CN105659377B - 接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的制造方法为制造接合由陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件而成的接合体的方法，所述接合体的制造方法具备：层叠工序，通过含3质量％以上10质量％以下的P的Cu‑P系钎料和活性金属材料层叠所述陶瓷部件与所述Cu部件；及加热处理工序，对层叠的所述陶瓷部件及所述Cu部件进行加热处理。

Description

接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法
技术领域
该发明涉及一种陶瓷部件与Cu部件接合而成的接合体的制造方法及在陶瓷基板的其中一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层的功率模块用基板的制造方法。
本申请主张基于2013年8月26日申请的日本专利申请第2013-175003号的优先权，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)的其中一个面通过接合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，若通过Cu-Mg-Ti钎料将陶瓷基板与Cu板接合而形成电路层，则在陶瓷基板与钎料的接合界面较厚地形成包含Cu、Mg或Ti的金属间化合物层。
由于形成于该陶瓷基板与钎料的接合界面的金属间化合物层较硬，因此存在使陶瓷基板与电路层的接合率变差，而无法良好地接合陶瓷基板与电路层的问题。
发明内容
该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部件的接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法。
为解决上述课题，本发明的第一方式所涉及的接合体的制造方法为制造由陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件接合而成的接合体的方法，所述接合体的制造方法具备：层叠工序，通过含3质量％以上10质量％以下的P的Cu-P系钎料及活性金属材料层叠所述陶瓷部件与所述Cu部件；及加热处理工序，对层叠的所述陶瓷部件及所述Cu部件进行加热处理。
根据本发明的第一方式所涉及的接合体的制造方法，其具备：通过含3质量％以上10质量％以下的P的Cu-P系钎料和活性金属材料来层叠所述陶瓷部件与所述Cu部件的层叠工序；及对层叠的所述陶瓷部件及所述Cu部件进行加热处理的加热处理工序，因此在加热处理工序中，通过Cu-P系钎料中所含的P与活性金属材料中所含的活性元素的结合，从而形成含P的金属间化合物，且P进入到该金属间化合物中而在陶瓷部件侧形成Cu层。此时，由于没有在陶瓷部件与Cu层的接合界面形成较硬的金属间化合物层，因此陶瓷部件与Cu部件的接合率得到提高，能够良好地接合陶瓷部件与Cu部件。
并且，由于含3质量％以上10质量％以下的P的Cu-P系钎料的熔点较低，因此能够以较低的温度接合陶瓷部件与Cu部件。其结果，能够在进行接合时减轻施加于陶瓷部件的热负载。
其中，活性金属材料为例如含有Ti、Zr、Nb、Hf等活性元素中的任意一种或两种以上的物质。并且，活性金属材料的形状例如为箔或粉末等。
并且，优选在所述陶瓷部件侧配置所述Cu-P系钎料，在所述Cu部件侧配置所述活性金属材料。
在该结构中，通过对Cu部件与活性金属材料进行加热处理，能够通过固相扩散来接合Cu部件与活性金属材料。因此，通过Cu-P系钎料熔融液的凝固，能够可靠地接合陶瓷部件与Cu部件。
并且，所述Cu-P系钎料优选为选自Cu-P钎料、Cu-P-Sn钎料、Cu-P-Sn-Ni钎料、Cu-P-Zn钎料中的任意一种。
当使用这种钎料时，由于钎料的熔点较低，因此即便在低温条件下也能够可靠地接合陶瓷部件与Cu部件。并且，在接合陶瓷部件与Cu部件时，钎料中所含的P等通过与活性金属材料中所含的元素结合而形成金属间化合物，且能够在陶瓷部件侧可靠地形成不具有含P的金属间化合物或含P的金属间化合物极少的Cu层。
并且，在上述接合体的制造方法中，所述活性金属材料优选含Ti。
此时，在加热处理工序中，Ti与Cu-P系钎料中所含的P经过结合而形成含P及Ti的金属间化合物，且P进入到该金属间化合物中，从而在陶瓷部件侧可靠地形成Cu层。因此，能够可靠地抑制在陶瓷部件与Cu层的接合界面形成较硬的金属间化合物层，能够提高陶瓷部件与Cu部件的接合率，从而能够良好地接合陶瓷部件与Cu部件。
本发明的第二方式所涉及的功率模块用基板的制造方法为制造在陶瓷基板的第一面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层的功率模块用基板的方法，所述功率模块用基板的制造方法的特征在于，通过上述接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板与所述电路层。
根据本发明的第二方式所涉及的功率模块用基板的制造方法，在加热处理工序中，通过活性金属材料与P的结合而形成含P的金属间化合物，且P进入到该金属间化合物中而在陶瓷基板侧形成Cu层。此时，由于没有在陶瓷基板与Cu层的接合界面形成较硬的金属间化合物层，因此陶瓷基板与电路层的接合率得到提高，能够良好地接合陶瓷基板与电路层。
并且，Cu-P系钎料的熔点较低，能够以较低的温度在陶瓷基板的第一面形成电路层，因此能够抑制在形成电路层时陶瓷基板热劣化。
并且，本发明的第三方式所涉及的功率模块用基板的制造方法可以如下：其作为制造在陶瓷基板的第一面配设有Cu或Cu合金构成的电路层且在第二面配设有由Cu或Cu合金构成的金属层的功率模块用基板的方法，通过上述接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板与所述电路层以及所述陶瓷基板与所述金属层。
在该结构中，在陶瓷基板的第一面及第二面，通过活性金属材料与Cu-P系钎料中所含的P的结合而形成含P的金属间化合物，从而形成Cu层，且不会在陶瓷基板与Cu层的接合界面形成较硬的金属间化合物层。因此，能够提高陶瓷基板与电路层的接合率以及陶瓷基板与金属层的接合率，能够良好地接合陶瓷基板与电路层以及陶瓷基板与金属层。
