CN105452195A - Cu-陶瓷接合体、Cu-陶瓷接合体的制造方法及功率模块用基板 - Google Patents

Cu-陶瓷接合体、Cu-陶瓷接合体的制造方法及功率模块用基板 Download PDF

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Abstract

本发明的Cu-陶瓷接合体为使用含Ag及Ti的接合材料来接合由铜或铜合金构成的铜部件与由AlN或Al2O3构成的陶瓷部件的Cu-陶瓷接合体，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面形成有由Ti氮化物或Ti氧化物构成的Ti化合物层，在该Ti化合物层内分散有Ag粒子。

Description

Cu-陶瓷接合体、Cu-陶瓷接合体的制造方法及功率模块用基板
技术领域
本发明涉及一种通过将由铜或铜合金构成的铜部件与由AlN或Al2O3构成的陶瓷部件接合而成的Cu-陶瓷接合体、该Cu-陶瓷接合体的制造方法、以及由该Cu-陶瓷接合体构成的功率模块用基板。
本申请主张基于2013年9月30日于日本申请的专利申请2013-204060号的优先权，并将其内容援用于此。
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、混合动力汽车等而使用的大功率控制用功率半导体元件，其发热量较多。因此，作为搭载该种功率半导体元件的基板，例如，从前即已广泛地使用具备由AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝)等构成的陶瓷基板，以及于此陶瓷基板的一面接合导电性优异的金属板而形成的电路层的功率模块用基板。并且，作为功率模块用基板，提供一种在陶瓷基板的另一面上通过接合金属板而形成金属层的功率模块用基板。
例如于专利文献1中提出有一种功率模块用基板，该功率模块用基板中，将构成电路层及金属层的第一金属板及第二金属板作为铜板，且通过DBC法将该铜板直接接合于陶瓷基板。该DBC法通过利用铜与铜氧化物的共晶反应，在铜板与陶瓷基板的界面产生液相，且接合铜板与陶瓷基板。
并且，在专利文献2中提出有一种功率模块用基板，该功率模块用基板在陶瓷基板的一面与另一面，通过接合铜板而形成电路层及金属层。该功率模块用基板在陶瓷基板的一面及另一面夹着Ag-Cu-Ti系钎料而配置有铜板的状态下，通过进行加热处理而接合铜板(所谓的活性金属钎焊法)。在该活性金属钎焊法中使用含有活性金属的Ti的钎料，因此被熔融的钎料与陶瓷基板的润湿性提高，陶瓷基板与铜板良好地接合。
专利文献1：日本专利公开平04-162756号公报
专利文献2：日本专利第3211856号公报
然而，如专利文献1所公开，在通过DBC法接合陶瓷基板与铜板的情况下，有必要将接合温度设为1065℃以上(铜与铜氧化物的共晶点温度以上)。因此，通过DBC法进行接合时，有可能导致陶瓷基板劣化。
如专利文献2所公开，在通过活性金属钎焊法接合陶瓷基板与铜板的情况下，有必要将接合温度设为900℃的比较高的温度。因此，通过活性金属钎焊法进行接合时，存在有可能导致陶瓷基板劣化的问题。在此，若降低接合温度，则钎料无法与陶瓷基板充分反应，导致陶瓷基板与铜板的界面的接合率降低，而无法提供一种可靠性较高的功率模块用基板。
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可靠地接合有铜部件与陶瓷部件的Cu-陶瓷接合体、该Cu-陶瓷接合体的制造方法、以及由该Cu-陶瓷接合体构成的功率模块用基板。
为了解决这种课题，且达成所述目的，本发明的第一方式的Cu-陶瓷接合体，其为通过使用含Ag及Ti的接合材料来接合由铜或铜合金构成的铜部件与由AlN或Al2O3构成的陶瓷部件的Cu-陶瓷接合体，其中，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面形成有由Ti氮化物或Ti氧化物构成的Ti化合物层，且在该Ti化合物层内分散有Ag粒子。
如此构成的Cu-陶瓷接合体通过使用含Ag及Ti的接合材料来接合由铜或铜合金构成的铜部件与由AlN或Al2O3构成的陶瓷部件，具备在铜部件与陶瓷部件的接合界面形成有Ti化合物层的结构。其中，在陶瓷部件由AlN构成的情况下，在铜部件与陶瓷部件的接合界面形成有由Ti氮化物构成的Ti化合物层。并且，在陶瓷部件由Al2O3构成的情况下，在铜部件与陶瓷部件的接合界面形成有由Ti氧化物构成的Ti化合物层。这些Ti化合物层，通过接合材料的Ti与陶瓷部件中的氧或氮反应而形成。
并且，本发明的第一方式的Cu-陶瓷接合体中，在该Ti化合物层内分散有Ag粒子。推测该Ag粒子产生于在通过Ag与Al的共晶反应而产生的液相中，Ti与氮或氧反应而形成所述Ti化合物层的过程中。也即，通过在Ag与Al的共晶点温度(567℃)以上的低温条件下保持容易产生Ti化合物，可充分形成所述Ti化合物层。其结果，能够得到可靠地接合有铜部件与陶瓷部件的Cu-陶瓷接合体。
其中，本发明的第一方式的Cu-陶瓷接合体中，所述Ti化合物层中的与所述陶瓷部件的界面起至500nm为止的界面附近区域的Ag浓度可为0.3原子％以上。
在这种情况下，通过Ag粒子充分分散于Ti化合物层，Ti化合物的生成得到了促进，而充分形成Ti化合物层。其结果，铜部件与陶瓷部件坚固地接合。
并且，本发明的第一方式的Cu-陶瓷接合体中，也可以设为分散于所述Ti化合物层内的所述Ag粒子的粒径在10nm以上100nm以下的范围内的结构。
在这种情况下，分散于Ti化合物层内的Ag粒子的粒径比较微细，为10nm以上100nm以下，其生成于Ti与氮或氧反应而形成所述的Ti化合物层的过程中，由此Ti化合物的生成得到促进，且Ti化合物层能够充分地形成。其结果，能够得到铜部件与陶瓷部件被可靠地接合的Cu-陶瓷接合体。
并且，本发明的第一方式的Cu-陶瓷接合体中，也可以设为所述接合材料进一步含有Cu，且所述Ti化合物层内分散有Cu粒子的结构。
在这种情况下，接合材料除了Ag与Ti以外还含有Cu，且在Ti化合物层内分散有Cu粒子，因此在陶瓷部件的表面可充分形成Ti化合物层。其结果，能够得到铜部件与陶瓷部件被可靠地接合的Cu-陶瓷接合体。
本发明的第二方式的Cu-陶瓷接合体的制造方法，其为制造上述Cu-陶瓷接合体的方法，具备：低温保持工序，使含Ag及Ti的接合材料介于所述铜部件与所述陶瓷部件之间的状态下，保持在Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围；加热工序，在所述低温保持工序之后，加热至Ag与Cu的共晶点温度以上的温度而对所述接合材料进行熔融；以及冷却工序，在所述加热工序之后，进行冷却使被熔融的所述接合材料凝固而接合所述铜部件与所述陶瓷部件。
