的第二实施方式所涉及的功率模块用基板的功率模块的概略说明图。
图7为本发明的第二实施方式所涉及的功率模块用基板的概略说明图。
图8为图7所示的金属层与陶瓷基板的接合界面的截面的概略图。
图9为说明本发明的第二实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法及功率模块的制造方法的流程图。
图10为本发明的第二实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法及功率模块的制造方法的概略说明图。
图11为使用本发明的第三实施方式所涉及的功率模块用基板的功率模块的概略说明图。
图12为本发明的第三实施方式所涉及的功率模块用基板的概略说明图。
图13为说明本发明的第三实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法及功率模块的制造方法的流程图。
图14为本发明的第三实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法及功率模块的制造方法的概略说明图。
图15为使用本发明的第四实施方式所涉及的功率模块用基板的功率模块的概略说明图。
图16为拍摄本发明的第四实施方式所涉及的功率模块用基板的电路层与陶瓷基板的接合界面的截面的电子显微镜照片。
图17为说明本发明的第四实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法及功率模块的制造方法的流程图。
图18为本发明的第四实施方式所涉及的功率模块用基板的制造方法及功率模块的制造方法的概略说明图。
具体实施方式
(第一实施方式)
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。首先，对本发明的第一实施方式进行说明。
本实施方式所涉及的接合体为由陶瓷部件即陶瓷基板11与Cu部件即Cu板22(电路层12)接合而成的功率模块用基板10。图1示出具备本实施方式即功率模块用基板10的功率模块1。
该功率模块1具备：配设有电路层12的功率模块用基板10；及在电路层12的其中一个面(图1中为上表面)通过接合层2而接合的半导体元件3。
如图2所示，功率模块用基板10具备：具有第一面和第二面的陶瓷基板11；及配设于该陶瓷基板11的其中一个面即第一面(图2中为上表面)的电路层12。
陶瓷基板11由绝缘性较高的AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)等陶瓷构成。在本实施方式中，陶瓷基板11由散热性优异的AlN(氮化铝)构成。并且，陶瓷基板11的厚度被设定在0.2～1.5mm范围内，在本实施方式中被设定为0.635mm。
电路层12在陶瓷基板11的第一面通过Cu-P-Sn系钎料及Ti材来接合具有导电性的Cu或Cu合金的金属板(Cu板22)而形成。作为Cu板22例如可以是无氧铜、脱氧铜、韧铜等，在本实施方式中为无氧铜。并且，Cu板22的厚度优选被设定在0.1～1.0mm范围，在本实施方式中被设定为0.6mm。
作为Cu-P-Sn系钎料，具体而言可举出Cu-P-Sn钎料、Cu-P-Sn-Ni系钎料、Cu-P-Sn-Zn系钎料、Cu-P-Sn-Mn系钎料、Cu-P-Sn-Cr系钎料等。优选在Cu-P-Sn系钎料中含有3质量％以上10质量％以下的P和0.5质量％以上25质量％以下的Sn。在本实施方式中，作为Cu-P-Sn系钎料使用Cu-P-Sn-Ni钎料24。另外，Cu-P-Sn系钎料的熔点为710℃以下，在本实施方式中使用的Cu-P-Sn-Ni钎料24的熔点为580℃。另外，在本实施方式中，将Cu-P-Sn系钎料的固相线温度作为熔点。
在本实施方式中，电路层12在陶瓷基板11的第一面层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25及由无氧铜构成的Cu板22的状态下，对它们进行加热处理来接合Cu板22而形成(参考图5)。
其中，在电路层12中的陶瓷基板11侧成为Sn扩散于Cu中的结构。
另外，电路层12的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.6mm。
图3中示出陶瓷基板11与电路层12的接合界面的电子显微镜照片及其概略图。如图3所示，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面形成有位于陶瓷基板11侧的Cu-Sn层14及位于电路层12与Cu-Sn层14之间且含P、Ni及Ti的金属间化合物层17。
Cu-Sn层14为Sn固溶于Cu中的层。该Cu-Sn层14为通过Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni进入到形成于电路层12侧的金属间化合物层17中而形成的层。可以将Cu-Sn层14的厚度设定在0.1μm以上140μm以下的范围。
金属间化合物层17通过Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni与Ti材25中的Ti结合而形成。该金属间化合物层17具有P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b及Cu-Ni-Ti相17c中的任意一种以上。在本实施方式中，如图3所示，金属间化合物层17具有P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b及Cu-Ni-Ti相17c。
即，由这些P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b及Cu-Ni-Ti相17c形成层状的金属间化合物层17。
其中，金属间化合物层17形成于自陶瓷基板11与Cu-Sn层14的界面距离0.1μm以上100μm以下的范围内。并且，金属间化合物层17优选形成于自陶瓷基板11与Cu-Sn层14的界面距离1.0μm以上50μm以下的范围内。此外，也可以将金属间化合物层17的厚度设为0.5μm以上6μm以下。
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通过接合层2被接合。
接合层2例如为Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系中的焊锡材料。
接着，参考图4的流程图及图5对本实施方式所涉及的功率模块用基板10及功率模块1的制造方法进行说明。
首先，如图5所示，在陶瓷基板11的其中一个面即第一面(图5中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25及成为电路层12的Cu板22(层叠工序S01)。即，在陶瓷基板11与Cu板22之间，在陶瓷基板11侧配置Cu-P-Sn-Ni钎料24，在Cu板22侧配置作为Ti材的Ti材25。
在本实施方式中，Cu-P-Sn-Ni钎料24的组成为Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％Ni。并且，Cu-P-Sn-Ni钎料24使用箔材，其厚度在5μm以上150μm以下的范围内。
并且，Ti材25的厚度在0.1μm以上5μm以下的范围内。其中，当厚度为0.1μm以上且小于0.5μm时，优选通过蒸镀或溅射来对Ti材25进行成膜，当厚度为0.5μm以上5μm以下时，优选使用箔材。另外，优选Ti材25的厚度在0.5μm以上5μm以下的范围内，更优选在1.0μm以上4.0μm以下的范围内。Ti材25的纯度为99.4％以上。在本实施方式中，作为Ti材25使用厚度为2.0μm、纯度为99.8％的Ti箔。