并且，能够以较低的温度在陶瓷基板的第一面形成电路层且在第二面形成金属层，因此能够抑制陶瓷基板热劣化。
并且，在该功率模块用基板的制造方法中，能够在陶瓷基板的第一面形成电路层的同时在第二面形成金属层。其结果，既能够减少施加于陶瓷基板的热负载，又能够减少制造成本。
并且，本发明的第四方式所涉及的功率模块用基板的制造方法可以如下：其作为制造在陶瓷基板的第一面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层且在第二面配设有由Al或Al合金构成的金属层的功率模块用基板的方法，通过上述接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板与所述电路层。
并且，由于以较低的温度在陶瓷基板的第一面形成电路层且在第二面形成金属层，因此能够抑制陶瓷基板热劣化。
在本发明的第四方式所涉及的功率模块用基板的制造方法中，同样也能够在陶瓷基板的第一面形成电路层的同时在第二面形成金属层，既能够减少施加于陶瓷基板的热负载，又能够减少制造成本。
根据本发明，可提供一种能够良好地接合陶瓷部件与Cu部件的接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法。
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为拍摄图7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9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10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11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12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13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14为拍摄图13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15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16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。
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的制造方法为通过接合陶瓷基板11(陶瓷部件)与电路层12(Cu部件)来制造作为接合体的功率模块用基板10。图1中示出具备本实施方式所涉及的功率模块用基板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通过在陶瓷基板11的第一面通过活性金属材料及Cu-P系钎料接合具有导电性的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的厚度被设定在0.1～1.0mm范围内，在本实施方式中被设定为0.6mm。
其中，在本实施方式中，Cu-P系钎料中P的含量为3质量％以上10质量％以下。以下，对将P的含量设定在3质量％以上10质量％以下的理由进行说明。
(P：3质量％以上10质量％以下)
P为具有降低钎料的熔点的作用效果的元素。并且，该P为通过P的氧化而产生的P氧化物来包覆钎料表面，从而防止钎料的氧化，并且通过流动性良好的P氧化物来包覆熔融的钎料表面，从而具有提高钎料的润湿性的作用效果的元素。
若P的含量少于3质量％，则无法充分获得降低钎料的熔点的效果，而有可能使钎料的熔点上升或因钎料的流动性不足而降低陶瓷基板11与电路层12的接合性。并且，若P的含量超过10质量％，则有可能形成很多较脆的金属间化合物，且降低陶瓷基板11与电路层12的接合性和接合可靠性。
出于这种理由，Cu-P系钎料中所含的P的含量被设定在3质量％以上10质量％以下的范围内。更优选P的含量的范围为6质量％以上9质量％以下。
其中，在Cu-P系钎料中，可以含有0.5质量％以上25质量％以下的Sn。并且，Cu-P系钎料也可以总计含有2质量％以上20质量％以下的Ni、Cr、Fe、Mn中任意一种或两种以上。此外，Cu-P系钎料也可以含有0.5质量％以上50质量％以下的Zn。以下，对含有这些元素时其含量被设定在上述范围内的理由进行说明。
(Sn：0.5质量％以上25质量％以下)
Sn为具有降低钎料的熔点的作用效果的元素。
当Sn的含量为0.5质量％以上时，能够可靠地降低钎料的熔点。并且，当Sn的含量为25质量％以下时，能够抑制钎料的低温脆化，且能够提高陶瓷基板与电路层的接合可靠性。
出于这种理由，在Cu-P系钎料中含有Sn时，将其含量设定在0.5质量％以上25质量％以下的范围内。
(Ni、Cr、Fe、Mn：2质量％以上20质量％以下)
Ni、Cr、Fe、Mn为具有抑制在陶瓷基板11与钎料的界面形成含P的金属间化合物的作用效果的元素。
当Ni、Cr、Fe、Mn中任意一种或两种以上的含量总计为2质量％以上时，能够抑制在陶瓷基板11与钎料的接合界面形成含P的金属间化合物，且提高陶瓷基板11与电路层12的接合可靠性。并且，当Ni、Cr、Fe、Mn中的任意一种或两种以上的含量总计为20质量％以下时，能够抑制钎料的熔点上升，且能够抑制钎料的流动性下降。其结果，能够提高陶瓷基板11与电路层12的接合性。
出于这种理由，在Cu-P系钎料中含有Ni、Cr、Fe、Mn中的任意一种或两种以上时，这些元素的总含量被设定在2质量％以上20质量％以下的范围内。
(Zn：0.5质量％以上50质量％以下)
Zn为具有提高钎料的抗氧化性的作用效果的元素。
当Zn的含量为0.5质量％以上时，能够充分确保钎料的抗氧化性，且能够提高接合性。并且，当Zn的含量为50质量％以下时，能够防止较脆的金属间化合物的大量形成，且能够确保陶瓷基板11与电路层12的接合可靠性。
出于这种理由，在Cu-P系钎料中含有Zn时，其含量被设定在0.5质量％以上50质量％以下的范围内。
作为Cu-P系钎料，具体而言可举出Cu-P钎料、Cu-P-Sn系钎料、Cu-P-Sn-Ni系钎料、Cu-P-Zn系钎料、Cu-P-Sn-Mn系钎料、Cu-P-Sn-Cr系钎料及Cu-P-Sn-Fe系钎料等。在本实施方式中使用Cu-P-Sn-Ni钎料24。
