CN108701659B - 接合体、功率模块用基板、功率模块、接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法 - Google Patents

接合体、功率模块用基板、功率模块、接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法 Download PDF

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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部件的接合体，在形成于陶瓷部件与Cu部件之间的接合层中，从陶瓷部件的接合面朝向Cu部件侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下。

Description

接合体、功率模块用基板、功率模块、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
本发明涉及一种接合陶瓷部件和Cu部件而成的接合体、以及在陶瓷基板上接合有由Cu或Cu合金构成的Cu板的功率模块用基板、具备该功率模块用基板的功率模块、接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法。
本申请基于2016年1月22日在日本申请的专利申请2016-010676号及2017年1 月5日在日本申请的专利申请2017-000417号要求优先权，并且在此援引其内容。
背景技术
LED或功率模块等的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。
用于控制风力发电或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中发热量较多，因此作为搭载该功率半导体元件的基板，一直以来广泛使用例如在由AlN(氮化铝)等构成的陶瓷基板的一个面作为电路层接合有导电性优异的金属板的功率模块用基板。另外，有时还在陶瓷基板的另一个面作为金属层接合有金属板。
例如，专利文献1所示的功率模块用基板具备通过在陶瓷基板(陶瓷部件)的一个面接合Cu板(Cu部件)而形成有电路层的结构。该功率模块用基板通过在该功率模块用基板的一个面夹着Cu-Mg-Ti钎料配置Cu板并进行加热处理而接合有Cu板。
然而，如专利文献1所公开的那样通过Cu-Mg-Ti钎料接合陶瓷基板和Cu板，则在陶瓷基板的附近形成含有Cu、Mg或Ti的金属间化合物。
由于形成于该陶瓷基板附近的金属间化合物较硬，因此具有如下的问题：当对功率模块用基板施加冷热循环负载时，产生在陶瓷基板上的热应力较大，在陶瓷基板上容易发生裂纹。
另外，当接合陶瓷基板和电路层时，如果在陶瓷基板附近形成较硬的金属间化合物，则有可能陶瓷基板与电路层的接合率下降，无法良好地接合陶瓷基板和电路层。
因此，例如在专利文献2～4中提出了使用Cu-P系钎料及活性元素来接合陶瓷基板和电路层而成的功率模块用基板。
在这些专利文献2～4所记载的发明中，通过Cu-P系钎料中的P与活性元素反应而在陶瓷基板侧形成Cu层，从而不会在陶瓷基板附近配设较硬的金属间化合物层。由此，能够降低施加冷热循环负载时生成在陶瓷基板上的热应力，并且能够抑制在陶瓷基板上发生裂纹。
专利文献1：日本专利第4375730号公报
专利文献2：日本专利公开2015-043392号公报
专利文献3：日本专利公开2015-065423号公报
专利文献4：日本专利公开2015-043393号公报
但是，最近搭载在功率模块用基板上的半导体元件有发热温度变高的倾向，对搭载有该半导体元件的功率模块用基板施加与以往相比更高温度(例如200℃以上)的冷热循环负载。
在此，如专利文献2～4所记载的那样，在使用Cu-P系钎料来接合陶瓷基板和Cu 板而成的功率模块用基板中具有如下的问题：当施加达到高温的冷热循环负载时，容易发生局部放电。
发明内容
本发明是鉴于前述情况而提出的，其目的是提供一种能够良好地接合陶瓷部件和Cu部件，并且即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下也能够抑制局部放电的发生的接合体、包括该接合体的功率模块用基板、功率模块及该接合体的制造方法、功率模块用基板的制造方法。
为了解决前述的问题，本发明人进行了深入研究，其结果得到如下的见解：在使用Cu-P系钎料来接合陶瓷基板和Cu板而成的功率模块用基板中，有时在形成于陶瓷基板与Cu板之间的接合层内形成较脆的Cu3P相，当施加达到较高温的冷热循环负载时，在脆弱的Cu3P相中生成裂纹并形成空隙，因此容易发生局部放电。另外，还得到如下的见解：当施加冷热循环负载时，在Cu3P相中生成裂纹，并且在Cu3P相与接合层内的Cu-Sn层之间形成空隙，从而容易发生局部放电。此外，Cu-Sn层为在使用包含Sn的Cu-P系钎料时通过包含在Cu-P系钎料中的P与其他元素(例如Ti材的Ti) 反应并被消耗而形成的层。
本发明是基于上述见解而完成的，作为本发明的一方式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部件的接合体，所述接合体的特征在于，在形成于所述陶瓷部件与所述Cu部件之间的接合层中，从所述陶瓷部件的接合面朝向所述Cu部件侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下。
根据作为本发明的一方式的接合体，在形成于所述陶瓷部件与所述Cu部件之间的接合层中，从所述陶瓷部件的接合面朝向所述Cu部件侧距离50μm的区域中的Cu3P 相的面积率被限制在15％以下，因此即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下，也能够抑制起因于Cu3P相的局部放电的发生。
作为本发明的一方式的功率模块用基板的特征在于，包括上述接合体，所述功率模块用基板具备：陶瓷基板，由所述陶瓷部件构成；和电路层，形成在该陶瓷基板的一个面且由所述Cu部件构成，在形成于所述陶瓷基板与所述电路层之间的接合层中，从所述陶瓷基板的接合面朝向所述电路层侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为 15％以下。
根据作为本发明的一方式的功率模块用基板，在形成于所述陶瓷基板与所述电路层之间的接合层中，从所述陶瓷基板的接合面朝向所述电路层侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下，因此即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下，也能够抑制在电路层侧发生起因于Cu3P相的局部放电，从而可靠性优异。
在此，在作为上述的本发明的一方式的功率模块用基板中，也可以在所述陶瓷基板的另一个面形成有由Al或Al合金构成的金属层。
在该情况下，在陶瓷基板的另一个面形成有由变形阻力较小的Al或Al合金构成的金属层，因此在对功率模块用基板施加应力的情况下金属层优先变形，从而能够降低作用于陶瓷基板的应力，能够抑制陶瓷基板的破损。
另外，作为本发明的一方式的功率模块用基板的特征在于，包括上述接合体，所述功率模块用基板具备：陶瓷基板，由所述陶瓷部件构成；电路层，形成在该陶瓷基板的一个面；和金属层，形成在该陶瓷基板的另一个面且由所述Cu部件构成，在形成于所述陶瓷基板与所述金属层之间的接合层中，从所述陶瓷基板的接合面朝向所述金属层侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下。