根据如此构成的Cu-陶瓷接合体的制造方法，具备使含Ag及Ti的接合材料介于所述铜部件与所述陶瓷部件之间的状态下，保持在Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围的低温保持工序，因此通过该低温保持工序，在铜部件与陶瓷部件的界面产生由Al与Ag的共晶反应所生成的液相。使用于该反应的Al，由构成陶瓷部件的AlN或Al2O3所供给，通过含有于接合材料的Ti与氮或氧进行反应，而在陶瓷部件的表面形成Ti化合物层。并且，在该过程中，Ag粒子被分散于Ti化合物层内。
其中，低温保持工序的保持温度为Ag与Al的共晶点温度以上，因此在铜部件与陶瓷部件的界面能够可靠地产生由Al与Ag的共晶反应所生成的液相。并且，低温保持工序的保持温度低于Ag与Cu的共晶点温度，因此Ag不会因为与Cu反应而被消耗，能够确保与Al反应的Ag。其结果，能够可靠地产生由Al与Ag的共晶反应所生成的液相。
并且，在该低温保持工序之后具备加热至Ag与Cu的共晶点温度以上的温度而对所述接合材料进行熔融的加热工序，以及进行冷却使被熔融的所述接合材料凝固而接合所述铜部件与所述陶瓷部件的冷却工序。其结果，即使使加热工序中的加热温度为低温条件，也会在充分地形成Ti化合物层的状态下对接合材料进行熔融，而能够可靠地接合陶瓷部件与铜部件。
其中，本发明的第二方式的Cu-陶瓷接合体的制造方法中，所述低温保持工序的保持时间优选在30分钟以上5小时以下的范围内。
在这种情况下，低温保持工序的保持时间为30分钟以上，因此Ti化合物层能够充分地形成，能够可靠地接合陶瓷部件与铜部件。
另一方面，低温保持工序的保持时间为5小时以下，因此能够削减能量的消耗量。
此外，本发明的第二方式的Cu-陶瓷接合体的制造方法中，所述加热工序的加热温度优选在790℃以上830℃以下的范围内。
在这种情况下，加热工序的加热温度被设定为790℃以上830℃以下的比较低的温度，因此能够减轻接合时对陶瓷部件的热负荷，且能够抑制陶瓷部件的劣化。而且，如上所述，具有低温保持工序，因此加热工序的加热温度即使为比较低的温度，也能够可靠地接合陶瓷部件与铜部件。
本发明的第三方式的功率模块用基板，其为在由AlN或Al2O3构成的陶瓷基板的一面接合由铜或铜合金构成的铜板，该功率模块用基板由上述Cu-陶瓷接合体构成。
根据该构成的功率模块用基板，其由上述Cu-陶瓷接合体构成，因此通过以低温条件接合能够减轻对陶瓷基板的热负荷，且能够抑制陶瓷基板的劣化。并且，即使在以低温条件接合的情况下，也能够可靠地接合陶瓷基板与铜板，且能够确保接合可靠性。此外，接合于陶瓷基板表面的铜板，作为电路层或金属层而被使用。
根据本发明，能够提供一种可靠地接合有铜部件与陶瓷部件的Cu-陶瓷接合体、该Cu-陶瓷接合体的制造方法、以及由该Cu-陶瓷接合体构成的功率模块用基板。
附图说明
图1为使用本发明的第1实施方式的功率模块用基板的功率模块的概略说明图。
图2为本发明的第1实施方式的功率模块用基板的电路层(铜部件)与陶瓷基板(陶瓷部件)的接合界面的示意图。
图3为表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图4为表示本发明的第1实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图5为表示低温保持工序中的Ti化合物层的形成过程的示意说明图。
图6为使用本发明的第2实施方式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2实施方式的功率模块用基板的电路层(铜部件)与陶瓷基板(陶瓷部件)的接合界面的示意图。
图8为表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图9为表示本发明的第2实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图10为表示低温保持工序中的Ti化合物层的形成过程的示意说明图。
图11为本发明的第3实施方式的功率模块用基板的概略说明图。
图12为本发明的第3实施方式的功率模块用基板的电路层(铜部件)与陶瓷基板(陶瓷部件)的接合界面的示意图。
图13为表示本发明的第3实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。
图14为表示本发明的第3实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
图15为表示低温保持工序中的Ti化合物层的形成过程的示意说明图。
图16为本发明例1的Cu-陶瓷接合体的剖面的反射电子图像。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
首先，结合图1至图5对本发明的第1实施方式进行说明。
本实施方式的Cu-陶瓷接合体，具备功率模块用基板10，该功率模块用基板通过接合作为陶瓷部件的陶瓷基板11与作为铜部件的铜板22(电路层12)而构成。
在图1中示出本发明的第1实施方式的功率模块用基板10及使用该功率模块用基板10的功率模块1。
该功率模块1具备：功率模块用基板10，在该功率模块用基板10的一侧(图1中的上侧)经由焊锡层2接合的半导体元件3，配置于功率模块用基板10的另一侧(图1中的下侧)的散热器51。
其中，焊锡层2例如为Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊锡材。
功率模块用基板10具备：陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一面(图1中的上表面)的电路层12、配设于陶瓷基板11的另一面(图1中的下表面)的金属层13。
陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，在本实施方式中，以绝缘性高的AlN(氮化铝)构成。其中，陶瓷基板11的厚度被设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中被设定为0.635mm。
如图4所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一面接合铜或铜合金构成的铜板22而形成。在本实施方式中，作为构成电路层12的铜板22，使用无氧铜的轧制板。在该电路层12中形成有电路图案，在其一面(图1中的上表面)为搭载有半导体元件3的搭载面。其中，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。