并且，在本实施方式中使用的Cu-P-Sn-Ni钎料24的组成，具体而言为Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％Ni。其中，Cu-P-Sn-Ni钎料24为箔状，其厚度为5μm以上150μm以下。
活性金属材料为例如含有Ti、Zr、Nb、Hf等活性元素中的任意一种或两种以上的物质。并且，活性金属材料的形状为箔或粉末等。
在第一实施方式中，作为活性金属材料使用Ti箔25，且Ti箔25的厚度为6μm以上25μm以下。并且，Ti箔25的纯度为99.4％以上即可，在本实施方式中使用纯度为99.8％的Ti箔。
即，在第一实施方式中，电路层12通过在陶瓷基板11的第一面层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti箔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)。
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(Cu层)；及位于电路层12与Cu-Sn层14之间的Ti层15。
而且，在电路层12与Ti层15之间形成有由Cu和Ti构成的第一金属间化合物层16。并且，在Cu-Sn层14与Ti层15之间形成有含P及Ni的第二金属间化合物层17。
Cu-Sn层14为Sn固溶于Cu中的层。该Cu-Sn层14为Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni进入到形成于Ti层15侧的第二金属间化合物层17中而形成的层。
如上所述，Ti层15为通过Cu-P-Sn-Ni钎料24及Ti箔25来接合陶瓷基板11与Cu板22而形成的层。
第一金属间化合物层16为通过电路层12的Cu与Ti层15的Ti彼此扩散而形成的层。其中，Cu与Ti的扩散为固相扩散。
第二金属间化合物层17通过Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni与Ti箔25中所含的Ti结合而形成。在本实施方式中，第二金属间化合物层17如图3所示具有从Cu-Sn层14侧依次形成的P-Ni-Ti层17a、P-Ti层17b及Cu-Ni-Ti层17c。
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而接合。
接合层2例如为Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊锡材料。
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箔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Ti箔25。
另外，在本实施方式中，使用厚度为20μm的Cu-P-Sn-Ni钎料24及厚度为7μm且纯度为99.8％的Ti箔25。
接着，在沿着层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti箔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，Ti箔25与Cu板22通过固相扩散而被接合，并且Cu-P-Sn-Ni钎料24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Ti箔25被接合。此时，在Cu板22(电路层12)与Ti箔25(Ti层15)的接合界面形成由Ti和Cu构成的第一金属间化合物层16。并且，Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni与Ti箔25中的Ti结合而形成第二金属间化合物层17，并且在陶瓷基板11侧形成不含P及Ni或P及Ni极少的Cu-Sn层14。其中，经过固相扩散而接合的Ti箔25与Cu板22的接合面预先设置成平滑的面。
由此，在陶瓷基板11的第一面形成电路层12，以制造本实施方式的功率模块用基板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。
如上构成的本实施方式的功率模块用基板10的制造方法具备：层叠工序S01，通过Ti箔25(活性金属材料)及Cu-Sn-Ni-P钎料24(Cu-P系钎料)层叠陶瓷基板11与Cu板22；及加热处理工序S02，对层叠的陶瓷基板11及Cu板22进行加热处理。因此，在加热处理工序S02中，通过Ti箔25与Cu-Sn-Ni-P钎料24中所含的P及Ni的结合而在电路层12侧形成第二金属间化合物层17，且P进入到该第二金属间化合物层17中。其结果，在陶瓷基板11侧形成Cu-Sn层14(Cu层)。即，由于没有在陶瓷基板11与Cu-Sn层14的接合界面形成较硬的金属间化合物层，因此能够提高陶瓷基板11与电路层12的接合率，能够良好地接合陶瓷基板11与电路层12。
并且，通过Cu-Sn-Ni-P钎料24接合陶瓷基板11与电路层12。由于该Cu-Sn-Ni-P钎料24的熔点较低，因此能够以较低的温度接合陶瓷基板11与电路层12。其结果，能够减轻接合时施加于陶瓷基板11的热负载。
并且，在加热处理工序S02中，当加热温度为600℃以上时，能够在陶瓷基板11与Cu板22的接合界面可靠地熔融Cu-P-Sn-Ni钎料24。同时，由于能够使Ti箔25与Cu板22充分地进行固相扩散而接合，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。同时，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。另外，加热温度也可以被设定在630℃以上650℃以下的范围内。
并且，在加热处理工序S02中，当施加于层叠的陶瓷基板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。此外，当施加的压力为1kgf/cm2以上时，能够抑制在Ti箔25与Cu板22之间产生间隙而进行固相扩散接合。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产生破损。出于这种理由，在本实施方式中，施加于层叠的陶瓷基板11等的压力被设定在1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下)的范围内。另外，该压力也可以被设定在3kgf/cm2以上18kgf/cm2以下(0.29MPa以上1.77MPa以下)。