根据作为本发明的一方式的功率模块用基板，在形成于所述陶瓷基板与所述金属层之间的接合层中，从所述陶瓷基板的接合面朝向所述金属层侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下，因此即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下，也能够抑制在金属层侧发生起因于Cu3P相的局部放电。
作为本发明的一方式的功率模块的特征在于，具备：上述功率模块用基板；和半导体元件，搭载在所述功率模块用基板的所述电路层上。
根据该结构的功率模块，具备抑制局部放电的发生的功率模块用基板，因此即使在施加达到较高温的冷热循环负载的使用环境下可靠性也优异。
作为本发明的一方式的接合体的制造方法为由陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件的接合体的制造方法，所述接合体的制造方法的特征在于，具备：层叠工序，通过Cu-P系钎料和Ti材层叠所述陶瓷部件和所述Cu部件；和加热处理工序，通过在所述Cu-P系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热而生成液相，在所述层叠工序中，以介于所述陶瓷部件与所述Cu部件之间的P和Ti的原子比[Ti/P]在 0.1以上且0.8以下的范围内的方式，配置所述Cu-P系钎料及所述Ti材，在所述加热处理工序中，将升温速度设在5℃/分钟以上且30℃/分钟以下的范围内。
根据该结构的接合体的制造方法，在通过Cu-P系钎料和Ti材层叠所述陶瓷部件和所述Cu部件的层叠工序中，以介于所述陶瓷基板与所述Cu部件之间的P和Ti的原子比[Ti/P]在0.1以上且0.8以下的范围内的方式，配置所述Cu-P系钎料及所述Ti 材，因此能够确保与P反应的Ti量，能够抑制Cu3P相的形成。在此，在P和Ti的原子比[Ti/P]小于0.1的情况下，与P反应的Ti量减少，因此无法抑制Cu3P相的生成。另外，在P和Ti的原子比[Ti/P]大于0.8的情况下，在加热时生成的钎料的液相中熔入有较多的Ti，因此液相的熔点上升而凝固容易进展。其结果，有可能会残留未与Ti 反应的P，形成较多的Cu3P相。
另外，由于将通过在所述Cu-P系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热而生成液相的加热处理工序中的升温速度设为5℃/分钟以上，因此能够抑制Ti与P以外的元素反应并被消耗，P会与Ti反应，能够抑制Cu3P相的形成。另外，由于将加热处理工序中的升温速度设为30℃/分钟以下，因此不会引起所需以上的Ti向液相的快速扩散，从而液相难以凝固，能够抑制Cu3P相的生成。
作为本发明的一方式的功率模块用基板的制造方法为在陶瓷基板的一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层的功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板的制造方法的特征在于，通过上述的接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板和所述电路层。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法，能够抑制在陶瓷基板与电路层之间形成较脆的Cu3P相。因此，可制造一种即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下也能够抑制局部放电的发生的功率模块用基板。
作为本发明的一方式的功率模块用基板的制造方法为在陶瓷基板的一个面配设有电路层，并且在所述陶瓷基板的另一个面配设有由Cu或Cu合金构成的金属层的功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板的制造方法的特征在于，通过上述的接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板和所述金属层。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法，能够抑制在陶瓷基板与金属层之间形成较脆的Cu3P相。因此，可制造一种即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下也能够抑制局部放电的发生的功率模块用基板。
作为本发明的一方式的功率模块用基板的制造方法为在陶瓷基板的一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层，并且在所述陶瓷基板的另一个面配设有由Al或Al 合金构成的金属层的功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板的制造方法的特征在于，通过上述的接合体制造方法来接合所述陶瓷基板和所述电路层。
根据该结构的功率模块用基板的制造方法，能够抑制在陶瓷基板与电路层之间形成较脆的Cu3P相。因此，可制造一种即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下，也能够抑制在电路层侧发生起因于Cu3P相的局部放电的发生的功率模块用基板。
另外，由于能够在较低温下接合由Cu或Cu合金构成的电路层和陶瓷基板，因此还能够同时接合由Cu或Cu合金构成的电路层、陶瓷基板和由Al或Al合金构成的金属层。
根据本发明，可提供一种能够良好地接合陶瓷部件和Cu部件，并且即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下也能够抑制局部放电的发生的接合体、包括该接合体的功率模块用基板、功率模块、以及该接合体的制造方法、功率模块用基板的制造方法。
附图说明
图1是使用本发明的第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是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是图2所示的功率模块用基板的电路层与陶瓷基板之间的接合层的截面观察照片。
图4是用于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是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是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是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是图7所示的功率模块用基板的电路层及金属层与陶瓷基板之间的接合界面上的截面的示意图。
图9是用于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是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是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是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是图12所示的功率模块用基板的电路层与陶瓷基板之间的接合界面上的截面的示意图。
图14是用于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15是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)