如图4所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一面接合铝板23而形成。在本实施方式中，金属层13通过在陶瓷基板11接合纯度99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)的轧制板构成的铝板23而形成。
并且，该铝板23的0.2％屈服强度为30N/mm2以下。其中，金属层13(铝板23)的厚度被设定在0.5mm以上6mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为2.0mm。
散热器51用于冷却所述功率模块用基板10，具备与功率模块用基板10接合的顶板部52及用于流通冷却介质(例如冷却水)的流路53。散热器51(顶板部52)，优选以热传导性良好的材质来构成，在本实施方式中以A6063(铝合金)构成。
在本实施方式中，该散热器51(顶板部52)通过钎焊直接接合于功率模块用基板10的金属层13。
其中，如图4所示，陶瓷基板11与电路层12(铜板22)使用Ag-Cu-Ti系钎料24而接合。
接着，如图2所示，在陶瓷基板11与电路层12(铜板22)的接合界面形成有由TiN(氮化钛)构成的Ti化合物层31与Ag-Cu共晶层32。并且，优选所述Ag-Cu-Ti系钎料24的Cu含量为18质量％以上34质量％以下，Ti含量为0.3质量％以上7质量％以下，但是并不限定于此。此外，在本实施方式中，作为Ag-Cu-Ti系钎料24使用箔材，厚度设定在3μm以上50μm以下的范围内即可。
并且，在该Ti化合物层31内分散有Ag粒子35。
Ag粒子35多分布于Ti化合物层31的陶瓷基板11侧，由Ti化合物层31中的从与陶瓷基板11的界面起直到500nm为止的界面附近区域31A的Ag浓度为0.3原子％以上，优选为0.3原子％以上15原子％以下的范围内。并且，在本实施方式中，在Ti化合物层31内观察到的Ag粒子35的90％以上，分布于上述界面附近区域31A。并且，分布于所述界面附近区域31A的Ag粒子35的进一步优选的比例为95％以上，上限值为100％，但是并不限定于此。
此外，在本实施方式中，分散于Ti化合物层31内的Ag粒子35的粒径在10nm以上100nm以下的范围内。并且，所述Ag粒子35的粒径也可以设定在10nm以上50nm以下的范围内。
并且在本实施方式中，在该Ti化合物层31中除了Ag粒子35以外还分散有Cu粒子36。
其次，结合图3至图5，对上述本实施方式的功率模块用基板10的制造方法进行说明。
如图3及图4所示，接合成为电路层12的铜板22与陶瓷基板11(铜板接合工序S01)。在本实施方式的铜板接合工序S01中，通过Ag-Cu-Ti系钎料24接合由无氧铜的轧制板构成的铜板22与AlN构成的陶瓷基板11。针对该铜板接合工序S01，将于稍后详述。
其次，在陶瓷基板11的另一面，接合成为金属层13的铝板23(铝板接合工序S02)。
在铝板接合工序S02中，经由钎料25层叠陶瓷基板11与铝板23，加压于层叠方向的同时装入真空炉内进行钎焊。由此，接合陶瓷基板11与铝板23。此时，作为钎料25，例如可以使用Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选为600～650℃。
由此，制造本实施方式的功率模块用基板10。
其次，在功率模块用基板10的金属层13的另一面(图1中的下侧)接合散热器51(散热器接合工序S03)。
在散热器接合工序S03中，经由钎料26层叠功率模块用基板10与散热器51，且加压于层叠方向的同时装入真空炉内进行焊接。由此，接合功率模块用基板10的金属层13与散热器51的顶板部52。此时，作为钎料26，例如可以使用厚度20～110μm的Al-Si系钎料箔。钎焊温度优选设定为比铝接合工序S02的焊接温度更低的温度。
接着，在功率模块用基板10的电路层12的一面，通过钎焊而接合半导体元件3(半导体元件搭载工序S04)。
通过以上的工序，制造出图1所示的功率模块1。
其中，针对成为本实施方式的Cu-陶瓷接合体的制造方法的铜板接合工序S01详细说明。
在铜板接合工序S01中，首先在陶瓷基板11的一面经由Ag-Cu-Ti系钎料24层叠成为电路层12的铜板22(层叠工序S11)。
其次，对陶瓷基板11及铜板22在层叠方向以0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)的范围内加压的状态下，将这些装入真空或氩气气氛的加热炉内进行加热而保持(低温保持工序S12)。其中，低温保持工序S12的保持温度为Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点的温度范围，具体而言为570℃以上770℃以下的范围。并且，低温保持工序S12的保持时间为30分钟以上5小时以下的范围内。并且，低温保持工序S12的保持温度优选为590℃以上750℃以下的范围内。此外，低温保持工序S12的保持时间优选为60分钟以上3小时以下的范围内。
在该低温保持工序S12中，由于保持在Ag与Al的共晶点温度以上的温度，因此如图5所示，Ag-Cu-Ti系钎料24中的Ag与由AlN构成的陶瓷基板11和Ti的反应所产生的Al进行共晶反应而产生液相38。在该液相38中，Ag-Cu-Ti系钎料24中的Ti与陶瓷基板11中的N(氮)反应产生TiN。由此，以陶瓷基板11的表面被侵蚀的形式，形成由TiN构成的Ti化合物层31。
低温保持工序S12之后，对铜板22与陶瓷基板11加压的状态下，将这些在真空气氛的加热炉内进行加热，对Ag-Cu-Ti系钎料24进行熔融(加热工序S13)。其中，加热工序S13的加热温度为Ag与Cu的共晶点温度以上，具体而言在790℃以上830℃以下的范围。此外，加热工序S13的保持时间在5分钟以上60分钟以下的范围内。并且，加热工序S13的加热温度优选在800℃以上820℃以下的范围内。此外，加热工序S13的保持时间优选在10分钟以上30分钟以下的范围内。
接着，通过在加热工序S13之后进行冷却，使被熔融的Ag-Cu-Ti系钎料24凝固(冷却工序S14)。并且，对该冷却工序S14的冷却速度并未特别限定，但优选在2℃/min以上10℃/min以下的范围内。
如此，在铜板接合工序S01由层叠工序S11、低温保持工序S12、加热工序S13、冷却工序S14构成，接合作为陶瓷部件的陶瓷基板11与作为铜部件的铜板22。
并且，由TiN构成的Ti化合物层31内分散有Ag粒子35及Cu粒子36。