接着，在沿着层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25及Cu板22进行加压(压力1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下))的状态下，装入真空加热炉内并进行加热(加热处理工序S02)。其中，在本实施方式中，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，将加热温度设定在600℃以上650℃以下的范围内，将加热时间设定在30分钟以上360分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S02中，Cu-P-Sn-Ni钎料24经过熔融而形成液相，且Ti材25熔入到该液相中而使液相凝固，从而陶瓷基板11与Cu板22被接合。此时，Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni与Ti材25中的Ti结合，且形成由P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b及Cu-Ni-Ti相17c中的至少一种以上构成的金属间化合物层17，并且在陶瓷基板11侧形成不具有含P及Ni的金属间化合物或含P及Ni的金属间化合物极少的Cu-Sn层14。
并且，在进行接合时，由于Sn与金属间化合物层17相比更靠电路层12侧扩散，因此在电路层12中的金属化合物层17的附近成为Sn扩散于Cu中的结构。
另外，在本实施方式中，Ti材25的厚度在0.1μm以上5μm以下的范围内，设定得比较薄，因此Ti材25溶入到Cu-P-Sn-Ni钎料24的液相中。因此，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面不会残留Ti材25。
由此，在陶瓷基板11的第一面形成电路层12，而制造本实施方式即功率模块用基板10。
接着，在功率模块用基板10的电路层12的上表面通过焊锡材料接合半导体元件3(半导体元件接合工序S03)。
如此制造本实施方式所涉及的功率模块1。
根据如上构成的本实施方式所涉及的功率模块用基板10，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面，Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni进入到形成于电路层12侧的金属间化合物层17中，从而在陶瓷基板11侧形成不具有含P及Ni的金属间化合物的Cu-Sn层14。即，没有在陶瓷基板11的附近形成较硬的金属间化合物，因此能够减少受到冷热循环时在陶瓷基板11产生的热应力，且能够抑制在陶瓷基板11产生裂纹。
并且，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面，如上所述没有在陶瓷基板11的附近形成较硬的金属间化合物，因此接合陶瓷基板11与电路层12时，可提高陶瓷基板11与电路层12的接合率，且陶瓷基板与金属层被良好地接合。
此外，金属间化合物层17形成于自陶瓷基板11与Cu-Sn层14的界面距离0.1μm以上100μm以下的范围内，因此不会在陶瓷基板11的附近形成较硬的金属间化合物，且即便受到冷热循环也能够可靠地抑制在陶瓷基板11产生裂纹。
并且，接合陶瓷基板11与电路层12时，由于Cu-P-Sn-Ni钎料24的液相与Cu板22直接接触，因此Cu-P-Sn-Ni钎料24的液相经凝固而形成的Cu-Sn层14及金属间化合物层17与电路层12被牢固地接合。此外，Sn与金属间化合物层17相比更靠电路层12侧扩散，从而在电路层12中的金属间化合物层17的附近成为Sn扩散于Cu中的结构，因此陶瓷基板11与电路层12的接合强度得到提高。
此外，Ti材25的厚度为0.1μm以上，优选为0.5μm以上，更优选为1.0μm以上，因此能够使Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni与Ti可靠地结合以形成金属间化合物层17，且能够形成不具有含P及Ni的金属间化合物或金属间化合物极少的Cu-Sn层14。并且，由于Ti材25的厚度为5μm以下，因此陶瓷基板11与电路层12被接合时，Ti材25熔入到Cu-P-Sn-Ni钎料24的液相中，而不会在接合界面形成强度比较高的Ti层。因此，在受到冷热循环时能够抑制在陶瓷基板11产生裂纹。并且，没有形成热阻大于由Cu板22构成的电路层12的Ti层，因此能够减少功率模块用基板10的热阻。
出于这种理由，Ti材25的厚度被设定在0.1μm以上5μm以下的范围内。
并且，根据本实施方式所涉及的功率模块用基板10及功率模块1，由于在陶瓷基板11的第一面形成有由Cu板22构成的电路层12，因此能够通过扩散来自半导体元件3的热量来散发到陶瓷基板11侧。并且，Cu板22的变形阻力比较大，因此可抑制受到冷热循环时的电路层12的变形，且可抑制接合半导体元件3与电路层12的接合层2的变形，且也能够提高接合可靠性。
并且，根据本实施方式的功率模块用基板10的制造方法，由于在陶瓷基板11与Cu板22之间夹着Cu-P-Sn-Ni钎料24和Ti材25的状态下进行加热处理，因此进行加热时Ti熔入到熔融有Cu-P-Sn-Ni钎料24的液相中，而使得Cu-P-Sn-Ni钎料24的液相与陶瓷基板11的润湿性变得良好。
并且，在加热处理工序S02中，当加热温度为600℃以上时，在陶瓷基板11与Cu板22的接合界面能够使Cu-P-Sn-Ni钎料24可靠地熔融并使Ti材25熔入到其中，因此能够可靠地接合陶瓷基板11与Cu板22。并且，当加热温度为650℃以下时，能够抑制陶瓷基板11热劣化，并且能够减少在陶瓷基板11产生的热应力。出于这种理由，在本实施方式中，加热温度被设定在600℃以上650℃以下的范围内。
并且，在加热处理工序S02中，当施加于陶瓷基板11等的压力为1kgf/cm2(0.10MPa)以上时，能够使陶瓷基板11与Cu-P-Sn-Ni钎料24的液相紧贴，因此能够良好地接合陶瓷基板11与Cu-Sn层14。并且，当施加的压力为35kgf/cm2(3.43MPa)以下时，能够抑制在陶瓷基板11产生破裂。出于这种理由，在本实施方式中，施加的压力被设定在1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下)的范围内。
在加热处理工序S02中，当加热时间为30分钟以上时，在陶瓷基板11与Cu板22的接合界面，能够充分确保熔融的Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P与Ti材25中所含的Ti结合的时间，因此能够在陶瓷基板11侧可靠地形成Cu-Sn层。并且，即便加热时间超过360分钟，陶瓷基板11与电路层12的接合性也不会提高至加热时间为360分钟时的接合性以上。此外，若加热时间超过360分钟，则导致生产率下降。出于这种理由，在本实施方式中，加热时间被设定在30分钟以上360分钟以下的范围内。
并且，在本实施方式中，由于使用钎料的熔点为580℃的Cu-P-Sn-Ni钎料24，因此能够以低温形成钎料的液相。另外，在本实施方式中，将Cu-P-Sn-Ni钎料的固相线温度用作熔点。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式进行说明。另外，对于与第一实施方式相同的结构标注相同的符号，并省略详细说明。
图6中示出具备第二实施方式所涉及的功率模块用基板110的功率模块101。
该功率模块101具备：在陶瓷基板11的第一面上配设有电路层112的功率模块用基板110；在电路层112的其中一个面(图6中为上表面)通过接合层2而被接合的半导体元件3；及配置于功率模块用基板110的另一侧(图6中为下侧)的散热片130。
如图7所示，功率模块用基板110具备：陶瓷基板11；配设于该陶瓷基板11的其中一个面即第一面(图7中为上表面)的电路层112；及配设于陶瓷基板11的另一个面即第二面(图7中为下表面)的金属层113。
陶瓷基板11由散热性优异的AlN(氮化铝)构成。
与第一实施方式相同，电路层112在陶瓷基板11的第一面依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25及由无氧铜构成的Cu板122的状态下，对它们进行加热处理来接合Cu板122而形成(参考图10)。
另外，电路层112的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在第二实施方式中被设定为0.6mm。
而且，与第一实施方式相同，在陶瓷基板11与电路层112的接合界面形成有位于陶瓷基板11侧的Cu-Sn层(第一Cu-Sn层)14及位于电路层112与Cu-Sn层14之间且含P、Ni及Ti的金属间化合物层(第一金属间化合物层)17。