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。首先，对本发明的第一实施方式进行说明。
本实施方式所涉及的接合体为通过接合陶瓷部件即陶瓷基板11和Cu部件即Cu 板22(电路层12)而成的功率模块用基板10。图1中示出具备作为本实施方式的功率模块用基板10的功率模块1。
该功率模块1具备：功率模块用基板10，配设有电路层12；和半导体元件3，通过焊锡层2接合到电路层12的一面(在图1中为上表面)上。
如图2所示，功率模块用基板10具备陶瓷基板11和配设在该陶瓷基板11的一面(在图2中为上表面)上的电路层12。
陶瓷基板11由绝缘性高的AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)或Al2O3(氧化铝) 等的陶瓷构成。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。另外，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，陶瓷基板11的厚度被设定为0.635mm。
电路层12通过在陶瓷基板11的一个面接合具有导电性的Cu或Cu合金的金属板而形成。
在本实施方式中，电路层12通过在陶瓷基板11的一个面层叠Cu-P系钎料24、 Ti材25及由无氧铜构成的Cu板22并进行加热处理，从而在陶瓷基板11上接合铜板22来形成(参照图5)。此外，在本实施方式中，作为Cu-P系钎料24，使用Cu-P-Sn-Ni 钎料。
在此，电路层12中的陶瓷基板11侧为在Cu中固溶有Sn的结构。
此外，电路层12的厚度被设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.2mm。
图3表示形成于陶瓷基板11与电路层12之间的接合层18的截面概略说明图。
在陶瓷基板11与电路层12之间的接合层18中的陶瓷基板11的接合面附近形成有Cu-Sn层14，在该Cu-Sn层14的电路层12侧形成有包含Ti的含Ti层15。
Cu-Sn层14为在Cu中固溶有Sn的层。该Cu-Sn层14为通过包含在Cu-P系钎料 24中的P与Ti材25的Ti反应并被消耗而形成的层。
作为含Ti层15，例如可列举P-Ti系金属间化合物层、Ti层或Cu-Ti金属间化合物层等。此外，含Ti层15的结构根据Ti材25中的Ti量或接合条件等而不同。
在此，在Cu-Sn层14内分散有Cu3P相16。该Cu3P相16通过未与Ti材25的Ti 反应而残留的包含在Cu-P系钎料24中的P与Cu反应而生成。
并且，在本实施方式中，在形成于陶瓷基板11与电路层12之间的接合层18中，从陶瓷基板11的接合面朝向电路层12侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为 15％以下。
半导体元件3由Si等的半导体材料构成。该半导体元件3和电路层12通过焊锡层2接合。
焊锡层2例如为Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊锡材。
下面，参照图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的一面(在图5中为上表面)上按顺序层叠Cu-P系钎料24、Ti材25及作为电路层12的Cu板22(层叠工序S01)。
在该层叠工序S01中，以介于陶瓷基板11与Cu板22之间的P和Ti的原子比[Ti/P]在0.1以上且0.8以下的范围内的方式，配置Cu-P系钎料及Ti材25。具体而言，通过考虑Cu-P系钎料24的P含量及Ti材25的纯度来调整Cu-P系钎料24的厚度和Ti 材25的厚度，从而调整介于陶瓷基板11与Cu板22之间的P和Ti的原子比[Ti/P]。
在此，介于陶瓷基板11与Cu板22之间的P和Ti的原子比[Ti/P]小于0.1的情况下，有可能与P反应的Ti量不充分，形成较多的Cu3P相16，从而无法将从陶瓷基板 11的接合面朝向电路层12侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率设为15％以下。
另一方面，在介于陶瓷基板11与Cu板22之间的P和Ti的原子比[Ti/P]大于0.8 的情况下，由于在加热时生成的钎料的液相中熔入有较多的Ti，因此液相的熔点上升而凝固容易进展。其结果，有可能会残留未与Ti反应的P，形成较多的Cu3P相16。
因此，在本实施方式中，在层叠工序S01中，将介于陶瓷基板11与Cu板22之间的P和Ti的原子比[Ti/P]设定在0.1以上且0.8以下的范围内。
此外，为了进一步抑制Cu3P相16的生成，优选将介于陶瓷基板11与Cu板22 之间的P和Ti的原子比[Ti/P]设为0.15以上，更优选设为0.2以上。
另外，为了进一步抑制Cu3P相16的生成，优先将介于陶瓷基板11与Cu板22 之间的P和Ti的原子比[Ti/P]设为0.7以下，更优选设为0.6以下。
另外，在Ti材25的厚度为0.1μm以上且小于1μm的情况下优选通过蒸镀或溅射来进行成膜，在Ti材25的厚度为1μm以上且5μm以下的情况下优选使用箔材。此外， Ti材25的厚度优选为0.2μm以上，进一步优选为0.4μm以上。另外，Ti材25的厚度优选为3μm以下，进一步优选为1.5μm以下。
接着，在沿层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P系钎料24、Ti材25及Cu板22加压(压力为1kgf/cm2以上且35kgf/cm2以下)的状态下装入到真空加热炉内，并且加热至Cu-P 系钎料24的熔融开始温度以上的温度(加热处理工序S02)。在此，在本实施方式中，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，加热温度设定在600 ℃以上且650℃以下的范围内，加热时间设定在30分钟以上且240分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S02中，将达到上述加热温度的升温速度设在5℃/分钟以上且30℃/分钟以下的范围内。
在此，在达到上述加热温度的升温速度小于5℃/分钟的情况下，导致在升温过程中Ti与P以外的元素反应并被消耗，有可能与P反应的Ti量不充分，形成较多的Cu3P 相16，从而无法将从陶瓷基板11的接合面朝向电路层12侧距离50μm的区域中的Cu3P 相的面积率设为15％以下。
另一方面，在达到上述加热温度的升温速度大于30℃/分钟的情况下，Ti向钎料的液相的扩散变快，因此液相的凝固也变快，残留较多的未反应的P，从而形成较多的 Cu3P相16。
因此，在本实施方式中，将达到上述加热温度的升温速度设定在5℃/分钟以上且30℃/分钟以下的范围内。
此外，为了进一步抑制Cu3P相16的生成，优选将达到上述加热温度的升温速度设为7℃/分钟以上，进一步优选设为10℃/分钟以上。
另外，为了进一步抑制Cu3P相16的生成，优选将达到上述加热温度的升温速度设为25℃/分钟以下，进一步优选设为20℃/分钟以下。
在该加热处理工序S02中，Cu-P系钎料24熔融而形成液相，并且在该液相中熔入有Ti材25，通过液相凝固，从而接合陶瓷基板11和Cu板22。此时，包含在Cu-P 系钎料24中的P与Ti材25的Ti结合，在陶瓷基板11的接合面侧形成Cu-Sn层14。
由此，在陶瓷基板11的一个面形成有电路层12，从而制造出作为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的上表面上，通过焊锡材接合半导体元件3(半导体元件接合工序S03)。