根据如以上构成的本实施方式的Cu-陶瓷接合体(功率模块用基板10)，使用Ag-Cu-Ti系钎料24来接合无氧铜构成的铜板22(电路层12)与AlN构成的陶瓷基板11，且在陶瓷基板11的接合界面形成有由TiN构成的Ti化合物层31，在该Ti化合物层31内分散有Ag粒子35及Cu粒子36，因此在接合时Ti化合物层31可充分形成。其结果，能够得到可靠地接合有铜板22(电路层12)与陶瓷基板11的功率模块用基板10。
并且，在本实施方式中，Ti化合物层31中的上述界面附近区域31A的Ag浓度为0.3原子％以上，因此在陶瓷基板11的接合界面可充分地形成Ti化合物层31。其结果，铜板22(电路层12)与陶瓷基板11坚固地接合。
并且，在本实施方式中，分散于Ti化合物层31内的Ag粒子35的粒径比较微细，在10nm以上100nm以下的范围内，推测为形成于Ti与N反应而形成所述Ti化合物层31的过程中。因此，在陶瓷基板11的界面上充分地形成有Ti化合物层31，能够得到可靠地接合有铜板22(电路层12)与陶瓷基板11的功率模块用基板10。
此外，在本实施方式中，铜板接合工序S01具备：层叠工序S11，将铜板22与陶瓷基板11经由Ag-Cu-Ti系钎料24进行层叠；低温保持工序S12，在将所层叠的铜板22与陶瓷基板11按压于层叠方向的状态下，保持在Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围内；加热工序S13，在低温保持工序S12之后，加热至Ag与Cu的共晶点温度以上而对Ag-Cu-Ti系钎料24进行熔融；以及冷却工序S14，在加热工序S13之后，通过进行冷却使被熔融的Ag-Cu-Ti系钎料24凝固。因此，能够可靠地接合铜板22与陶瓷基板11。
也即，保持在Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围内的低温保持工序S12会在铜板22与陶瓷基板11的界面产生由Al与Ag的共晶反应所生成的液相38。在该液相38中，通过Ti与N反应，而在陶瓷基板11的界面形成Ti化合物层31。并且，在该过程中，Ag粒子35分散于Ti化合物层31内。由此，即使把加热工序S13的加热温度设定为比较低的温度的情况下，也能够可靠地接合铜板22与陶瓷基板11。
其中，在本实施方式中，低温保持工序S12的保持温度为Ag与Al的共晶点温度以上，具体而言为570℃以上。因此，能够在铜板22与陶瓷基板11的界面可靠地产生由Al与Ag的共晶反应所生成的液相38。
并且，低温保持工序S12的保持温度低于Ag与Cu的共晶点温度，具体而言低于770℃，因此Ag不会因为与Cu反应而被消耗，能够确保与Al反应的Ag。其结果，能够可靠地产生由Al与Ag的共晶反应所生成的液相38。
此外，在本实施方式中，低温保持工序S12的保持时间为30分钟以上，因此可充分的形成由TiN构成的Ti化合物层31，即使在将加热工序S13的加热温度设定为比较低的温度的情况下，也能够可靠地接合铜板22与陶瓷基板11。并且，低温保持工序S12的保持时间为5小时以下，因此能够削减能量的消耗量。
并且，在本实施方式中，加热工序S13的加热温度设定为790℃以上830℃以下的范围内、为比较低的温度，因此能够减轻接合时对陶瓷基板11的热负荷，且能够抑制陶瓷基板11的劣化。此外，如上所述，具有低温保持工序S12，因此加热工序S13的加热温度即使为比较低的温度，也能够可靠地接合陶瓷基板11与铜板22。
(第二实施方式)
其次，结合图6至图10对本发明的第2实施方式进行说明。
本实施方式的Cu-陶瓷接合体，具备通过接合作为陶瓷部件的陶瓷基板111与作为铜部件的铜板122(电路层112)及铜板123(金属层113)而构成的功率模块用基板110。
图6中示出本发明的第2实施方式的功率模块用基板110及使用该功率模块用基板110的功率模块101。
该功率模块101具备功率模块用基板110、在该功率模块用基板110的一侧(图6中的上侧)经由第1焊锡层102接合的半导体元件103、配置于功率模块用基板110的另一侧(图6中的下侧)的散热器151。
功率模块用基板110具备陶瓷基板111、配设于该陶瓷基板111的一面(图6中的上表面)的电路层112、配设于陶瓷基板111的另一面(图6中的下表面)的金属层113。
陶瓷基板111防止电路层112与金属层113之间的电连接，在本实施方式中，以绝缘性较高的Al2O3(氧化铝)构成。其中，陶瓷基板111的厚度被设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中被设定为0.635mm。
如图9所示，电路层112通过在陶瓷基板111的一面接合由铜或铜合金构成的铜板122而形成。在本实施方式中，作为构成电路层112的铜板122，使用韧铜的轧制板。在该电路层112上形成有电路图案，其一面(图6中的上表面)作为搭载有半导体元件103的搭载面。其中，电路层112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。
如图9所示，金属层113通过在陶瓷基板111的另一面接合由铜或铜合金构成的铜板123而形成。在本实施方式中，作为构成金属层113的铜板123，使用韧铜的轧制板。其中，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。
散热器151用于冷却所述功率模块用基板110，该散热器151由与功率模块用基板110接合的散热板152、以及被层叠配置于该散热板152的制冷机153构成。
散热板152将来自所述功率模块用基板110的热扩散于面方向，由热传导性优异的铜或铜合金构成。并且，散热板152与功率模块用基板110的金属层113经由第2焊锡层108而接合。
如图6所示，制冷机153具备用于流通冷却介质(例如冷却水)的流路154。制冷机153优选由热传导性良好的材质来构成，在本实施方式中由A6063(铝合金)构成。
并且，如图6所示，散热板152与制冷机153经由润滑脂层(未图示)以固定螺丝156锁紧。
其中，如图9所示，陶瓷基板111与电路层112(铜板122)，及陶瓷基板111与金属层113(铜板123)使用Ag-Ti系钎料124而接合。
如图7所示，在该陶瓷基板111与电路层112(铜板122)的接合界面，以及陶瓷基板111与金属层113(铜板123)的接合界面形成有由TiO2(氧化钛)构成的Ti化合物层131和Ag-Cu共晶层132。并且，优选上述Ag-Ti系钎料124的Ti含量为0.4质量％以上75质量％以下，但并不限定于此。此外，在本实施方式中，作为Ag-Ti系钎料124使用箔材，厚度优选设定在3μm以上25μm以下的范围内。