金属层113在陶瓷基板11的另一个面即第二面通过Cu-P-Sn系钎料接合Cu或Cu合金的金属板而形成。在第二实施方式中，金属层113在陶瓷基板11的第二面层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、作为Ti材25的Ti箔及由无氧铜构成的Cu板122的状态下，对它们进行加热处理来接合Cu板122而形成(参考图10)。
该金属层113的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.6mm。
在陶瓷基板11与金属层113的接合界面形成有位于陶瓷基板11侧的Cu-Sn层(第二Cu-Sn层)114及位于金属层113与Cu-Sn层114之间且含P、Ni及Ti的金属间化合物层(第二金属间化合物层)117。金属间化合物层117通过Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni与Ti材25中所含的Ti结合而形成。金属间化合物层117具有P-Ni-Ti相117a、P-Ti相117b及Cu-Ni-Ti相117c中的任意一种以上。
如图8所示，在本实施方式中，金属间化合物层117具有P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b及Cu-Ni-Ti相17c。
即，Cu-Sn层(第二Cu-Sn层)114与Cu-Sn层(第一Cu-Sn层)14具有基本相同的结构，金属间化合物层(第二金属间化合物层)117与金属间化合物层(第一金属间化合物层)17具有基本相同的结构。而且，该陶瓷基板11与金属层113的接合界面的结构与上述陶瓷基板11与电路层112的接合界面相同。
散热片130用于散发来自上述功率模块用基板110的热量。该散热片130由Cu或Cu合金构成，在本实施方式中由无氧铜构成。在该散热片130上设置有供冷却用流体流动的流路131。另外，在本实施方式中，散热片130与金属层113通过由焊锡材料构成的焊锡层132接合。
接着，参考图9的流程图及图10对本实施方式所涉及的功率模块101的制造方法进行说明。
首先，如图10所示，在陶瓷基板11的第一面(图10中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25及成为电路层112的Cu板122(第一层叠工序S11)。同时，也在陶瓷基板11的第二面(图10中为下表面)依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25及成为金属层113的Cu板123(第二层叠工序S12)。即，在陶瓷基板11与Cu板122、123之间，在陶瓷基板11侧配置Cu-P-Sn-Ni钎料24，在Cu板122、123侧配置Ti材25。
另外，Ti材25的厚度被设定在0.1μm以上5μm以下的范围内。其中，当厚度为0.1μm以上且小于0.5μm时，优选通过蒸镀或溅射来对Ti材25进行成膜，当厚度为0.5μm以上5μm以下时，优选使用箔材。并且，优选Ti材25的厚度在0.5μm以上5μm以下的范围内，更优选在1.0μm以上4.0μm以下的范围内。在本实施方式中，使用了厚度为1.0μm的Ti材25。
接着，在沿着层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25及Cu板122、123进行加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))的状态下，装入真空加热炉内并进行加热(加热处理工序S13)。其中，在第二实施方式中，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，将加热温度设定在600℃以上650℃以下的范围内，将加热时间设定在30分钟以上360分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S13中，Cu-P-Sn-Ni钎料24经过熔融而形成液相，Ti材25熔入到该液相中而使液相凝固，从而陶瓷基板11与Cu板122、123被接合。
由此，在陶瓷基板11的第一面形成电路层112，且在第二面形成金属层113，以制造本实施方式即功率模块用基板110。
接着，在功率模块用基板110的金属层113的下表面通过焊锡材料接合散热片130(散热片接合工序S14)。
接着，在功率模块用基板110的电路层112的上表面通过焊锡材料接合半导体元件3(半导体元件接合工序S15)。
如此制造本实施方式所涉及的功率模块101。
如上构成的第二实施方式所涉及的功率模块用基板110发挥与第一实施方式中说明的功率模块用基板10相同的效果。
并且，在功率模块用基板110中，由于在陶瓷基板11的第二面形成有由Cu板123构成的金属层113，因此能够通过金属层113有效地散发来自半导体元件3的热量。
而且，和陶瓷基板11与电路层112的接合界面相同，在陶瓷基板11与金属层113的接合界面，在陶瓷基板11侧形成有Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层114，且没有在陶瓷基板11的附近形成较硬的金属间化合物。因此，能够减少受到冷热循环时在陶瓷基板11产生的热应力，且能够抑制在陶瓷基板11产生裂纹。
此外，在陶瓷基板11与金属层113的接合界面，由于没有在陶瓷基板11的附近形成较硬的金属间化合物，因此可提高陶瓷基板与金属层的接合率，且陶瓷基板与金属层被良好地接合。
并且，在第二实施方式所涉及的功率模块用基板110中，金属层113上接合有散热片130，因此能够有效地由散热片130散发热量。
并且，根据第二实施方式所涉及的功率模块用基板110的制造方法，由于成为在陶瓷基板11的其中一个面即第一面接合电路层112的同时在另一个面即第二面接合金属层113的结构，因此能够简化制造工序并减少制造成本。
(第三实施方式)
接着，对本发明的第三实施方式进行说明。另外，对于与第一实施方式相同的结构标注相同的符号，并省略详细说明。
图11表示具备第三实施方式所涉及的功率模块用基板210的功率模块201。
该功率模块201具备：在陶瓷基板11的第一面上配设有电路层212的功率模块用基板210；在电路层212的其中一个面(图11中为上表面)通过接合层2而接合的半导体元件3；及在功率模块用基板210的另一侧(图11中为下侧)通过接合层232而接合的散热片230。
如图12所示，功率模块用基板210具备：陶瓷基板11；配设于该陶瓷基板11的其中一个面即第一面(图12中为上表面)的电路层212；及配设于陶瓷基板11的另一个面即第二面(图12中为下表面)的金属层213。
陶瓷基板11由散热性优异的AlN(氮化铝)构成。
与第一实施方式相同，电路层212在陶瓷基板11的第一面依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、作为Ti材25的Ti箔及由无氧铜构成的Cu板222，并对它们进行加热处理来接合Cu板222而形成(参考图14)。
另外，电路层212的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在第三实施方式中被设定为0.6mm。
而且，与第一实施方式相同，在陶瓷基板11与电路层212的接合界面形成有位于陶瓷基板11侧的Cu-Sn层14及位于电路层212与Cu-Sn层14之间且含P、Ni及Ti的金属间化合物层17。
金属层213通过在陶瓷基板11的另一个面即第二面通过接合材料227接合Al或Al合金的金属板而形成。在第三实施方式中，金属层213通过在陶瓷基板11的第二面接合纯度为99.99质量％以上的Al板223而形成(参考图14)。
该金属层213的厚度被设定在0.1mm以上3.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为1.6mm。
散热片230由Al或Al合金构成，在本实施方式中由A6063(Al合金)构成。在该散热片230上设置有供冷却用流体流动的流路231。另外，该散热片230与金属层213通过Al-Si系钎料而接合。
接着，参考图13的流程图及图14对本实施方式所涉及的功率模块201的制造方法进行说明。