如此，制造出本实施方式所涉及的功率模块1。
根据上述结构的本实施方式所涉及的功率模块用基板10，在形成于陶瓷基板11与电路层12之间的接合层18中，从陶瓷基板11的接合面朝向电路层12侧距离50μm 的区域中的Cu3P相16的面积率为15％以下，因此较脆的Cu3P相16在接合层18内所占的面积较少，即使在施加例如达到200℃以上的较高温的冷热循环负载的情况下，也能够抑制电路层12侧的起因于Cu3P相16的局部放电的发生。因此，本实施方式所涉及的功率模块用基板10在高温环境下使用时的可靠性优异。
另外，在本实施方式中，在通过Cu-P系钎料24和Ti材25层叠陶瓷基板11和作为电路层12的Cu板22的层叠工序S01中，以介于陶瓷基板11与Cu基板22之间的 P和Ti的原子比[Ti/P]在0.1以上且0.8以下的范围内的方式，配置有Cu-P系钎料24 及Ti材25，因此能够确保与P反应的Ti量，并且能够减少未反应的P，从而能够抑制Cu3P相16的形成。因此，能够抑制局部放电的发生。
此外，在本实施方式中，加热处理工序S02中的达到加热温度的升温速度为5℃/分钟以上且30℃/分钟以下，因此能够抑制Cu3P相16的形成。因此，能够抑制局部放电的发生。
另外，在加热处理工序S02中，将加压压力设为1kgf/cm2以上，因此能够使陶瓷基板11与Cu-P系钎料24之间的液相紧贴，能够良好地接合陶瓷基板11和Cu-Sn层 14。另外，由于将加压压力设为35kgf/cm2以下，因此能够抑制陶瓷基板11发生破损。
(第二实施方式)
接着，对本发明的第二实施方式进行说明。此外，对与第一实施方式相同的结构使用相同的附图标记，并省略详细说明。
图6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：功率模块用基板110，配设有电路层112及金属层113；半导体元件3，通过焊锡层2被接合到电路层112的一面(在图6中为上表面)上；和散热器130，被配置在金属层113的另一侧(在图6中为下侧)。
如图7所示，功率模块用基板110具备：陶瓷基板11；电路层112，配设在该陶瓷基板11的一面(在图7中为上表面)上；和金属层113，配设在陶瓷基板11的另一面(在图7中为下表面)上。
与第一实施方式同样，陶瓷基板11由散热性优异的AlN(氮化铝)构成。
与第一实施方式同样，电路层112通过在陶瓷基板11的一个面按顺序层叠Cu-P 系钎料124、Ti材25及由无氧铜构成的Cu板122并进行加热处理，从而在陶瓷基板 11上接合铜板122来形成(参照图10)。
此外，电路层112的厚度被设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.2mm。
金属层113通过Cu-P系钎料124在陶瓷基板11的另一个面接合Cu或Cu合金的金属板而形成。在本实施方式中，金属层113通过在陶瓷基板11的另一个面层叠Cu-P 系钎料124、Ti材25及由无氧铜构成的Cu板123并进行加热处理，从而在陶瓷基板 11上接合Cu板123来形成(参照图10)。
该金属层113的厚度被设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.15mm。
在此，在本实施方式中，作为Cu-P系钎料124，具体使用Cu-P-Sn-Ni钎料。
图8表示陶瓷基板11与电路层112及金属层113之间的接合层118的截面概略说明图。
在陶瓷基板11与电路层112及金属层113之间的接合层118中的陶瓷基板11的接合面附近形成有Cu-Sn层14，在该Cu-Sn层14的电路层112侧及金属层113侧形成有包含Ti的含Ti层15。
在此，在Cu-Sn层14内分散有Cu3P相16。该Cu3P相16通过未与Ti材25的Ti 反应而残留的P与Cu反应而生成。
并且，在本实施方式中，在形成于陶瓷基板11与电路层112及金属层113之间的接合层118中，从陶瓷基板11的接合面朝向电路层112及金属层113侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下。
散热器130用于散发来自前述的功率模块用基板110的热。该散热器130由Cu 或Cu合金构成，在本实施方式中，该散热器130由无氧铜构成。在该散热器130中设置有用于供冷却用流体流动的流路131。此外，在本实施方式中，通过由焊锡材构成的焊锡层132来接合散热器130和金属层113。
下面，参照图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的一面(在图10中为上表面)上，按顺序层叠Cu-P系钎料124、Ti材25及作为电路层112的Cu板122，并且在陶瓷基板11的另一面(在图10中为下表面)上，按顺序层叠Cu-P系钎料124、Ti材25及作为金属层113的Cu板123(层叠工序S101)。
在该层叠工序S101中，以介于陶瓷基板11与Cu板122、123之间的P和Ti的原子比[Ti/P]在0.1以上且0.8以下的范围内的方式，配置Cu-P系钎料124及Ti材25。具体而言，通过考虑Cu-P系钎料124的P含量及Ti材25的纯度来调整Cu-P系钎料 124的厚度和Ti材25的厚度，从而调整介于陶瓷基板11与Cu板122、123之间的P 和Ti的原子比[Ti/P]。
接着，在沿层叠方向对Cu板122、Ti材25、Cu-P系钎料124、陶瓷基板11、Cu-P 系钎料124、Ti材25及Cu板123加压(压力为1kgf/cm2以上且35kgf/cm2以下)的状态下装入到真空加热炉内，并且加热至Cu-P系钎料124的熔融开始温度以上的温度 (加热处理工序S102)。
在该加热处理工序S102中，将达到上述加热温度的升温速度设在5℃/分钟以上且30℃/分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S102中，Cu-P系钎料124熔融而形成液相，并且在该液相中熔入有Ti材25，通过液相凝固，从而接合陶瓷基板11和Cu板122及陶瓷基板11和 Cu板123。此时，包含在Cu-P系钎料124中的P与Ti材25的Ti结合，在陶瓷基板 11侧形成Cu-Sn层14。
由此，在陶瓷基板11的一个面形成有电路层112，并且在陶瓷基板11的另一个面形成有金属层113，从而制造出作为本实施方式的功率模块用基板110。
接着，在功率模块用基板110的金属层113的下表面上，通过焊锡材接合散热器130(散热器接合工序S103)。
接着，在功率模块用基板110的电路层112的上表面上，通过焊锡材接合半导体元件3(半导体元件接合工序S104)。
如此，制造出本实施方式所涉及的功率模块101。
根据上述结构的本实施方式所涉及的功率模块用基板110，在陶瓷基板11与电路层112之间的接合界面及陶瓷基板11与金属层113之间的接合层118中，从陶瓷基板 11的接合面朝向电路层112侧及金属层113侧距离50μm的区域中的Cu3P相16的面积率为15％以下，因此较脆的Cu3P相16在接合层118内所占的面积较少，即使在施加例如达到200℃以上的较高温的冷热循环负载的情况下，也能够抑制局部放电的发生。
另外，根据本实施方式所涉及的功率模块用基板110的制造方法，由于在陶瓷基板11的一个面接合有电路层112的同时，在另一个面接合有金属层113，因此能够简化制造工序，并且能够降低制造成本。
(第三实施方式)
接着，对本发明的第三实施方式进行说明。此外，对与第一实施方式相同的结构使用相同的附图标记，并省略详细说明。