并且，在该Ti化合物层131内分散有Ag粒子135。
Ag粒子135多分布于Ti化合物层131的陶瓷基板111侧，Ti化合物层131中的从与陶瓷基板111的界面起直到500nm为止的界面附近区域131A的Ag浓度为0.3原子％以上，优选在0.3原子％以上15原子％以下的范围内。并且，在本实施方式中，在Ti化合物层131内观察到的Ag粒子135的90％以上分布于上述界面附近区域131A。并且，分布于上述界面附近区域131A的Ag粒子135的优选比例为95％以上，上限值为100％，但是并不限定于此。
此外，在本实施方式中，分散于Ti化合物层131内的Ag粒子135的粒径在10nm以上100nm以下的范围内。并且，Ag粒子135的粒径也可以设定在10nm以上50nm以下的范围内。
其次，结合图8至图10，对上述本实施方式的功率模块用基板110的制造方法进行说明。
如图8及图9所示，接合成为电路层112的铜板122与陶瓷基板111，以及成为金属层113的铜板123与陶瓷基板111(铜板接合工序S101)。在本实施方式中，通过Ag-Ti系钎料124接合由韧铜的轧制板构成的铜板122、123与由Al2O3构成的陶瓷基板111。针对该铜板接合工序S101，将于稍后详述。
通过该铜板接合工序S101，制造本实施方式的功率模块用基板110。
其次，在功率模块用基板110的金属层113的另一面(图6的下侧)接合散热板152(散热板接合工序S102)。
将功率模块用基板110与散热板152经由焊锡材层叠而装入加热炉，且焊锡接合功率模块用基板110与散热板152。
其次，在散热板152的另一面(图6的下侧)配设制冷机153(制冷机配设工序S103)。
散热板152与制冷机153之间涂布润滑脂(未图示)，以固定螺丝156连结散热板152与制冷机153。
其次，在功率模块用基板110的电路层112的一面，通过钎焊接合半导体元件103(半导体元件搭载工序S104)。
通过以上的工序，制造出图6所示的功率模块101。
其中，针对成为本实施方式的Cu-陶瓷接合体的制造方法的铜板接合工序S101进行详细说明。
在铜板接合工序S101中，首先在陶瓷基板111的一面经由Ag-Ti系钎料124层叠成为电路层112的铜板122，同时在陶瓷基板111的另一面经由Ag-Ti系钎料124层叠成为金属层113的铜板123(层叠工序S111)。
其次，对铜板122、陶瓷基板111及铜板123在层叠方向以0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)的范围内加压的状态下，将这些装入真空或氩气气氛的加热炉内进行加热而保持(低温保持工序S112)。其中，低温保持工序S112的保持温度为Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围，具体而言在570℃以上770℃以下的范围。此外，低温保持工序S112的保持时间在30分钟以上5小时以下的范围内。并且，低温保持工序S112的保持温度优选在590℃以上750℃以下的范围内。此外，低温保持工序S112的保持时间优选在60分钟以上3小时以下的范围内。
在该低温保持工序S112中，由于保持在Ag与Al的共晶点温度以上的温度，如图10所示，Ag-Ti系钎料124中的Ag，与由Al2O3构成的陶瓷基板111与Ti的反应所产生的Al进行共晶反应而产生液相138。在该液相138中，Ag-Ti系钎料124中的Ti与陶瓷基板111中的O(氧)反应而产生TiO2。由此，以陶瓷基板111的表面被侵蚀的形式，形成由TiO2构成的Ti化合物层131。
低温保持工序S112之后，在对铜板122、陶瓷基板111及铜板123进行加压的状态下，将这些在真空气氛的加热炉内进行加热，对Ag-Ti系钎料124进行熔融(加热工序S113)。此时，由铜板122、123向Ag-Ti系钎料124供给Cu，通过Ag与Cu的共晶反应融点降低，Ag-Ti系钎料124的熔融得到促进。其中，加热工序S113的加热温度为Ag与Cu的共晶点温度以上，具体而言在790℃以上830℃以下的范围。此外，加热工序S113的保持时间在5分钟以上60分钟以下的范围内。并且，加热工序S113的加热温度优选在800℃以上820℃以下的范围内。此外，加热工序S113的保持时间优选在10分钟以上30分钟以下的范围内。
接着，通过在加热工序S113之后进行冷却，使被熔融的Ag-Ti系钎料124凝固(冷却工序S114)。并且，对该冷却工序S114的冷却速度虽无特别限定，但优选在2℃/min以上10℃/min以下的范围内。
如此，铜板接合工序S101由层叠工序S111、低温保持工序S112、加热工序S113、冷却工序S114构成，接合陶瓷部件的陶瓷基板111与铜部件的铜板122、123。
并且，由TiO2构成的Ti化合物层131内分散有Ag粒子135。
根据如上构成的本实施方式的Cu-陶瓷接合体(功率模块用基板110)，使用Ag-Ti系钎料124来接合由韧铜构成的铜板122(电路层112)及铜板123(金属层113)与由Al2O3构成的陶瓷基板111，且在陶瓷基板111的接合界面形成有由TiO2构成的Ti化合物层131。在该Ti化合物层131内分散有Ag粒子135，因此在接合时Ti化合物层131可充分地形成。其结果，能够得到可靠地接合有铜板122(电路层112)及铜板123(金属层113)与陶瓷基板111的功率模块用基板110。
并且，在本实施方式中，铜板接合工序S101具备：层叠工序S111，将铜板122,123与陶瓷基板111经由Ag-Ti系钎料124进行层叠；低温保持工序S112，在将层叠的铜板122、123与陶瓷基板111按压于层叠方向的状态下，保持在Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围内；加热工序S113，在低温保持工序S112之后，加热至Ag与Cu的共晶点温度以上，对Ag-Ti系钎料124进行熔融；以及冷却工序S114，加热工序S113之后，通过进行冷却使被熔融的Ag-Ti系钎料124凝固。其结果，能够可靠地接合铜板122、123与陶瓷基板111。
也即，在低温保持工序S112中，在铜板122、123与陶瓷基板111的界面产生由Al与Ag的共晶反应所生成的液相138，在该液相138中通过Ti与O反应，在陶瓷基板111的界面形成Ti化合物层131。并且，在该过程中，Ag粒子135分散于Ti化合物层131内。由此，即使把加热工序S113的加热温度设定为比较低的温度的情况下，也能够可靠地接合铜板122、123与陶瓷基板111。