此外，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，可充分确保熔融的Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P与Ti箔中所含的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，当加热时间为30分钟以上时，能够使Ti箔25与Cu板22充分地进行固相扩散接合，因此能够可靠地接合陶瓷基板11与Cu板22。并且，加热时间即便超过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分钟以上时的接合性。并且，若加热时间超过360分钟，则会导致生产率下降。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。另外，也可以将加热时间设定为30分钟以上150分钟以下。
并且，由于Ti箔25与Cu板22的接合面被预先设置成平滑的面，因此能够抑制在接合界面产生间隙，且能够可靠地接合Ti箔25与Cu板22。
并且，根据利用本实施方式所涉及的方法制造的功率模块用基板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，因此能够扩散来自半导体元件3的热量并散发到陶瓷基板11侧。并且，由于Cu板22的变形阻力较大，因此受到热循环时，可抑制电路层12变形。其结果，能够抑制接合半导体元件3与电路层12的接合层2的变形，且能够提高接合可靠性。
(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，以省略详细说明。
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(Cu部件)；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(Cu部件)。
与第一实施方式相同，电路层112通过在陶瓷基板11的第一面依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24(Cu-P系钎料)、Ti箔125(活性金属材料)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11)。其中，在第二实施方式中，Ti箔125的厚度为0.5μm以上5μm以下。
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。
图8中示出陶瓷基板11与电路层112的接合界面的电子显微镜照片及其概略图。如图8所示，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114；及位于电路层112与Cu-Sn层114之间且含P、Ni及Ti的金属间化合物层117。
Cu-Sn层114为Sn固溶于Cu中的层。该Cu-Sn层114为Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni进入到形成于电路层112侧的金属间化合物层117中而形成的层。
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箔125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。
在本实施方式中，如图8所示，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。
即，在本实施方式中，与第一实施方式相比Ti箔125较薄，因此实际上不会形成在第一实施方式中形成的Ti层。因此，在金属间化合物层117中混合存在P-Ni-Ti相117a、P-Ti相117b及Cu-Ni-Ti相117c中的一个以上的相。
金属层113通过在陶瓷基板11的第二面Cu或Cu合金的金属板通过Cu-P系钎料接合而形成。在第二实施方式中，金属层113通过在陶瓷基板11的第二面层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti箔125、纯度为99.99质量％以上的Cu板123的状态下，对它们进行加热处理来接合Cu板123而形成(参考图11)。
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。
图9中示出陶瓷基板11与金属层113的接合界面的概略图。在本实施方式中，如图9所示，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117。该金属间化合物层117具有P-Ni-Ti相117a、P-Ti相117b及Cu-Ni-Ti相117c。
即，该陶瓷基板11与金属层113的接合界面和上述陶瓷基板11与电路层112的接合界面具有相同的结构。
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10的流程图及图11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11所示，在陶瓷基板11的第一面(图11中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti箔125及成为电路层112的Cu板122(第一层叠工序S11)，并且也在陶瓷基板11的第二面(图11中为下表面)依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti箔125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箔125。另外，在本实施方式中，将Cu-P-Sn-Ni钎料24的组成设为Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％Ni，将厚度设为20μm。并且，作为Ti箔125使用厚度为1μm、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箔125及Cu板122、123进行加压(压力1～35kgf/cm2(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，且Ti箔125熔入到该液相中，并通过液相的凝固使得陶瓷基板11与Cu板122、123被接合。此时，Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni与Ti箔125中的Ti结合而形成金属间化合物层117。同时，在陶瓷基板11侧形成不含P及Ni或P及Ni极少的Cu-Sn层14。