图11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：功率模块用基板210，配设有电路层212及金属层213；半导体元件3，通过焊锡层2被接合到电路层212的一面(在图11中为上表面)；和散热器230，接合到功率模块用基板210的另一侧(在图11中为下侧)。
如图12所示，功率模块用基板210具备：陶瓷基板11；电路层212，配设在该陶瓷基板11的一面(在图12中为上表面)上；和金属层213，配设在陶瓷基板11的另一面(在图12中为下表面)上。
与第一实施方式同样，陶瓷基板11由散热性优异的AlN(氮化铝)构成。
与第一实施方式同样，电路层212通过在陶瓷基板11的一个面层叠Cu-P系钎料224、Ti材25及由无氧铜构成的Cu板222并进行加热处理，以在陶瓷基板11上接合铜板222而形成(参照图15)。
此外，电路层212的厚度被设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.2mm。
在此，在本实施方式中，作为Cu-P系钎料224，具体使用Cu-P-Sn-Ni钎料。
图13表示陶瓷基板11与电路层212之间的接合层218的截面概略说明图。
在陶瓷基板11与电路层212之间的接合层218中的陶瓷基板11的接合面附近形成有Cu-Sn层14，在该Cu-Sn层14的电路层212侧形成有包含Ti的含Ti层15。
在此，在Cu-Sn层14内分散有Cu3P相16。该Cu3P相16通过未与Ti材25的Ti 反应而残留的P与Cu反应而生成。
并且，在本实施方式中，在形成于陶瓷基板11与电路层212之间的接合层218中，从陶瓷基板11的接合面朝向电路层212侧距离50μm的区域中的Cu3P相16的面积率为15％以下。
金属层213通过在陶瓷基板11的另一个面接合由Al或Al合金构成的Al板而形成。在本实施方式中，金属层213通过在陶瓷基板11的另一个面接合纯度为99.99质量％以上的Al板223而形成(参照图15)。在本实施方式中，使用由Al-Si系钎料构成的接合材227来接合Al板223。
该金属层213的厚度被设定在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为2.1mm。
散热器230由Al或Al合金构成，在本实施方式中，散热器230由A6063(铝合金)构成。在该散热器230中设置有用于供冷却用流体流动的流路231。此外，通过由Al-Si系钎料构成的接合材242来接合该散热器230和金属层213。
下面，参照图14的流程图及图15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15所示，在陶瓷基板11的一面(在图15中为上表面)上，按顺序层叠Cu-P系钎料224、Ti材25及作为电路层212的Cu板222，并且在陶瓷基板11的另一面(在图15中为下表面)上，通过接合材227按顺序层叠作为金属层213的Al 板223。并且，进一步在Al板223的下侧，通过接合材242层叠散热器230(层叠工序S201)。
在该层叠工序S201中，以介于陶瓷基板11与Cu板222之间的P和Ti的原子比 [Ti/P]在0.1以上且0.8以下的范围内的方式，配置Cu-P系钎料224及Ti材25。具体而言，通过考虑Cu-P系钎料224的P含量及Ti材25的纯度来调整Cu-P系钎料224 的厚度和Ti材25的厚度，从而调整介于陶瓷基板11与Cu板222之间的P和Ti的原子比[Ti/P]。
接着，在沿层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P系钎料224、Ti材25及Cu板222、接合材227、Al板223、接合材242及散热器230加压(压力为1～35kgf/cm2以下)的状态下，将其装入到真空加热炉内并进行加热(加热处理工序S202)。在此，在本实施方式中，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，加热温度设定在600℃以上且650℃以下的范围内，加热时间设定在30分钟以上且240分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S202中，将达到上述加热温度的升温速度设在5℃/分钟以上且30℃/分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S202中，经Cu-P系钎料224熔融而形成液相，并且在该液相中熔入有Ti材25，通过液相凝固，从而接合陶瓷基板11和Cu板222。此时，包含在Cu-P系钎料224中的P与Ti材25的Ti结合，在陶瓷基板11侧形成Cu-Sn层14。
并且，在该加热处理工序S202中，接合材227熔融而形成液相，通过液相凝固，通过接合材227接合陶瓷基板11和Al板223。此外，在加热处理工序S202中，接合材242熔融而形成液相，通过液相凝固，通过接合材242接合Al板223和散热器230。
由此，制造出作为本实施方式的功率模块用基板210及带散热器功率模块用基板。
接着，在功率模块用基板210的电路层212的上表面上，通过焊锡材接合半导体元件3(半导体元件接合工序S203)。
如此，制造出本实施方式所涉及的功率模块201。
在上述结构的本实施方式所涉及的功率模块用基板210中，取得与第一实施方式中说明的功率模块用基板10同样的效果。
另外，在本实施方式所涉及的功率模块用基板210中，在陶瓷基板11的另一个面形成有接合Al板223而成的金属层213，因此能够通过金属层213有效地散发来自半导体元件3的热。另外，由于Al的变形阻力较低，因此在施加冷热循环负载时，通过金属层213来吸收在功率模块用基板210与散热器230之间产生的热应力，从而能够抑制陶瓷基板11发生破损。
另外，根据本实施方式所涉及的功率模块用基板210的制造方法，能够在较低温下接合陶瓷基板11和Cu板222，因此能够同时接合由Cu板222构成的电路层212 和由Al板223构成的金属层213，从而能够简化制造工序，并且能够降低制造成本。
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进行适当变形。
例如，在本实施方式中，说明了通过在绝缘电路基板上搭载半导体元件而构成功率模块，但并不限定于此。例如，也可以通过在绝缘电路基板的电路层上搭载LED元件而构成LED模块，还可以通过在绝缘电路基板的电路层上搭载热电元件而构成热电模块。
另外，在第二实施方式及第三实施方式中，对同时在陶瓷基板的一个面接合电路层、在另一个面接合金属层的情况进行了说明，但也可以分别接合电路层和金属层。
另外，在第三实施方式中，对同时接合电路层、金属层及散热器的情况进行了说明，但也可以在陶瓷基板上接合电路层和金属层之后，接合金属层和散热器。
另外，在第三实施方式中，对在陶瓷基板的另一个面通过Al-Si系焊料接合金属层的情况进行了说明，但也可以利用瞬间液相接合法(TLP)或Ag膏等来接合金属层。
另外，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器的情况进行了说明，但也可以是被称作散热板的板状的散热器或具有销状鳍片的散热器。
另外，对利用焊锡材或钎料来接合功率模块用基板和散热器的情况进行了说明，但也可以通过润滑脂且利用止动螺钉等来固定功率模块用基板和散热器之间。
另外，在第二实施方式及第三实施方式的功率模块用基板中，也可以在功率模块用基板的另一面侧不接合散热器。
此外，作为Ti材也可以使用Ti箔，还可以通过蒸镀或溅射来形成Ti材。另外，还可以使用在Cu部件的一个面配设有Ti的Cu部件/Ti包层材。