首先，如图14所示，在陶瓷基板11的第一面(图14中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25及成为电路层212的Cu板222(第一层叠工序S21)。同时，也在陶瓷基板11的第二面(图14中为下表面)通过接合材料227依次层叠成为金属层213的Al板223(第二层叠工序S22)。而且，进一步在Al板223的下侧通过接合材料242层叠散热片230(第三层叠工序S23)。
另外，Ti材25的厚度在0.1μm以上5μm以下的范围内。其中，当厚度为0.1μm以上且小于0.5μm时，优选通过蒸镀或溅射来对Ti材25进行成膜，当厚度为0.5μm以上5μm以下时，优选使用箔材。并且，优选Ti材25的厚度在0.5μm以上5μm以下的范围内，更优选在1.0μm以上4.0μm以下的范围内。
另外，在本实施方式中，接合材料227、242为含有熔点降低元素即Si的Al-Si系钎料，在第三实施方式中使用Al-7.5质量％Si钎料。
接着，在沿着层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材25、Cu板222、接合材料227、Al板223、接合材料242及散热片230进行加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))的状态下，装入真空加热炉内并进行加热(加热处理工序S24)。其中，在第三实施方式中，将真空加热炉内的压力设定为10-6Pa以上10-3Pa以下的范围内，将加热温度设定为600℃以上650℃以下的范围内，将加热时间设定为30分钟以上360分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S24中，Cu-P-Sn-Ni钎料24经过熔融而形成液相，且Ti材25熔入到该液相中并凝固，从而陶瓷基板11与Cu板222被接合。并且，在加热处理工序S24中，接合材料227经过熔融而形成液相，通过该液相的凝固，使得陶瓷基板11与Al板223通过接合材料227被接合。此外，在加热处理工序S24中，接合材料242经过熔融而形成液相，通过该液相的凝固，使得Al板223与散热片230通过接合材料242被接合。
由此，制造第三实施方式即功率模块用基板210。
接着，在功率模块用基板210的电路层212的上表面通过焊锡材料接合半导体元件3(半导体元件接合工序S25)。
如此制造第三实施方式所涉及的功率模块201。
如上构成的第三实施方式所涉及的功率模块用基板210发挥与第一实施方式中说明的功率模块用基板10相同的效果。
并且，在第三实施方式所涉及的功率模块用基板210中，由于在陶瓷基板11的第二面形成有接合Al板223而成的金属层213，因此能够经由通过金属层213有效地散发来自半导体元件3的热量。并且，Al的变形阻力比较低，因此能够通过金属层213来吸收受到冷热循环时在功率模块用基板210与散热片230之间产生的热应力。其结果，能够抑制在陶瓷基板11产生破损。
并且，根据第三实施方式所涉及的功率模块用基板210的制造方法，在陶瓷基板11的第一面接合电路层212的同时，在第二面接合金属层213，因此能够简化制造工序且减少制造成本。
(第四实施方式)
接着，对本发明的第四实施方式进行说明。另外，对于与第一实施方式相同的结构标注相同的符号，并省略详细说明。
在图15中示出具备第四实施方式所涉及的功率模块用基板310的功率模块301。
该功率模块301具备在陶瓷基板11的第一面上配设有电路层312的功率模块用基板310及在电路层312的其中一个面(图15中为上表面)通过接合层2而接合的半导体元件3。
如图15所示，功率模块用基板310具备：陶瓷基板11；配设于该陶瓷基板11的其中一个面即第一面(图15中为上表面)的电路层312；及配设于陶瓷基板11的另一个面即第二面(图15中为下表面)的金属层313。
陶瓷基板11由散热性优异的AlN(氮化铝)构成。
与第一实施方式相同，电路层312通过在陶瓷基板11的第一面依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材325及由无氧铜构成的Cu板322，并对它们进行加热处理来接合Cu板322而形成(参考图18)。
另外，电路层312的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.6mm。
而且，在本实施方式中，电路层312上通过蚀刻形成有电路图案。
如图16所示，在陶瓷基板11与电路层312的接合界面形成有位于陶瓷基板11侧的Cu-Sn层14及位于电路层312与Cu-Sn层14之间且含P、Ni及Ti的金属间化合物层317。
其中，如图16所示，在本实施方式中，作为金属间化合物层317形成有P-Ni-Ti相317a。该P-Ni-Ti相317a以岛状分布。
金属层313通过在陶瓷基板11的另一个面即第二面接合Al或Al合金的金属板而形成。在第四实施方式中，金属层313通过在陶瓷基板11的第二面接合纯度为99.99质量％以上的Al板323而形成(参考图18)。
该金属层313的厚度被设定在0.1mm以上3.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为1.6mm。
接着，参考图17的流程图及图18对本实施方式所涉及的功率模块301的制造方法进行说明。
首先，如图18所示，在陶瓷基板11的第一面(图18中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材325及成为电路层312的Cu板322(第一层叠工序S31)。同时，在陶瓷基板11的第二面(图18中为下表面)通过接合材料327依次层叠成为金属层313的Al板323(第二层叠工序S32)。
其中，在本实施方式中，Ti材325的厚度在0.1μm以上且小于0.5μm的范围内，优选在0.1μm以上0.3μm以下的范围内。优选在Cu板322的接合面通过蒸镀或溅射来对这种厚度较薄的Ti材325进行成膜。
接着，在沿着层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti材325、Cu板322、接合材料327、Al板323进行加压(压力1～35kgf/cm2(0.10～3.43MPa))的状态下，装入真空加热炉内并进行加热(加热处理工序S33)。其中，在第四实施方式中，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，将加热温度设定在600℃以上650℃以下的范围内，将加热时间设定在30分钟以上360分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S33中，Cu-P-Sn-Ni钎料24经过熔融而形成液相，Ti材325熔入到该液相中并凝固，从而陶瓷基板11与Cu板322被接合。并且，接合材料327经过熔融而形成液相，并通过该液相的凝固，使得陶瓷基板11与Al板323通过接合材料327被接合。
接着，通过对功率模块用基板310的电路层312进行蚀刻处理来形成电路图案(蚀刻处理工序S34)。
在该蚀刻处理工序S34中，用氯化铁(III)水溶液进行约10分钟处理，从而进行蚀刻。
由此，制造第四实施方式所涉及的功率模块用基板310。
接着，在功率模块用基板310的电路层312的上表面通过焊锡材料接合半导体元件3(半导体元件接合工序S35)。
由此，制造第四实施方式所涉及的功率模块301。
如上构成的第四实施方式所涉及的功率模块用基板310发挥与第一实施方式中说明的功率模块用基板10相同的效果。
并且，如图16所示，在第四实施方式所涉及的功率模块用基板310中，作为含P、Ni及Ti的金属间化合物层317形成有岛状分布的P-Ni-Ti相317a，因此不易在蚀刻处理工序S34中产生残渣物。因此能够在电路层312通过蚀刻高精度地形成电路图案。
如此，当考虑蚀刻性时，将Ti材325设为0.1μm以上且小于0.5μm，优选设在0.1μm以上0.3μm以下的范围内。
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，在不脱离本发明的技术思想的范围内能够进行适当变更。
另外，在第二实施方式及第三实施方式中，对在陶瓷基板的第一面接合电路层，同时在第二面接合金属层的情形进行了说明，但也可以分别接合电路层和金属层。
并且，在第三实施方式中，对同时接合电路层、金属层及散热片的情形进行了说明，但也可以在将电路层和金属层接合到陶瓷基板之后，接合金属层和散热片。