由此，在陶瓷基板11的第一面形成电路层112，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。
根据如上构成的本实施方式的功率模块用基板110的制造方法，如第一实施方式中所说明，在陶瓷基板11与电路层112的接合界面以及陶瓷基板11与金属层113的接合界面中，在陶瓷基板11与Cu-Sn层114的接合界面没有形成较硬的金属间化合物层。因此，能够提高陶瓷基板11与电路层112以及陶瓷基板11与金属层113的接合率，能够良好地接合陶瓷基板11与电路层112以及陶瓷基板11与金属层113。
并且，在陶瓷基板11的第一面接合电路层112的同时在第二面接合金属层113，因此能够减少制造成本。
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有效的散发来自半导体元件3的热量。
并且，在第二实施方式所涉及的功率模块用基板110中，由于在金属层113接合有散热片130，因此能够有效地散发来自散热片130的热量。
(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，以省略详细说明。
图12中示出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12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12中为下侧)通过接合层232而接合的散热片230。
如图13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13中为上表面)的电路层212(Cu部件)；及配设于陶瓷基板11的另一个面即第二面(图13中为下表面)的金属层213(Al部件)。
电路层212通过在陶瓷基板11的第一面依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24(Cu-P系钎料)、Ti膏225及由无氧铜构成的Cu板222的状态下，对它们进行加热处理来接合Cu板222而形成(参考图16)。其中，Ti膏225为例如含有Ti粉末(活性金属材料)、树脂及溶剂的膏。
作为树脂例如可使用乙基纤维素、甲基纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸树脂、醇酸树脂等。并且，作为溶剂例如可使用甲基溶纤剂、乙基溶纤剂、萜品醇、甲苯、TEXANOL成膜助剂、柠檬酸三乙酯等。
并且，Ti粉末的纯度可以是99.4％以上，在本实施方式将纯度设为99.7％。
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0.3mm。
而且，如图14所示，在陶瓷基板11与电路层212的接合界面形成有Cu-Sn层214(Cu层)。而且，在该Cu-Sn层214分散有含P、Ni及Ti的金属间化合物217。
Cu-Sn层214为Sn固溶于Cu中的层。该Cu-Sn层214为通过Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni进入到金属间化合物217中而形成的层。
金属间化合物217通过Cu-P-Sn-Ni钎料24中所含的P及Ni与Ti粉末中的Ti结合而形成。在本实施方式中，如图14所示，金属间化合物217具有Cu-Ni-Ti相217c、P-Ti相217b及P-Ni-Ti相217a。这些相以包围存在于Cu-Sn层214中的Ti粒子218的方式，从内侧依次以年轮状形成Cu-Ni-Ti相217c、P-Ti相217b及P-Ni-Ti相217a。另外，也有不存在该Ti粒子218，而只有金属间化合物217形成为年轮状的金属间化合物。
并且，有时因构成形成为该年轮状的金属间化合物217的Cu-Ni-Ti相217c、P-Ti相217b及P-Ni-Ti相217a的一部分会消失而导致不连续。
金属层213通过在陶瓷基板11的第二面接合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16)。
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15的流程图及图16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16所示，通过网版印刷法在成为电路层212的Cu板222的下表面(接合面)涂布Ti膏225之后，进行干燥。在陶瓷基板11的第一面(图16中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn-Ni钎料24、Cu板222(第一层叠工序S21)，并且在陶瓷基板11的第二面(图16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)。其中，在第一层叠工序S21中，配置成使涂布于Cu板222并在其之上干燥的Ti膏225与Cu-P-Sn-Ni钎料24重叠。
在本实施方式中，该Ti膏225中所含的Ti粉的粒径为5μm以上40μm以下。并且，优选将Ti膏225中的Ti粉的含量设为40质量％以上90质量％以下。
并且，涂布Ti膏225时，优选Ti量为2mg/cm2以上10mg/cm2以下。
并且，优选在120℃以上150℃以下温度下进行10分钟以上30分钟以下范围的干燥。
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。