其中，在本实施方式中，加热工序S113的加热温度设定在790℃以上830℃以下的范围内、为比较低的温度，因此能够减轻接合时对陶瓷基板111的热负荷，且能够抑制陶瓷基板111的劣化。此外，如上所述，具有低温保持工序S112，因此加热工序S113的加热温度即使为比较低的温度，也能够可靠地接合陶瓷基板111与铜板122、123。
(第三实施方式)
其次，结合图11至图15对本发明的第3实施方式进行说明。
本实施方式的Cu-陶瓷接合体中，如图11所示，具备功率模块用基板210，该功率模块用基板210通过接合作为陶瓷部件的陶瓷基板211、作为铜部件的铜板222(电路层212)而构成。
陶瓷基板211，由绝缘性较高的Al2O3(氧化铝)构成，其结构与第2实施方式相同。
如图14所示，电路层212通过在陶瓷基板211的一面接合由铜或铜合金构成的铜板222而形成，其结构与第2实施方式相同。
其中，如图14所示，使用Ag-Ti系钎料膏224来接合陶瓷基板211与电路层212(铜板222)。
如图12所示，在该陶瓷基板211与电路层212(铜板222)的接合界面形成有由TiO2(氧化钛)构成的Ti化合物层231与Ag-Cu共晶层232。
并且，在该Ti化合物层231内分散有Ag粒子235。
Ag粒子235多分布于Ti化合物层231的陶瓷基板211侧，Ti化合物层231中的从与陶瓷基板211的界面起直到500nm为止的界面附近区域231A的Ag浓度为0.3原子％以上，优选在0.3原子％以上15原子％以下的范围内。并且，本实施方式中，在Ti化合物层231内观察到的Ag粒子235的90％以上分布于所述的界面附近区域231A。并且，分布于所述界面附近区域231A的Ag粒子235的优选比例为95％以上，上限值为100％，但并不限定于此。
并且，本实施方式中，分散于Ti化合物层231内的Ag粒子235的粒径在10nm以上100nm以下的范围内。并且，Ag粒子235的粒径也可以设定在10nm以上50nm以下的范围内。
其次，结合图13至图15，对上述本实施方式的功率模块用基板210的制造方法进行说明。
首先，在陶瓷基板211的一面，通过网版印刷涂布Ag-Ti系钎料膏224(钎料膏涂布工序S211)。并且，Ag-Ti系钎料膏224的厚度在干燥后为20μm以上300μm以下。
其中，Ag-Ti系钎料膏224含有，含Ag与Ti的粉末成分、树脂、溶剂、分散剂、增塑剂、还原剂。
在本实施方式中，粉末成分的含量为Ag-Ti系钎料膏224全体的40质量％以上90质量％以下。此外，在本实施方式中，Ag-Ti系钎料膏224的粘度为10Pa·s以上500Pa·s以下，进一步优选为调整成50Pa·s以上300Pa·s以下。
粉末成分的组成中，Ti含量为0.4质量％以上75质量％以下，剩余部分为Ag及不可避免的杂质。在本实施方式中，含10质量％的Ti，剩余部分为Ag及不可避免的杂质。
此外，在本实施方式中，作为含Ag与Ti的粉末成分使用Ag与Ti的合金粉末。该合金粉末通过喷雾法制作，通过将所制作的合金粉末进行过筛，将粒径设定为40μm以下，优选为20μm以下，进一步优选为10μm以下。
其次，在陶瓷基板211的一面层叠成为电路层212的铜板222(层叠工序S212)。
进而，在对铜板222及陶瓷基板211在层叠方向以在0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)的范围内进行加压的状态下，将这些装入真空或氩气气氛的加热炉内进行加热而保持(低温保持工序S213)。其中，低温保持工序S213的保持温度为Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围，具体而言在570℃以上770℃以下的范围。此外，低温保持工序S213的保持时间在30分钟以上5小时以下的范围内。并且，低温保持工序S213的保持温度优选在590℃以上750℃以下的范围内。此外，低温保持工序S213的保持时间优选在60分钟以上3小时以下的范围内。
在该低温保持工序S213中，由于保持在Ag与Al的共晶点温度以上的温度，如图15所示，Ag-Ti系钎料膏224中的Ag与由Al2O3构成的陶瓷基板211与Ti的反应所产生的Al进行共晶反应而产生液相238。在该液相238中，Ag-Ti系钎料膏224中的Ti与陶瓷基板211中的O(氧)反应而产生TiO2。由此，以陶瓷基板211的表面被侵蚀的形式，形成由TiO2构成的Ti化合物层231。
低温保持工序S213之后，在对铜板222及陶瓷基板211加压的状态下，将这些在真空气氛的加热炉内加热，且对Ag-Ti系钎料膏224进行熔融(加热工序S214)。此时，由铜板222向Ag-Ti系钎料膏224供给Cu，通过Ag与Cu的共晶反应融点降低，Ag-Ti系钎料膏224的熔融得到促进。其中，加热工序S214的加热温度为Ag与Cu的共晶点温度以上，具体而言在790℃以上830℃以下的范围。此外，加热工序S214的保持时间在5分钟以上60分钟以下的范围内。并且，加热工序S214的加热温度优选在800℃以上820℃以下的范围内。此外，加热工序S214的保持时间优选在10分钟以上30分钟以下的范围内。
接着，通过在加热工序S214之后进行冷却，使被熔融的Ag-Ti系钎料膏224凝固(冷却工序S215)。并且，对该冷却工序S215的冷却速度虽无特别限定，但优选在2℃/min以上10℃/min以下的范围内。
由此，接合作为陶瓷部件的陶瓷基板211与作为铜部件的铜基板222，制造本实施方式的功率模块用基板210。
并且，在由TiO2构成的Ti化合物层231内分散有Ag粒子235。
根据如上构成的本实施方式的Cu-陶瓷接合体(功率模块用基板210)，能够发挥与第2实施方式相同的作用效果。
此外，在本实施方式中具备：钎料膏涂布工序S211，将Ag-Ti系钎料膏224涂布于陶瓷基板211的一面；层叠工序S212，将铜板222与陶瓷基板211经由所涂布的Ag-Ti系钎料膏224进行层叠；低温保持工序S213，在将层叠的铜板222与陶瓷基板211按压于层叠方向的状态下，保持在Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围；加热工序S214，在低温保持工序S213后，加热至Ag与Cu的共晶点温度以上且对Ag-Ti系钎料膏224进行熔融；以及冷却工序S215，加热工序S214之后，通过进行冷却使被熔融的Ag-Ti系钎料膏224凝固。其结果，能够可靠地接合铜板222与陶瓷基板211。
也即，在低温保持工序S213中，在铜板222与陶瓷基板211的界面产生由Al与Ag的共晶反应所生成的液相238，在该液相238中Ti与O反应，由此在陶瓷基板211的界面形成Ti化合物层231。并且，在该过程中，Ag粒子235分散于Ti化合物层231内。由此，即使将加热工序S214的加热温度设定为比较低的温度的情况下，也能够可靠地接合铜板222与陶瓷基板211。