并且，在第三、第四实施方式中，对在陶瓷基板的第二面通过Al-Si系钎料接合金属层的情形进行了说明，但也可以通过瞬间液相连接法(TLP)和Ag膏等来接合。
并且，在第二实施方式及第三实施方式中，对使用设置有流路的散热片的情形进行了说明，但也可以使用被称为散热板的板状散热片和具有销状鳍片的散热片。并且，对利用焊锡材料或钎料来接合功率模块用基板与散热片的情形进行了说明，但也可以在功率模块用基板与散热片之间涂布润滑脂之后通过螺栓固定等将它们固定。并且，在第二实施方式及第三实施方式的功率模块用基板中，也可以不在功率模块用基板的另一个面侧(陶瓷基板的第二面侧)接合散热片。
另外，在第一实施方式、第二实施方式及第三实施方式中，对作为Ti材使用Ti箔的情形或者通过蒸镀或溅射来形成Ti材的情形进行了说明，但也能够使用在Cu部件的其中一个面配设有Ti的Cu部件/Ti包覆材料。
此外，也能够使用在Ti材的其中一个面配设有Cu-P-Sn系钎料的Ti材/钎料包覆材料或依次层叠Cu部件、Ti材、Cu-P-Sn系钎料的Cu部件/Ti材/钎料包覆材。
并且，在第一实施方式、第二实施方式及第三实施方式中，将作为Ti材的Ti箔夹在Cu-P-Sn系钎料与Cu板之间，但并不限于此，也能够将其夹在陶瓷基板与Cu-P-Sn系钎料之间。
此外，在第四实施方式中，在Cu板的接合面形成有Ti材，但并不限于此，也能够形成于陶瓷基板的接合面。
并且，在上述实施方式中作为Cu-P-Sn系的钎料使用了箔材，但并不限于此，也能够使用Cu-P-Sn系的钎料粉末，或使用Cu-P-Sn系的钎料粉末的浆料。
实施例
(实施例1)
以下，对为确认本发明所涉及的实施方式的效果而进行的确认实验(实施例1)的结果进行说明。
在表1中记载的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面依次层叠具有表1所示的厚度的Cu-P-Sn系钎料箔(37mm×37mm)、具有表1所示的厚度的Ti材(37mm×37mm)及由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。另外，当陶瓷基板的材质为AlN时，将厚度设为0.635mm，当材质为Si3N4时，设为0.32mm。
而且，在以15kgf/cm2(1.47MPa)的压力沿着层叠方向对层叠的陶瓷基板、Cu-P-Sn系钎料、Ti材及Cu板进行加压的状态下，装入真空加热炉内并进行加热，从而在陶瓷基板的第一面接合Cu板以形成电路层。其中，将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，将加热温度及加热时间如表1的条件设定。如此获得本发明例1-1～1-13的功率模块用基板。另外，本发明例1-1～1-10及1-12～1-13中作为Ti材使用了Ti箔。在本发明例1-11中，作为Ti材在Cu板的接合面通过溅射形成了Ti膜。
并且，如下获得比较例1的功率模块用基板。在由AlN构成的陶瓷基板(40mm×40mm×厚度0.635mm)的第一面依次层叠具有表1所示的厚度的Cu-P-Sn系钎料(37mm×37mm)及由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。而且，在以15kgf/cm2(1.47MPa)的压力沿着层叠方向对层叠的陶瓷基板、Cu-P-Sn系钎料及Cu板进行加压的状态下，装入真空加热炉内并进行加热，由此在陶瓷基板的第一面接合Cu板以形成电路层。即，比较例1的功率模块用基板中，在接合陶瓷基板与Cu板时，没有夹着Ti材而进行了接合。
对如上获得的功率模块用基板进行电路层与陶瓷基板的初始接合率的评价。以下，对接合率的评价方法进行说明。
并且，确认所获得的功率模块用基板在陶瓷基板与电路层的接合界面有无含P及Ti的金属间化合物层。以下对确认有无含P及Ti的金属间化合物层的方法进行说明。
(接合率评价)
对于功率模块用基板，利用超声波探伤装置(HitachiPowerSolutionsco.,Ltd制造FineSAT200)来对陶瓷基板与电路层的界面的接合率进行评价，并根据下式计算接合率。
其中，初始接合面积是指接合之前待接合的面积，在本实施例中设为电路层的面积(37mm×37mm)。在对超声波探伤图像进行二值化处理的图像中，剥离的部分在接合部内显示为白色，因此将该白色部分的面积作为剥离面积。
(接合率(％))＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)×100
(确认有无含P及Ti的金属间化合物层的方法)
对于含P及Ti的金属间化合物层，利用EPMA(电子射线显微分析仪、JEOLLtd.JXA-8530F)进行P及Ti元素映射，将Ti/Cu-P-Sn系钎料界面(与层叠方向平行的截面)中同时存在P及Ti元素的部位作为金属间化合物层，并确认有无金属间化合物层。
在表1中示出以上评价结果。
如表1所示，关于本发明例1-1～1-13确认到，由于夹着Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合了陶瓷基板与Cu板，因此陶瓷基板与电路层的初始接合率较高，且接合得良好。
另一方面，比较例1中，由于在接合陶瓷基板与Cu板时，没有夹着Ti材进行接合，因此无法将陶瓷基板与Cu板(电路层)接合。
(实施例2)
接着，对为确认本发明所涉及的实施方式的效果而进行的确认实验(实施例2)的结果进行说明。
在表2中记载的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面及第二面依次层叠具有表2所示的厚度的Cu-P-Sn系钎料箔(37mm×37mm)、具有表2所示的厚度的Ti材(37mm×37mm)及由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。另外，当陶瓷基板的材质为AlN时，将厚度设为0.635mm，当材质为Si3N4时，设为0.32mm。
在以15kgf/cm2(1.47MPa)的压力沿着层叠方向对层叠的陶瓷基板、Cu-P-Sn系钎料箔、Ti材及Cu板进行加压的状态下，装入真空加热炉内并进行加热，从而在陶瓷基板的第一面及第二面接合Cu板以形成电路层及金属层。其中，将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，将加热温度及加热时间设为表2所示的条件。如此获得本发明例2-1～2-13的功率模块用基板。另外，在本发明例2-1～2-10及2-12～2-13中作为Ti材使用Ti箔。在本发明例2-11中，作为Ti材在Cu板的接合面通过溅射形成Ti膜。
并且，除了未夹着Ti材而接合陶瓷基板与电路层之外，以与本发明例的2-1～2-13的功率模块用基板相同的方式获得了比较例2的功率模块用基板。
对于如上获得的功率模块用基板，测定电路层与陶瓷基板的初始接合率及经过冷热循环测试之后的接合率。此外，在冷热循环测试中，测定直至在功率模块用基板的陶瓷基板产生破损为止的次数。
并且，确认所获的功率模块用基板在陶瓷基板与电路层的接合界面有无含P及Ti的金属间化合物层。
另外，以与实施例1相同的方式进行了接合率的评价及有无含P及Ti的金属间化合物层的确认。并且，如下进行冷热循环测试。
(冷热循环测试)
如下实施冷热循环测试：使用冷热冲击测试机ESPECGORP制造TSB-51，以液相(电子氟化液)在-40℃下3分钟且在150℃下7分钟的循环作为一次循环，对功率模块用基板实施2000次循环。另外，对于进行2000次循环的冷热循环测试之后也没有在陶瓷基板产生破损的功率模块用基板，在表2中记为“＞2000”。
在表2中示出以上评价结果。
如表2所示，在本发明例2-1～2-13中夹着Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合了陶瓷基板与Cu板，因此，确认到陶瓷基板与电路层的初始接合率较高，且接合得良好。并且，确认到本发明例2-1～2-13的经过冷热循环测试之后的接合率也较高，且接合可靠性也较高。此外，还确认到本发明例2-1～2-13在冷热循环测试中，直至在陶瓷基板产生破损为止的循环次数较多，且不易在陶瓷基板产生破损。
另一方面，比较例2中，由于在接合陶瓷基板与Cu板时没有夹着Ti材进行接合，因此无法将陶瓷基板与Cu板(电路层)接合。