并且，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，厚度为20μm。
接着，在沿着层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni钎料24、Ti膏225、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(0.10MPa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S24)。其中，在第三实施方式中，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S24中，Cu-P-Sn-Ni钎料24经过熔融而形成液相，且Ti膏225熔入到该液相中而凝固，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，并通过该液相的凝固，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，并通过该液相的凝固，使得Al板223与散热片230通过接合材料242被接合。
由此，制造第三实施方式的功率模块用基板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的制造方法具备：第一层叠工序S21，通过含Ti粉末(活性金属材料)的Ti膏225及Cu-Sn-Ni-P钎料24层叠陶瓷基板11与Cu板222；及加热处理工序S24，对层叠的陶瓷基板11与Cu板222进行加热处理。因此，在加热处理工序S24中，Ti粉末中的Ti与Cu-Sn-Ni-P钎料24中所含的P及Ni结合而形成金属间化合物217，P进入到金属间化合物217中，从而形成Cu-Sn层214。此时，金属间化合物217分散于Cu-Sn层214中，由于没有在陶瓷基板11与Cu-Sn层214的接合界面形成较硬的金属间化合物层，因此陶瓷基板11与电路层212的接合率得到提高，能够良好地接合陶瓷基板11与电路层212。
并且，由于在陶瓷基板11的第一面接合电路层212的同时，也在第二面接合金属层213，同时还将散热片230接合到金属层213，因此能够简化制造工序并缩短制造时间，且能够减少制造成本。此外，能够通过一次加热处理来接合Cu板222与Al板223，因此与分别接合Cu板222和Al板223时相比，能够减少施加于陶瓷基板11的热负载。因此，能够减小陶瓷基板11的翘曲或抑制陶瓷基板11产生破损。
并且，在第三实施方式所涉及的功率模块用基板210中，由于Al的变形阻力比较低，因此受到冷热循环时，能够通过金属层213来吸收在功率模块用基板210与散热片230之间产生的热应力，且能够抑制在陶瓷基板11产生破损。
并且，由于在陶瓷基板11的第二面形成有由Al板223构成的金属层213，因此能够通过金属层213来吸收受到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，且能够抑制在陶瓷基板11产生破损。
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，在不脱离该发明的技术思想的范围内能够进行适当变更。
另外，在第三实施方式中，对涂布Ti膏时采用网版印刷法的情形进行了说明，但也能够采用平板印刷法、感光性工艺等各种方式。
并且，在第三实施方式中，对将Ti膏225配置在Cu板222侧，且将Cu-P-Sn-Ni钎料24配置在陶瓷基板11侧的情形进行了说明，但也可以设为将Ti膏225配置在陶瓷基板11侧，将Cu-P-Sn-Ni钎料24配置在Cu板222侧的结构。
并且，在第三实施方式中，对将Ti膏和Cu-P-Sn-Ni钎料配置在陶瓷基板与Cu板之间的情形进行了说明，但并不限定于Ti膏，例如也可以设为将Ti粉末(活性金属材料)和Cu-P-Sn系钎料配置在陶瓷基板与Cu板之间的结构。并且，也可以代替Ti粉使用氢化Ti粉。为使用氢化Ti粉末的Ti膏时，优选涂布TiH2量成为0.04mg/cm2以上8mg/cm2以下的涂布量。并且，更优选设为0.5mg/cm2以上7mg/cm2以下。所使用的氢化Ti粉末的粒径优选为15μm以下，并且，更优选为5μm以下。
并且，在第三实施方式中，作为Cu-P-Sn-Ni系钎料使用了箔状的钎料，但也可以使用使用了Cu-P-Sn-Ni系钎料粉末的钎料膏。该钎料膏能够通过在上述Ti膏中使用Cu-P-Sn-Ni系钎料粉末来代替Ti粉的方式制作。
并且，在第三实施方式中，可以使用混合所述钎料膏和Ti膏的膏(钎料-Ti膏)。此时，钎料-Ti膏只要涂布于陶瓷基板与Cu板中的至少一个板上即可。
此外，在第三实施方式中，可在第一层叠工序S21中进行Ti膏的脱脂。此时，Ti膏中所含的树脂的残渣量减少，进一步提高接合性。
另外，在上述实施方式中，对通过作为接合材料的Al-Si系钎料来接合陶瓷基板与Al板的情形进行了说明，但并不限定于此，例如也可以采用瞬间液相连接法(TransientLiquid Phase Bonding、TLP)来接合。在瞬间液相连接法中，通过溅射法等在Al板中与陶瓷基板接合的接合面固定Si、Cu等添加元素以形成固定层之后，层叠陶瓷基板和Al板，并沿着层叠方向进行加压而进行加热处理，从而能够接合陶瓷基板与Al板。即，在瞬间液相连接法中，能够通过作为接合材料的固定层层叠陶瓷基板与Al板，并同时接合Cu板和Al板。
在瞬间液相连接法中，沿着层叠方向进行加压时的压力为1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下)。并且，加热处理时的加热温度及加热时间为600℃以上650℃以下、30分钟以上360分钟以下。
另外，作为固定层的添加元素除了Si、Cu之外，还可以使用Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga、或Li等添加元素。
并且，作为接合材料使用具有金属粒子和有机物的金属膏，从而能够接合陶瓷基板与Al板。作为金属膏例如可举出具有Ag粒子和有机物的Ag膏。具体而言，通过网版印刷法等在陶瓷基板的第二面涂布Ag膏，并通过Ag膏层叠陶瓷基板与Al板并进行加热处理，由此能够将Al板接合到陶瓷基板。当使用Ag膏来进行接合时，沿着层叠方向进行加压时的压力为1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下)。并且，进行加热处理时的加热温度及加热时间为600℃以上650℃以下、30分钟以上360分钟以下。