其中，在本实施方式中，加热工序S214的加热温度设定在790℃以上830℃以下的范围内、为比较低的温度，因此能够减轻接合时对陶瓷基板211的热负荷，且能够抑制陶瓷基板211的劣化。并且，如上所述，具有低温保持工序S213，因此加热工序S214的加热温度即使为比较低的温度，也能够可靠地接合陶瓷基板211与铜板222。
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可以适当地进行变更。
例如，将构成电路层或金属层的铜板作为无氧铜或韧铜的轧制板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由其他铜或铜合金构成。
此外，在第1实施方式中，将构成金属层的铝板作为以纯度99.99质量％的纯铝的轧制板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可为纯度99质量％的铝(2N铝)等，其他的铝或者铝合金来构成。
并且，在本实施方式中，对界面附近区域的Ag浓度以0.3原子％以上的情况进行了说明，但并不限定于此。
此外，在本实施方式中，对分散于Ti化合物层的Ag粒子的粒径在10nm以上100nm以下的范围内的情况进行了说明，但也可分散有该范围以外的尺寸的Ag粒子。
进而，散热器或散热板并不限定于本实施方式中所例示的散热器或散热板，且对散热器的结构没有特别限定。
此外散热器的顶板部或散热板与金属层之间，可以设有铝或铝合金或者含铝的复合材料(例如AlSiC等)构成的缓冲层。
进而，在第3实施方式中，对使用Ag-Ti系钎料膏接合陶瓷基板与铜板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可使用Ag-Cu-Ti系钎料膏。在这种情况下，在第3实施方式中具有与第1实施方式相同的界面结构。
此外，对将Ag-Ti系钎料膏涂布于陶瓷基板的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以在铜板上涂布Ag-Ti系钎料膏。
并且，对将Ag-Ti系钎料膏通过网版印刷来涂布的情况进行了说明，但对涂布方法并未限定。
此外，层叠工序(S212)之前，可以设定进行干燥Ag-Ti系钎料膏的干燥的工序。
并且，在第3实施方式中，作为包含Ag及Ti的粉末成分，使用Ag与Ti的合金粉末，但并不限定于此，也可使用Ag粉末与Ti粉末的混合粉末。在这种情况下，所使用的Ag粉末的粒径为40μm以下，优选为20μm以下，进一步优选为10μm以下。
此外，代替Ti粉末可以使用TiH2粉末。在使用TiH2粉末的情况下，粉末成分的组成中优选TiH2含量为0.4质量％以上50质量％以下，剩余部分为Ag及不可避免的杂质。所使用的TiH2粉末的粒径优选为15μm以下，进一步优选为5μm以下。此外，在使用TiH2粉末膏的情况下，涂布的膏的厚度在干燥后优选为20μm以上300μm以下。
并且，可以使用由Ag粉末、Cu粉末、Ti粉末或者TiH2粉末的混合粉末所构成的膏。
此外，记载于所述实施方式的Ag-Cu-Ti系或Ag-Ti系钎料中可以添加选自In、Sn、Al、Mn及Zn的一种或两种以上的元素。在这种情况下，可以使接合温度进一步降低。
进而，作为Ag-Ti系钎料膏，可以使用Ti与选自In、Sn、Al、Mn及Zn的一种或两种以上的元素，剩余部分为Ag及不可避免的杂质所构成的膏。在这种情况下，可以使接合温度进一步降低。
此外，在第2实施方式中，代替Ag-Ti系钎料的箔，也可以使用第3实施方式中所记载的Ag-Ti系钎料膏。
实施例
以下，对为了确认本发明的实施方式的有效性进行的确认实验的结果进行说明。
使用表1所示的陶瓷基板、钎料、铜板形成Cu-陶瓷接合体。详细而言，在40mm见方且厚度0.635mm的陶瓷基板的单面，使用厚度20μm的含Ag及Ti的钎料箔，以表1所示的条件，接合38mm见方的厚度0.6mm的铜板，形成了Cu-陶瓷接合体。此外，作为钎料，在Ag-Cu-Ti的情况下，使用Ag-28质量％Cu-3质量％Ti的钎料，在Ag-Ti的情况下，使用Ag-10质量％Ti的钎料。此外，朝向层叠方向的加压力(荷载)为1.5kgf/cm2。
并且，使用表2所示的陶瓷基板、钎料、铜板形成Cu-陶瓷接合体。详细而言，在40mm见方且厚度0.635mm的陶瓷基板的单面，使用含Ag及Ti的钎料膏，以表2所示的条件，接合38mm见方的厚度0.6mm的铜板，形成了Cu-陶瓷接合体。此外，朝向层叠方向的加压力(荷载)为1.5kgf/cm2。
并且作为钎料膏，在Ag-Cu-Ti的情况下，使其为粉末成分的组成含有Ag-28质量％Cu-3质量％Ti的钎料粉末(粒径20μm)、丙烯酸系树脂、及成膜助剂的膏，涂布厚度为表2所记载的值。
在Ag-Ti的情况下，使用粉末成分的组成含有Ag-10质量％Ti的钎料粉末(粒径20μm)、丙烯酸系树脂、及成膜助剂的膏，涂布厚度为表2所记载的值。
在Ag-TiH2的情况下，使用含有Ag粉末(粒径5μm)与TiH2粉末(粒径5μm)所构成的混合粉末、丙烯酸系树脂、及成膜助剂的膏。混合粉末的组成为TiH2：20质量％，剩余部分：Ag及不可避免的杂质，涂布厚度为表2所记载的值。
在Ag-Cu-TiH2的情况下，使用含有Ag粉末(粒径5μm)与Cu粉末(粒径2.5μm)与TiH2粉末(粒径5μm)所构成的混合粉末、丙烯酸系树脂、及成膜助剂的膏。混合粉末的组成为Cu：27质量％，TiH2：3质量％，剩余部分：Ag及不可避免的杂质，涂布厚度为表2所记载的值。
并且，在本实施例中，涂布膏后在150℃进行干燥。表2所记载的涂布厚度为干燥后的值。
针对如此进行所得到的Cu-陶瓷接合体，对Ti化合物层中有无Ag粒子及Cu粒子、Ti化合物层中的界面附近区域的Ag浓度、铜板与陶瓷基板的接合率进行了评价。
(Ti化合物层中有无Ag粒子及Cu粒子)
使用扫描型电子显微镜(CarlZeissNTS公司制造的ULTRA55)以倍率15000倍(测定范围：6μm×8μm)，视场数5来观察铜板与陶瓷基板的接合界面，并确认Ti化合物层中有无Ag粒子及Cu粒子。
(Ti化合物层中的界面附近区域的Ag浓度)
使用能量分散型X射线检测仪(ThermoFisherScientific公司制造的SDD检测仪及NortonSystemSix)，对铜板与陶瓷基板的接合界面(平行于层叠方向的剖面)进行线分析，测定Ti化合物层中的界面附近区域的Ag浓度。
(接合率)