(实施例3)
接着，对为确认本发明所涉及的实施方式的效果而进行的确认实验(实施例3)的结果进行说明。
在表3中记载的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面依次层叠具有表3所示的厚度的Cu-P-Sn系钎料箔(37mm×37mm)、具有表3所示的厚度的Ti材(37mm×37mm)及由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。另外，当陶瓷基板的材质为AlN时，将厚度设为0.635mm，当材质为Si3N4时，设为0.32mm。并且，在陶瓷基板的第二面通过Al-Si系钎料层叠由纯度99.99％的Al构成的Al板(37mm×37mm×厚度1.6mm)。
而且，在以15kgf/cm2(1.47MPa)的压力沿着层叠方向对层叠的陶瓷基板、Cu-P-Sn系钎料箔、Ti材、Cu板、Al-Si系钎料及Al板进行加压的状态下，装入真空加热炉内并进行加热，从而在陶瓷基板的第一面接合Cu板而形成电路层，且在第二面接合Al板而形成金属层。其中，将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，将加热温度及加热时间设为表3所示的条件。如此获得本发明例3-1～3-13的功率模块用基板。另外，在本发明例3-1～3-10及3-12～3-13中作为Ti材使用Ti箔。在本发明例3-11中，作为Ti材在Cu板的接合面通过溅射形成Ti膜。
并且，除了未夹着Ti材而接合陶瓷基板与电路层之外，以与本发明例的3-1～3-11的功率模块用基板相同的方式获得了比较例3的功率模块用基板。
对于如上获得的功率模块用基板，测定电路层与陶瓷基板的初始接合率及经过冷热循环测试之后的接合率，此外，在冷热循环测试中测定直至在功率模块用基板的陶瓷基板产生破损为止的次数。
并且，确认所获得的功率模块用基板在陶瓷基板与电路层的接合界面有无含P及Ti的金属间化合物层。
另外，以与实施例2相同的方式进行了接合率的评价、冷热循环测试及有无含P及Ti的金属间化合物层的确认。
在表3中示出以上评价结果。
如表3所示，在本发明例3-1～3-13中夹着Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合了陶瓷基板与Cu板，因此确认到陶瓷基板与电路层的初始接合率较高，且接合得良好。并且，确认到本发明例3-1～3-13的经过冷热循环测试之后的接合率也较高，且接合可靠性也较高。此外，还确认到本发明例3-1～3-13在冷热循环测试中，直至在陶瓷基板产生破损为止的循环次数较多，且不易在陶瓷基板产生破损。
另一方面，比较例3中，由于在接合陶瓷基板与Cu板时没有夹着Ti材进行接合，因此无法将陶瓷基板与Cu板(电路层)接合。
(实施例4)
接着，对为确认本发明所涉及的实施方式的效果而进行的确认实验(实施例4)的结果进行说明。
在表4中记载的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面依次层叠具有表4所示的厚度的Cu-P-Sn系钎料(37mm×37mm)、具有表4所示的厚度的Ti材(37mm×37mm)及由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。当陶瓷基板的材质为AlN时，将厚度设为0.635mm，当材质为Si3N4时，设为0.32mm。另外，作为Ti材在Cu板的接合面通过溅射形成Ti膜。
而且，在以15kgf/cm2(1.47MPa)的压力沿着层叠方向对层叠的陶瓷基板、Cu-P-Sn系钎料、Ti材及Cu板进行加压的状态下，装入真空加热炉内并进行加热，从而在陶瓷基板的第一面接合Cu板以形成电路层。其中，将真空加热炉内的压力设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，将加热温度及加热时间设定为表4的条件。如此获得本发明例4-1～4-8的功率模块用基板。
(蚀刻测试)
如下进行蚀刻测试：首先，对于所获得的功率模块用基板，作为蚀刻液使用氯化铁(III)水溶液，将蚀刻时间设为10分钟之后在电路层进行蚀刻，以形成规定的电路图案。
而且，在形成有规定的电路图案的电路层，利用EPMA对电路图案之间的表面进行定量分析，并测定钎料成分(例如，在本发明例4-1中为Cu、P、Sn、Ni)和Ti量的总量。对10处进行测定，并将其平均值作为总量。若总量小于0.2原子％，则评为“A”，若为0.2原子％以上且小于0.4原子％，则评为“B”，若为0.4原子％以上，则评为“C”。
在表4中示出以上评价结果。
如表4所示，在本发明例4-1～4-8中确认到，Ti材的厚度小于0.5μm，因此蚀刻性良好。
产业上的可利用性
根据本发明所涉及的接合体及功率模块用基板，既能够良好地接合陶瓷部件与Cu部件，并且还能够减少在受到冷热循环时在陶瓷部件产生裂纹。因此，本发明所涉及的接合体及功率模块用基板适合于用于控制风力发电、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、即使用环境苛刻的功率模块。
符号说明
10、110、210、310-功率模块用基板(接合体)，11-陶瓷基板(陶瓷部件)，12、112、212、312-电路层(Cu部件)，14、114-Cu-Sn层，17、117、317-金属间化合物层，22、122、123、222、322-Cu板(Cu部件)。

Claims (6)

1.一种接合体，由陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件通过Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合而成，其中，
在所述陶瓷部件与所述Cu部件的接合界面形成有：
位于所述陶瓷部件侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；及
位于所述Cu部件与所述Cu-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。
2.根据权利要求1所述的接合体，其中，
所述金属间化合物层形成于自所述陶瓷部件与所述Cu-Sn层的界面距离0.1μm以上100μm以下的范围内。
3.一种功率模块用基板，其中，
所述功率模块用基板由权利要求1或2所述的接合体构成，
所述功率模块用基板具备：陶瓷基板，由所述陶瓷部件构成；及电路层，在该陶瓷基板的第一面通过Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合由所述Cu部件构成的Cu板而成，
在所述陶瓷基板与所述电路层的接合界面形成有：
位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；及
位于所述电路层与所述Cu-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。
4.根据权利要求3所述的功率模块用基板，其中，
在所述陶瓷基板的第二面形成有金属层。
5.根据权利要求4所述的功率模块用基板，其中，
所述金属层在所述陶瓷基板的第二面通过Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合由Cu或Cu合金构成的Cu板而成，
在所述陶瓷基板与所述金属层的接合界面形成有：
位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；及
位于所述金属层与所述Cu-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。
6.根据权利要求4所述的功率模块用基板，其中，
所述金属层由Al或Al合金构成。
CN201480041130.8A 2013-08-26 2014-08-18 接合体及功率模块用基板 Active CN105393349B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013175001 2013-08-26
JP2013-175001 2013-08-26
JP2014145115A JP5720839B2 (ja) 2013-08-26 2014-07-15 接合体及びパワーモジュール用基板