并且，在上述实施方式中，对通过Al-Si系钎料接合金属层与散热片的情形进行了说明，但并不限定于此，例如也可以采用上述瞬间液相连接法(TLP)，通过固定层接合金属层与散热片。并且，也可以通过具有Ag粒子和有机物的Ag膏来接合金属层与散热片。
并且，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的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，在第一实施方式及第二实施方式中，对使用Ti箔的情形进行了说明，但也可以使用在Cu部件的其中一个面配设活性金属材料的Cu部件/活性金属包覆材料。并且，也可以通过蒸镀等在Cu部件配设活性金属而使用。
此外，也可以使用在活性金属材料的其中一个面配设Cu-P-Sn系钎料的活性金属材料/钎料包覆材料和依次层叠Cu部件、活性金属材料及Cu-P-Sn系钎料的Cu部件/活性金属材料/钎料包覆材。
此外，对作为散热片具有冷却用流路的散热片进行了说明，但散热片的结构没有特别限定，例如可以是空冷方式的散热片。并且，散热片也可以具有散热鳍片。
并且，在上述实施方式中，对在功率模块用基板的另一个面接合散热片的情形进行了说明，但也可以不接合散热片。
并且，在上述实施方式中，对利用焊锡材料或钎料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并通过螺栓固定等来进行固定。
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及表2中记载的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面层叠具有表1及表2所示的厚度的活性金属材料(37mm×37mm)、Cu-P系钎料箔(37mm×37mm×厚度40μm)及无氧铜构成的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。
另外，当活性金属材料的种类为粉末时，通过网版印刷法将含有该活性金属粉末的膏涂布到陶瓷基板或Cu板并进行层叠。其中，膏为含有粒径为5～40μm的活性金属材料的粉末(纯度为99.8％的Ti粉末)、丙烯酸树脂及TEXANOL成膜助剂的膏。将涂布量设为表2中记载的量。并且，将活性金属材料与Cu-P系钎料的配置设为表1及表2所示的配置。
另外，在比较例1中，设为在陶瓷基板与Cu板之间未夹有活性金属材料，而仅夹有Cu-P系钎料的结构。
而且，在以15kgf/cm2(1.47MPa)的压力沿着层叠方向进行加压的状态下，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。其中，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，将加热温度及加热时间如表1及表2的条件设定。另外，在Cu-P系钎料中含有Zn时，不在真空加热炉内进行加热，而是在氮气氛下进行加热。
如此，获得了本发明例1～32、比较例1～3的功率模块用基板。
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。并且，确认本发明例1～21、比较例1～3的功率模块用基板的电路层与陶瓷基板的接合界面中有无活性金属层。以下对接合率的评价方法及确认有无活性金属层的方法进行说明。
(接合率评价)
对于功率模块用基板，利用超声波探伤装置(Hitachi Power Solutions co.,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
(确认有无活性金属层的方法)
并且，在电路层与陶瓷基板的接合界面(与层叠方向平行的截面)，利用EPMA(电子射线显微分析仪、JEOL Ltd.JXA-8530F)获取活性金属材料的元素映射，以确认有无活性金属层。
[表1]
[表2]
如表1及表2所示，关于本发明例1-32确认到，由于夹着Cu-P系钎料及活性金属材料接合了陶瓷基板与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，没有夹着活性金属材料进行接合，因此无法将陶瓷基板与Cu板(电路层)接合。
并且，比较例2及比较例3中，Cu-P系钎料中所含的P的含量在本发明的范围之外，因此陶瓷基板与电路层的接合率与本发明例相比较差。
(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3及表4中记载的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面及第二面层叠具有表3及表4所示的厚度的活性金属材料(37mm×37mm)、Cu-P系钎料箔(37mm×37mm×厚度40μm)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，当活性金属材料的种类为粉末时，与实施例1相同，通过网版印刷法将含有该活性金属粉末的膏涂布到陶瓷基板或Cu板并进行层叠。将活性金属材料与Cu-P系钎料的配置设为表3及表4所示的配置。
而且，在以15kgf/cm2(1.47MPa)的压力沿着层叠方向进行加压的状态下，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、10-3Pa以下的范围内，将加热温度及加热时间设为表3及表4所示的条件。另外，在Cu-P系钎料中含有Zn时，不在真空加热炉内进行加热，而在氮气氛下进行加热。
如此获得了本发明例41～60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，对本发明例41～49的功率模块用基板的电路层与陶瓷基板的接合界面进行有无活性金属层的确认。
另外，以与实施例1相同的方式进行了接合率的评价及活性金属层的有无的确认。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ESPEC GORP制造的TSB-51，在液相(电子氟化液)中，在-40℃下5分钟且在150℃下5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3、4中记为“＞2000”。