此外，可使用按顺序层叠有在Ti材的一个面配设有Cu-P系钎料的Ti材/钎料包层材或Cu部件、Ti材、Cu-P系钎料的Cu部件/Ti材/钎料材包层。
另外，在上述实施方式中对作为Cu-P系钎料使用Cu-P-Sn-Ni钎料的情况进行了说明，但也可以使用Cu-P钎料等的其他Cu-P系钎料。以下，对适合本发明的接合体的制造方法的Cu-P系钎料进行详细说明。
Cu-P系钎料的P含量优选为3质量％以上且10质量％以下。
P为具有降低钎料的熔融开始温度的作用效果的元素。另外，该P为具有如下的作用效果的元素：即，通过因P氧化而发生的P氧化物来包覆钎料表面而防止钎料的氧化，并且通过由流动性良好的P氧化物覆盖已熔融的钎料表面而提高钎料的润湿性。
在P含量小于3质量％时，无法充分获得降低钎料的熔融开始温度的效果，有可能会导致钎料的熔融开始温度上升，或者因钎料的流动性不足而陶瓷基板与电路层之间的接合性下降。另外，在P含量超过10质量％时，形成较多的脆的金属间氧化物，有可能陶瓷基板与电路层之间的接合性或接合可靠性下降。
基于这种理由，包含在Cu-P系钎料中的P含量优选为3质量％以上且10质量％以下。
另外，Cu-P系钎料也可以含有0.5质量％以上且25质量％以下的Sn。
Sn为具有降低钎料的熔点的作用效果的元素。在Sn含量为0.5质量％以上时，能够切实地降低钎料的熔点。另外，在Sn含量为25质量％以下时，能够抑制钎料的低温脆化，并且能够提高陶瓷基板与电路层之间的接合可靠性。
基于这种理由，在Cu-P系钎料含有Sn的情况下，其含量优选在0.5质量％以上且25质量％以下的范围内。
另外，Cu-P系钎料也可以含有2质量％以上且20质量％以下的Ni、Cr、Fe及Mn 中的一种或两种以上。
Ni、Cr、Fe及Mn为具有抑制在陶瓷基板与钎料之间的界面上形成含有P的金属间化合物的作用效果的元素。
在Ni、Cr、Fe及Mn中的任一种或两种以上的含量为2质量％以上时，能够抑制在陶瓷基板与钎料之间的接合界面上形成含有P的金属间化合物，并且提高陶瓷基板与电路层之间的接合可靠性。另外，Ni、Cr、Fe及Mn中的任一种或两种以上的含量为20质量％以下时，抑制钎料的熔融开始温度上升，并且抑制钎料的流动性下降，从而能够提高陶瓷基板与电路层之间的接合性。
基于这种理由，在Cu-P系钎料中含有Ni、Cr、Fe及Mn中的任一种或两种以上的情况下，其含量优选在2质量％以上且20质量％以下的范围内。
实施例
(实施例1)
下面，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验(实施例1)的结果进行说明。
在由AlN构成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一个面按顺序层叠表1 所示的Cu-P系钎料、Ti材和由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)。
此时，以介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]为表1所示的数值的方式，配置Cu-P系钎料及Ti材。
此外，本实施例中使用的陶瓷基板为在100质量％的AlN中添加10质量％的ZrO2并烧结而成的陶瓷基板。
作为加热处理工序，在以15kgf/cm2的压力沿层叠方向加压的状态下装入到真空加热炉内，并在Cu-P系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，从而在陶瓷基板的一个面接合Cu板以形成电路层。
该加热处理工序中的加热温度、加热温度下的保持时间及达到加热温度的升温速度以表1的条件实施。
如此，获得本发明例1-1～1-8及比较例1-1～1-4的功率模块用基板。
对以上述方式获得的功率模块用基板，评价陶瓷基板与电路层之间的接合层中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面积率及局部放电特性。
(Cu3P相的面积率)
使用EPMA(电子探针显微分析仪)，在750倍下观察上述功率模块用基板的Cu 板/陶瓷基板界面的截面，并求出从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域A的面积a。接着，在区域A内，P浓度为22at％～28at％的区域B视为Cu3P相，求出该区域B的面积b，并将面积b/面积a设为Cu3P相的面积率(％)。将评价结果示于表1。此外，在5个视场下进行观察，将Cu3P相的面积率设为该5个视场的面积率的平均。
(局部放电特性)
对所获得的功率模块用基板施加100次200℃、5分钟和-40℃、5分钟的冷热循环负载。然后，使探针接触到功率模块用基板的电路层表面及陶瓷基板的未形成电路层的一侧后，浸渍在3M公司制的电子氟化液中，对放电电荷量在国际标准IEC61287 中规定的条件下，将测量电压设定为3.3kV来评价局部放电特性。将测量电压评价结果示于表1。
[表1]
Figure GDA0001789511650000171
在比较例1-1中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]小于0.1，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例1-2中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]大于0.8，局部放电特性不充分。
在比较例1-3中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度小于5℃/分钟，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例1-4中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度大于30℃/分钟，局部放电特性不充分。
相对于此，在本发明例1-1～1-8中，局部放电特性均优异。根据该实施例1，确认到在陶瓷基板的单面上接合Cu板的情况下能够提高局部放电特性。
(实施例2)
接着，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验(实施例2)的结果进行说明。
在由AlN构成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一面及另一个面按顺序层叠表2所示的Cu-P系钎料、Ti材和由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)。
此时，以介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]为表2所示的数值的方式，配置Cu-P系钎料及Ti材。
此外，本实施例中使用的陶瓷基板为在100质量％的AlN中添加10质量％的ZrO2并烧结而成的陶瓷基板。
作为加热处理工序，在以15kgf/cm2的压力沿层叠方向加压的状态下装入到真空加热炉内，并在Cu-P系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，从而在陶瓷基板的一面及另一个面接合Cu板以形成电路层及金属层。
该加热处理工序中的加热温度、加热温度下的保持时间及达到加热温度的升温速度以表2的条件实施。
如此，获得本发明例2-1～2-8及比较例2-1～2-4的功率模块用基板。
与实施例1同样，对以上述方式获得的功率模块用基板，评价陶瓷基板与电路层之间的接合层中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面积率及局部放电特性。此外，在评价局部放电特性时，通过使探针接触到电路层及金属层的表面而进行测量。