JP2014-145115 2014-07-15
PCT/JP2014/071525 WO2015029812A1 (ja) 2013-08-26 2014-08-18 接合体及びパワーモジュール用基板

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105393349A true CN105393349A (zh) 2016-03-09
CN105393349B CN105393349B (zh) 2017-06-09

Family

ID=52586377

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480041130.8A Active CN105393349B (zh) 2013-08-26 2014-08-18 接合体及功率模块用基板

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9530717B2 (zh)
EP (1) EP3041044B1 (zh)
JP (1) JP5720839B2 (zh)
KR (1) KR101676230B1 (zh)
CN (1) CN105393349B (zh)
TW (1) TWI569914B (zh)
WO (1) WO2015029812A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111225890A (zh) * 2017-11-02 2020-06-02 三菱综合材料株式会社 接合体及绝缘电路基板
CN111225891A (zh) * 2017-10-27 2020-06-02 三菱综合材料株式会社 接合体及绝缘电路基板

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9735085B2 (en) * 2014-03-20 2017-08-15 Mitsubishi Materials Corporation Bonded body, power module substrate, power module and method for producing bonded body
KR101768330B1 (ko) * 2015-10-16 2017-08-16 주식회사 케이씨씨 세라믹 회로기판 및 이의 제조방법
KR101929613B1 (ko) * 2015-10-23 2018-12-14 주식회사 케이씨씨 세라믹 회로기판 및 이의 제조방법
JP6819299B2 (ja) * 2016-01-22 2021-01-27 三菱マテリアル株式会社 接合体、パワーモジュール用基板、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
WO2017126641A1 (ja) * 2016-01-22 2017-07-27 三菱マテリアル株式会社 接合体、パワーモジュール用基板、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
JP6645368B2 (ja) * 2016-06-23 2020-02-14 三菱マテリアル株式会社 接合体、パワーモジュール用基板、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
US10886251B2 (en) * 2017-04-21 2021-01-05 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Multi-layered composite bonding materials and power electronics assemblies incorporating the same
KR102549048B1 (ko) * 2019-03-06 2023-06-28 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 반도체 장치 및 그 제조 방법

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04295065A (ja) * 1991-03-22 1992-10-20 Murata Mfg Co Ltd セラミック−金属接合体の製造方法
JPH10102167A (ja) * 1996-09-25 1998-04-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 銅系低融点ろう材
JPH10286666A (ja) * 1997-04-11 1998-10-27 Hitachi Cable Ltd 熱交換器の製造方法
JP2001085571A (ja) * 1999-09-14 2001-03-30 Ngk Spark Plug Co Ltd 銅貼り窒化珪素回路基板
JP2008221290A (ja) * 2007-03-14 2008-09-25 Toshiba Corp 接合体および接合方法
CN101345141A (zh) * 2008-08-25 2009-01-14 倪树春 一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺
JP2013098387A (ja) * 2011-11-01 2013-05-20 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、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
CN105190869A (zh) * 2013-03-18 2015-12-23 三菱综合材料株式会社 接合体的制造方法、及功率模块用基板的制造方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0649620B2 (ja) * 1985-03-20 1994-06-29 株式会社東芝 セラミツクス部材と金属部材との接合方法
US5378294A (en) * 1989-11-17 1995-01-03 Outokumpu Oy Copper alloys to be used as brazing filler metals
JPH0970686A (ja) * 1995-09-06 1997-03-18 Hitachi Cable Ltd 銅合金ブレージングシート及びその製造方法
JP2002110875A (ja) 2000-10-04 2002-04-12 Denki Kagaku Kogyo Kk パワーモジュール
US9533379B2 (en) * 2002-08-23 2017-01-03 Lincoln Global, Inc. Phosphorous-copper base brazing alloy
AU2004256020A1 (en) 2003-05-13 2005-01-20 Johns Hopkins University Method of controlling thermal waves in reactive multilayer joining and resulting product
KR20110124372A (ko) 2004-04-05 2011-11-16 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Ａｌ／ＡｌＮ 접합체, 전력 모듈용 기판 및 전력 모듈, 그리고 Ａｌ／ＡｌＮ 접합체의 제조 방법
JP4375730B2 (ja) 2004-04-23 2009-12-02 本田技研工業株式会社 銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材及び同接合方法
JP4896742B2 (ja) 2004-12-20 2012-03-14 株式会社東芝 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器および熱電発電装置