在表3及表4中示出以上评价结果。
[表3]
[表4]
如表3及表4所示，在本发明例41～60中夹着Cu-P系钎料及活性金属材料接合了陶瓷基板与Cu板。因此，确认到陶瓷基板与电路层的初始接合率较高，接合得良好。并且，确认到本发明例41～60的经过冷热循环测试之后的接合率也较高，接合可靠性也较高。此外，还确认到本发明例41～60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，不易在陶瓷基板产生破损。
(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5及表6中记载的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面层叠具有表5及表6所示的厚度和组成的活性金属材料(37mm×37mm)、Cu-P系钎料箔(37mm×37mm×厚度40μm)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)。另外，当活性金属材料的种类为粉末时，与实施例1相同，通过网版印刷法将含有该活性金属粉末的膏涂布到陶瓷基板或Cu板并进行层叠。将活性金属材料与Cu-P系钎料的配置设为表5及表6所示的配置。
而且，在以15kgf/cm2(1.47MPa)的压力沿着层叠方向进行加压的状态下，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10-3Pa以下的范围内，将加热温度及加热时间设为表5及表6所示的条件。另外，在Cu-P系钎料中含有Zn时，不在真空加热炉内进行加热，而在氮气氛下进行加热。
另外，当Cu-P系钎料的温度超过Al板的熔点时，在陶瓷基板的第一面形成电路层之后，在陶瓷基板的第二面形成金属层。
如此获得了本发明例61～82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的陶瓷基板产生破损为止的次数。并且，对于本发明例61～69的功率模块用基板，确认在电路层与陶瓷基板的接合界面有无活性金属层。以与实施例2相同的方式实施接合率的评价、冷热循环测试及活性金属层的有无的确认。
在表5及表6中示出以上评价结果。
[表5]
[表6]
如表5及表6所示，在本发明例61～82中夹着Cu-P系钎料及活性金属材料接合了陶瓷基板与Cu板。因此，确认到陶瓷基板与电路层的初始接合率较高，接合得良好。并且，确认到本发明例61～82的经过冷热循环测试之后的接合率也较高，接合可靠性较高。此外，确认到本发明例61～82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，不易在陶瓷基板产生破损。
产业上的可利用性
根据本发明所涉及的接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法，能够良好地接合陶瓷部件与Cu部件。因此，根据本发明所涉及的接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法，能够制造出适合用于控制风力发电、电动汽车等电动车辆等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的接合体及功率模块用基板。
符号说明
10、110、210-功率模块用基板(接合体)，11-陶瓷基板(陶瓷部件)，12、112、212-电路层(Cu部件)，113、213-金属层(Cu部件)，25、125-Ti箔(活性金属材料、Ti材)。

Claims (6)

1.一种接合体的制造方法，其为制造接合由陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件而成的接合体的方法，所述接合体的制造方法具备：
层叠工序，通过含3质量％以上10质量％以下的P且0.5质量％以上50质量％以下的Zn的Cu-P系钎料和活性金属材料层叠所述陶瓷部件与所述Cu部件；及
加热处理工序，对层叠的所述陶瓷部件及所述Cu部件进行加热处理，
在所述层叠工序中，在所述陶瓷部件侧配置所述Cu-P系钎料，在所述Cu部件侧配置所述活性金属材料，
在所述加热处理工序中，所述Cu部件与所述活性金属材料通过固相扩散形成第一金属间化合物层而接合，通过所述Cu-P系钎料中所含的P与所述活性金属材料中所含的活性元素的结合，形成含P的第二金属间化合物，P进入到该第二金属间化合物中而在陶瓷部件侧形成Cu层，且没有在所述陶瓷部件与所述Cu层的接合界面形成较硬的金属间化合物层。
2.根据权利要求1所述的接合体的制造方法，其中，
所述Cu-P系钎料为Cu-P-Zn钎料。
3.根据权利要求1或2所述的接合体的制造方法，其中，
所述活性金属材料含Ti。
4.一种功率模块用基板的制造方法，其为制造在陶瓷基板的第一面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层的功率模块用基板的方法，其中，
通过权利要求1至3中任一项所述的接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板与所述电路层。
5.一种功率模块用基板的制造方法，其为制造在陶瓷基板的第一面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层，且在第二面配设有由Cu或Cu合金构成的金属层的功率模块用基板的方法，其中，
通过权利要求1至3中任一项所述的接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板与所述电路层以及所述陶瓷基板与所述金属层。
6.一种功率模块用基板的制造方法，其为制造在陶瓷基板的第一面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层，且在第二面配设有由Al或Al合金构成的金属层的功率模块用基板的方法，其中，
通过权利要求1至3中任一项所述的接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板与所述电路层。
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