将评价结果示于表2。
[表2]
Figure GDA0001789511650000191
在比较例2-1中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]小于0.1，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例2-2中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]大于0.8，局部放电特性不充分。
在比较例2-3中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度小于5℃/分钟，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例2-4中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度大于30℃/分钟，局部放电特性不充分。
相对于此，在本发明例2-1～2-8中，局部放电特性均优异。根据该实施例2，确认到即使在陶瓷基板的两面上接合有Cu板的情况下也能够提高局部放电特性。
(实施例3)
下面，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验(实施例3)的结果进行说明。
在由AlN构成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一个面按顺序层叠表3 所示的Cu-P系钎料、Ti材和由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)，并且在陶瓷基板的另一个面通过Al-Si系钎料层叠由纯度为99.99质量％的Al构成的Al板 (37mm×37mm×2.1mmt)。
此时，以介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]为表3所示的数值的方式，配置Cu-P系钎料及Ti材。
此外，本实施例中使用的陶瓷基板为在100质量％的AlN中添加10质量％的ZrO2并烧结而成的陶瓷基板。
作为加热处理工序，在以15kgf/cm2的压力沿层叠方向加压的状态下装入到真空加热炉内，并在10-6Pa以上且10-3Pa以下的压力及Cu-P系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，从而在陶瓷基板的一个面接合Cu板以形成电路层的同时，在陶瓷基板的另一个面接合Al板以形成金属层。
该加热处理工序中的加热温度、加热温度下的保持时间及达到加热温度的升温速度以表3的条件实施。
如此，获得本发明例3-1～3-8及比较例3-1～3-4的功率模块用基板。
与实施例1同样，对以上述方式获得的功率模块用基板，评价陶瓷基板与电路层之间的接合层中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面积率及局部放电特性。此外，在评价局部放电特性时，通过使探针接触到电路层及金属层的表面而进行测量。
将评价结果示于表3。
[表3]
Figure GDA0001789511650000211
在比较例3-1中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]小于0.1，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例3-2中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]大于0.8，局部放电特性不充分。
在比较例3-3中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度小于5℃/分钟，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例3-4中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度大于30℃/分钟，局部放电特性不充分。
相对于此，在本发明例3-1～3-8中，局部放电特性均优异。根据该实施例3，确认到即使在陶瓷基板的一个面接合有Cu板并且在陶瓷基板的另一个面接合有Al板的情况下也能够提高局部放电特性。
(实施例4)
下面，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验(实施例4)的结果进行说明。
在由AlN构成的陶瓷基板(40mm×40mm×1.0mmt)的一面及另一个面按顺序层叠表4所示的Cu-P系钎料、Ti材和由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)。
此时，以介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]为表4所示的数值的方式，配置Cu-P系钎料及Ti材。
此外，本实施例中使用的陶瓷基板为在100质量％的AlN中添加10质量％的ZrO2并烧结而成的陶瓷基板。
通过作为加热处理工序，在以15kgf/cm2的压力沿层叠方向加压的状态下装入到真空加热炉内，并在Cu-P系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，从而在陶瓷基板的一面及另一个面接合Cu板以形成电路层和金属层。
该加热处理工序中的加热温度、加热温度下的保持时间及达到加热温度的升温速度以表4的条件实施。
如此，获得本发明例4-1～4-8及比较例4-1～4-4的功率模块用基板。
与实施例1同样，对以上述方式获得的功率模块用基板，评价陶瓷基板与电路层之间的接合层中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面积率。
另外，关于局部放电特性，首先，对所获得的功率模块用基板施加200次150℃、 15分钟和-50℃、15分钟的冷热循环负载。并且，之后，使探针接触到功率模块用基板的电路层表面及金属层表面后，浸渍在电子氟化液中，对放电电荷量在国际标准IEC61287中规定的条件下，将测量电压设定为5.1kV来评价局部放电特性。即，在该实施例4中，对高电压负载时的局部放电特性进行评价。
将评价结果示于表4。
[表4]
Figure GDA0001789511650000241
在比较例4-1中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]小于0.1，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例4-2中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]大于0.8，局部放电特性不充分。
在比较例4-3中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度小于5℃/分钟，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例4-4中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度大于30℃/分钟，局部放电特性不充分。
相对于此，在本发明例4-1～4-8中，局部放电特性均优异。根据该实施例4，确认到即使在将测量电压设定为5.1kV而较高的情况下也能够获得充分的局部放电特性。
(实施例5)