US8273993B2 (en) 2006-03-08 2012-09-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Electronic component module
WO2008041350A1 (en) 2006-09-29 2008-04-10 Kabushiki Kaisha Toshiba Joint with first and second members with a joining layer located therebetween containing sn metal and another metallic material; methods for forming the same joint
JP2010098059A (ja) 2008-10-15 2010-04-30 Mitsubishi Materials Corp 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、緩衝層付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の製造方法
CN101987402B (zh) * 2010-11-30 2012-09-05 哈尔滨工业大学 使用Cu-Sn-Ti钎料钎焊Ti2AlC陶瓷和铜的方法
JP5821389B2 (ja) 2011-04-20 2015-11-24 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及びパワーモジュール用基板
WO2013024813A1 (ja) 2011-08-12 2013-02-21 三菱マテリアル株式会社 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
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

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04295065A (ja) * 1991-03-22 1992-10-20 Murata Mfg Co Ltd セラミック−金属接合体の製造方法
JPH10102167A (ja) * 1996-09-25 1998-04-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 銅系低融点ろう材
JPH10286666A (ja) * 1997-04-11 1998-10-27 Hitachi Cable Ltd 熱交換器の製造方法
JP2001085571A (ja) * 1999-09-14 2001-03-30 Ngk Spark Plug Co Ltd 銅貼り窒化珪素回路基板
JP2008221290A (ja) * 2007-03-14 2008-09-25 Toshiba Corp 接合体および接合方法
CN101345141A (zh) * 2008-08-25 2009-01-14 倪树春 一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺
JP2013098387A (ja) * 2011-11-01 2013-05-20 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、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
CN105190869A (zh) * 2013-03-18 2015-12-23 三菱综合材料株式会社 接合体的制造方法、及功率模块用基板的制造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111225891A (zh) * 2017-10-27 2020-06-02 三菱综合材料株式会社 接合体及绝缘电路基板
CN111225891B (zh) * 2017-10-27 2022-07-05 三菱综合材料株式会社 接合体及绝缘电路基板
CN111225890A (zh) * 2017-11-02 2020-06-02 三菱综合材料株式会社 接合体及绝缘电路基板

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015029812A1 (ja) 2015-03-05
EP3041044A4 (en) 2017-03-01
US20160276244A1 (en) 2016-09-22
KR101676230B1 (ko) 2016-11-14
TW201527032A (zh) 2015-07-16
JP2015062953A (ja) 2015-04-09
EP3041044B1 (en) 2019-01-16
EP3041044A1 (en) 2016-07-06
US9530717B2 (en) 2016-12-27
TWI569914B (zh) 2017-02-11
KR20160031497A (ko) 2016-03-22
CN105393349B (zh) 2017-06-09
JP5720839B2 (ja) 2015-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105393349A (zh) 接合体及功率模块用基板
CN105393348B (zh) 接合体及功率模块用基板
KR102459745B1 (ko) 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법
TWI623065B (zh) 接合體之製造方法及功率模組用基板之製造方法
KR102300413B1 (ko) 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법
CN105393347B (zh) 接合体及功率模块用基板
JP5672324B2 (ja) 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
CN104718616A (zh) 自带散热器的功率模块用基板、自带散热器的功率模块及自带散热器的功率模块用基板的制造方法
EP2477217A1 (en) Method for producing substrate for power module with heat sink, substrate for power module with heat sink, and power module
CN105027277A (zh) 功率模块用基板的制造方法
CN109155291B (zh) 功率模块用基板
CN104885206A (zh) 功率模块
KR102330134B1 (ko) 접합체의 제조 방법, 파워 모듈용 기판의 제조 방법
CN104885207A (zh) 功率模块
JP5828352B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板
JP2017135373A (ja) 接合体、パワーモジュール用基板、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
JP5904257B2 (ja) パワーモジュール用基板の製造方法
CN106132909A (zh) 陶瓷‑铝接合体的制造方法、功率模块用基板的制造方法以及陶瓷‑铝接合体、功率模块用基板
WO2017126641A1 (ja) 接合体、パワーモジュール用基板、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
CN102646604B (zh) 自带散热器的功率模块用基板及其制造方法以及功率模块
JP2017168509A (ja) セラミックス／アルミニウム接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板の製造方法

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