针对铜板与陶瓷基板的接合率，使用超声波探伤装置(HitachiPowerSolutions公司制造的FineSAT200)用以下公式求出。其中，所谓初期接合面积为接合前的应接合的面积也即铜板的面积(38mm见方)。在将超声波探伤图像进行二值化处理之后的图像中，剥离以接合部内的白色部来表示，因此该白色部的面积为剥离面积。
(接合率)＝{(初期接合面积)-(剥离面积)}/(初期接合面积)×100
将结果示出于表3、4。并且，本发明例1的反射电子图像示出于图16。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
在现有例1中，在由AlN构成的陶瓷基板上使用Ag-Cu-Ti钎料接合由OFC构成的铜板时，未实施在Ag与Al的共晶点温度以上且Ag与Cu的共晶点温度以下的温度范围进行保持的低温保持工序。在这种的现有例1中，陶瓷基板与铜板的界面确认到由TiN构成的Ti化合物层，但在该Ti化合物层的内部未确认到Ag粒子、Cu粒子。此外，陶瓷基板与Ti化合物层的界面附近区域的Ag浓度也为0.00at％。在这种的现有例1中，接合率为83.7％。
相对于此，在本发明例2-7中，在由AlN构成的陶瓷基板上使用Ag-Cu-Ti钎料接合由OFC构成的铜板时，实施在Ag与Al的共晶点温度以上且Ag与Cu的共晶点温度以下的温度范围进行保持的低温保持工序。在这种本发明例2～7中，在陶瓷基板与铜板的界面确认到由TiN构成的Ti化合物层，在该Ti化合物层的内部观察到Ag粒子、Cu粒子。此外，陶瓷基板与Ti化合物层的界面附近区域的Ag浓度为0.15～12.28at％。在这种本发明例2～7中，接合率为92.1～97.6％，与现有例相比确认到接合率得到提高。
此外，在本发明例1、8中，在由AlN构成的陶瓷基板上使用Ag-Ti钎料接合由TPC或OFC构成的铜板时，实施在Ag与Al的共晶点温度以上且Ag与Cu的共晶点温度以下的温度范围进行保持的低温保持工序。在这种本发明例1、8中，陶瓷基板与铜板的界面确认到由TiN构成的Ti化合物层，在该Ti化合物层的内部观察到Ag粒子。并且，陶瓷基板与Ti化合物层的界面附近区域的Ag浓度为0.13at％、10.56at％。在这种本发明例1、8中，接合率为93.3％、98.0％，与现有例相比确认到接合率得到提高。
并且，在本发明例9、10、13～16中，在由Al2O3构成的陶瓷基板上使用Ag-Ti钎料接合由OFC构成的铜板时，实施在Ag与Al的共晶点温度以上且Ag与Cu的共晶点温度以下的温度范围进行保持的低温保持工序。在这种本发明例9、10、13～16中，陶瓷基板与铜板的界面确认到由TiO2构成的Ti化合物层，在该Ti化合物层的内部观察到Ag粒子。此外，陶瓷基板与Ti化合物层的界面附近区域的Ag浓度为0.21～11.12at％。在这种本发明例9、10、13～16中，接合率为91.1～98.8％，与现有例相比也确认到接合率别提高。
并且，在本发明例11、12中，在由Al2O3构成的陶瓷基板上使用Ag-Cu-Ti钎料接合由OFC构成的铜板时，实施在Ag与Al的共晶点温度以上且Ag与Cu的共晶点温度以下的温度范围进行保持的低温保持工序。在这种本发明例11、12，陶瓷基板与铜板的界面确认到由TiO2构成的Ti化合物层，在该Ti化合物层的内部观察到Ag粒子、Cu粒子。此外，陶瓷基板与Ti化合物层的界面附近区域的Ag浓度为9.08at％、11.36at％。在这种本发明例11、12中，接合率为97.5％、98.7％，与现有例相比确认到接合率得到提高。
此外，如表2及表4所示，使用Ag-Ti系膏、Ag-Cu-Ti系膏及Ag-TiH2系膏的情况下，其结果也与使用钎料箔的情况相同，与现有例相比确认到接合率得到提高。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种可靠地接合有铜部件与陶瓷部件的Cu-陶瓷接合体、该Cu-陶瓷接合体的制造方法、以及由该Cu-陶瓷接合体构成的功率模块用基板。本发明的Cu-陶瓷接合体，及功率模块用基板，适合于用于控制风力发电、电动汽车、混合动力汽车等而使用的大功率控制用电源半导体元件。
符号说明
10、110、210-功率模块用基板，11、111、211-陶瓷基板，12、112、212-电路层，13、113-金属层，22、122、123、222-铜板，24-Ag-Cu-Ti系钎料，31、131、231-Ti化合物层，31A、131A、231A-界面附近区域，35、135、235-Ag粒子，36-Cu粒子，124-Ag-Ti系钎料，224-Ag-Ti系钎料膏。

Claims (8)

1.一种Cu-陶瓷接合体，其为使用含Ag及Ti的接合材料来接合由铜或铜合金构成的铜部件与由AlN或Al2O3构成的陶瓷部件的Cu-陶瓷接合体，其中，
在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面形成有由Ti氮化物或Ti氧化物构成的Ti化合物层，
在该Ti化合物层内分散有Ag粒子。
2.根据权利要求1所述的Cu-陶瓷接合体，其中,
所述Ti化合物层中的与所述陶瓷部件的界面起至500nm为止的界面附近区域的Ag浓度为0.3原子％以上。
3.根据权利要求1或2所述的Cu-陶瓷接合体，其中,
分散于所述Ti化合物层内的所述Ag粒子的粒径在10nm以上100nm以下的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的Cu-陶瓷接合体，其中,
所述接合材料进一步含有Cu，在所述Ti化合物层内分散有Cu粒子。
5.一种Cu-陶瓷接合体的制造方法，其为制造权利要求1至4中任一项所述的Cu-陶瓷接合体的方法，该Cu-陶瓷接合体的制造方法具备：
低温保持工序，使含Ag及Ti的接合材料介于所述铜部件与所述陶瓷部件之间的状态下，保持在Ag与Al的共晶点温度以上且低于Ag与Cu的共晶点温度的温度范围；
加热工序，在所述低温保持工序之后，加热至Ag与Cu的共晶点温度以上的温度而对所述接合材料进行熔融；以及
冷却工序，在所述加热工序之后，进行冷却使被熔融的所述接合材料凝固而接合所述铜部件与所述陶瓷部件。
6.根据权利要求5所述的Cu-陶瓷接合体的制造方法，其中,
所述低温保持工序的保持时间在30分钟以上5小时以下的范围内。
7.根据权利要求5或6所述的Cu-陶瓷接合体的制造方法，其中,
所述加热工序的加热温度在790℃以上830℃以下的范围内。
8.一种功率模块用基板，其为在由AlN或Al2O3构成的陶瓷基板的表面接合有由铜或铜合金构成的铜板的功率模块用基板，其中，
所述功率模块用基板由权利要求1至4中任一项所述的Cu-陶瓷接合体构成。
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