下面，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验(实施例5)的结果进行说明。
在由Si3N4构成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.32mmt)的一面及另一个面按顺序层叠表5所示的Cu-P系钎料、Ti材和由无氧铜构成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)。
此时，以介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]为表5所示的数值的方式，配置Cu-P系钎料及Ti材。
作为加热处理工序，在以15kgf/cm2的压力沿层叠方向加压的状态下装入到真空加热炉内，并在Cu-P系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，从而在陶瓷基板的一面及另一个面接合Cu板以形成电路层及金属层。
该加热处理工序中的加热温度、加热温度下的保持时间及达到加热温度的升温速度以表5的条件实施。
如此，获得本发明例5-1～5-8及比较例5-1～5-4的功率模块用基板。
与实施例1同样，对以上述方式获得的功率模块用基板，评价陶瓷基板与电路层之间的接合层中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面积率及局部放电特性。此外，在评价局部放电特性时，通过使探针接触到电路层及金属层的表面而进行测量。
将评价结果示于表5。
[表5]
Figure GDA0001789511650000261
在比较例5-1中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]小于0.1，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例5-2中，介于陶瓷基板与Cu板之间的P和Ti的原子比[Ti/P]大于0.8，局部放电特性不充分。
在比较例5-3中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度小于5℃/分钟，从陶瓷基板的接合面朝向Cu板侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率大于15％，因此局部放电特性不充分。
在比较例5-4中，加热处理工序中的达到加热温度的升温速度大于30℃/分钟，局部放电特性不充分。
相对于此，在本发明例5-1～5-8中，局部放电特性均优异。根据该实施例5，确认到即使在由Si3N4构成的陶瓷基板的两面上接合有Cu板的情况下也能够提高局部放电特性。
产业上的可利用性
根据本发明的接合体、包括该接合体的功率模块用基板、功率模块、以及该接合体的制造方法、功率模块用基板的制造方法，能够良好地接合陶瓷部件和Cu部件，并且即使在施加达到较高温的冷热循环负载的情况下也能够抑制局部放电的发生。
附图标记说明
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)
16 Cu3P相
18、118、218 接合层
22、122、123、222 Cu板(Cu部件)
24、124、224 Cu-P系钎料
113 金属层(Cu部件)

Claims (9)

1.一种接合体，所述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部件的接合体，其特征在于，
在形成于所述陶瓷部件与所述Cu部件之间的接合层中，从所述陶瓷部件的接合面朝向所述Cu部件侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下，
在所述接合层中的所述陶瓷部件的接合面附近形成有Cu-Sn层，
所述Cu-Sn层为Sn在Cu中形成了固溶体的层，
所述Cu-Sn层的所述Cu部件侧形成有包含Ti的含Ti层，
所述Cu3P相分散在所述Cu-Sn层内，
介于所述陶瓷部件与所述Cu部件之间的P和Ti的原子比[Ti/P]在0.1以上且0.8以下的范围内。
2.一种功率模块用基板，其特征在于，
包括权利要求1所述的接合体，
所述功率模块用基板具备：陶瓷基板，由所述陶瓷部件构成；和电路层，形成在该陶瓷基板的一个面且由所述Cu部件构成，
在形成于所述陶瓷基板与所述电路层之间的接合层中，从所述陶瓷基板的接合面朝向所述电路层侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下。
3.根据权利要求2所述的功率模块用基板，其特征在于，
在所述陶瓷基板的另一个面形成有由Al或Al合金构成的金属层。
4.一种功率模块用基板，其特征在于，
包括权利要求1所述的接合体，
所述功率模块用基板具备：陶瓷基板，由所述陶瓷部件构成；电路层，形成在该陶瓷基板的一个面；和金属层，形成在该陶瓷基板的另一个面且由所述Cu部件构成，
在形成于所述陶瓷基板与所述金属层之间的接合层中，从所述陶瓷基板的接合面朝向所述金属层侧距离50μm的区域中的Cu3P相的面积率为15％以下。
5.一种功率模块，其特征在于，
具备：权利要求2至4中的任一项所述的功率模块用基板；和半导体元件，搭载在所述功率模块用基板的所述电路层上。
6.一种接合体的制造方法，其特征在于，该制造方法为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，制造权利要求1所述的接合体的制造方法，
具备：层叠工序，通过Cu-P系钎料和Ti材层叠所述陶瓷部件和所述Cu部件；和加热处理工序，通过在所述Cu-P系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热而生成液相，
在所述层叠工序中，以介于所述陶瓷部件与所述Cu部件之间的P和Ti的原子比[Ti/P]在0.1以上且0.8以下的范围内的方式，配置所述Cu-P系钎料及所述Ti材，
在所述加热处理工序中，将升温速度设在5℃/分钟以上且30℃/分钟以下的范围内。
7.一种功率模块用基板的制造方法，该制造方法为在陶瓷基板的一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层的功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板的制造方法的特征在于，
通过权利要求6所述的接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板和所述电路层。
8.一种功率模块用基板的制造方法，该制造方法为在陶瓷基板的一个面配设有电路层，并且在所述陶瓷基板的另一个面配设有由Cu或Cu合金构成的金属层的功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板的制造方法的特征在于，
通过权利要求6所述的接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板和所述金属层。
9.一种功率模块用基板的制造方法，该制造方法为在陶瓷基板的一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层，并且在所述陶瓷基板的另一个面配设有由Al或Al合金构成的金属层的功率模块用基板的制造方法，所述功率模块用基板的制造方法的特征在于，
通过权利要求6所述的接合体的制造方法来接合所述陶瓷基板和所述电路层。
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