CN109075135B - 接合体、功率模块用基板、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、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，其中，在陶瓷部件与Cu部件的接合界面形成有：位于陶瓷部件侧且Sn固溶于Cu中的Cu‑Sn层；位于Cu部件侧且含有Cu和Ti的第一金属间化合物层；及位于第一金属间化合物层与Cu‑Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。

Description

接合体、功率模块用基板、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
本发明涉及一种陶瓷部件与Cu部件接合而成的接合体及在陶瓷基板接合有由Cu或Cu合金构成的Cu板的功率模块用基板。
本申请主张基于2016年1月22日在日本申请的专利申请2016-010675号及2017年1月5日在日本申请的专利申请2017-000381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、电动汽车等电动车辆等而使用的大电力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具备在陶瓷基板(陶瓷部件)的一个面通过接合Cu板(Cu部件)而形成电路层的结构。该功率模块用基板通过在陶瓷基板的一个面夹着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中所公开的那样通过Cu-Mg-Ti钎料接合陶瓷基板与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。
由于形成在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，产生在陶瓷基板的热应力变大，在陶瓷基板容易产生裂纹。
另外，当接合陶瓷基板与电路层时，若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，无法良好地接合。
因此，如专利文献2、3中提出了将陶瓷基板与电路层使用Cu-P-Sn系钎料及Ti材接合的功率模块用基板。
在这些专利文献2、3中记载的发明中，由于在陶瓷基板侧形成有Cu-Sn层，在陶瓷基板的附近未配设较硬的金属间化合物层，因此能够降低施加冷热循环负载时陶瓷基板产生的热应力，抑制在陶瓷基板产生裂纹。
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
然而，最近搭载于功率模块用基板的半导体元件有发热温度变高的倾向，对功率模块用基板要求与以往相比更有效地散热。
在此，在专利文献2中记载的功率模块用基板中，在陶瓷基板与由Cu或Cu合金构成的电路层之间形成有Ti层，该Ti层的厚度较厚地形成为1μm以上15μm以下。因此，层叠方向的热阻变高，有可能无法有效地散热。
并且，在专利文献3中记载的功率模块用基板中，在陶瓷基板与由Cu或Cu合金构成的电路层之间形成有Cu-Sn层和含有P及Ti的金属间化合物层，但是使用环境温度变高时，有可能以含有P及Ti的金属间化合物层为起点产生裂纹，接合变得不充分。
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，且能够使层叠方向的热阻而有效地散热的接合体、功率模块用基板及该接合体的制造方法、功率模块用基板的制造方法。
为解决上述课题，本发明的一个方式的接合体，其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；位于所述Cu部件侧且含有Cu和Ti的第一金属间化合物层；及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
根据本发明的一个方式的接合体，由于形成有位于所述Cu部件侧且含有Cu和Ti的第一金属间化合物层，因此能够切实地接合Cu部件与第二金属间化合物层，即使使用环境温度变高，也能够确保Cu部件与陶瓷部件的接合强度。并且，由于未形成Ti层或非常薄，因此能够将层叠方向上的热阻抑制地较低，能够有效地散热。
在此，在本发明的一个方式的接合体中，还可以在所述第一金属间化合物层与所述第二金属间化合物层之间形成有Ti层，该Ti层的厚度为0.5μm以下。
此时，虽然在所述第一金属间化合物层与所述第二金属间化合物层之间形成有Ti层，但是由于该Ti层的厚度设为0.5μm以下，因此能够将层叠方向上的热阻抑制地较低，能够有效地散热。
并且，在本发明的一个方式的接合体中，所述第一金属间化合物层的厚度优选设为0.2μm以上6μm以下的范围内。
此时，由于含有Cu和Ti的第一金属间化合物层的厚度设为0.2μm以上，因此能够切实地提高Cu部件与陶瓷部件的接合强度。另一方面，由于第一金属间化合物层的厚度设为6μm以下，因此能够抑制第一金属间化合物层中的破损的产生。
进而，在本发明的一个方式的接合体中，所述第二金属间化合物层的厚度优选设为0.5μm以上且4μm以下的范围内。
此时，由于含有P和Ti的第二金属间化合物层的厚度设为0.5μm以上，因此能够切实地提高Cu部件与陶瓷部件的接合强度。另一方面，由于第二金属间化合物层的厚度设为4μm以下，因此能够抑制第二金属间化合物层中的破损的发生。
本发明的一个方式的功率模块用基板包括上述接合体，其特征在于，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，由在该陶瓷基板的一个面形成的所述Cu部件构成，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；位于所述电路层侧且具有Cu和Ti的第一金属间化合物层；及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
根据本发明的一个方式的功率模块用基板，由于在所述电路层侧形成有含有Cu和Ti的第一金属间化合物层，因此能够切实地接合电路层与第二金属间化合物层，即使使用环境温度变高，也能够确保电路层与陶瓷基板的接合强度。并且，由于未形成Ti层、或即使形成有Ti层其厚度也薄至0.5μm以下，因此能够将层叠方向上的热阻抑制地较低，能够有效地散发来自于搭载在电路层上的半导体元件的热量。
在此，在上述的本发明的一个方式的功率模块用基板中，还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。
此时，由于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，因此对功率模块用基板受到应力时金属层优先变形，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。
并且，本发明的一个方式的功率模块用基板包括上述接合体，其特征在于，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，在该陶瓷基板的一个面形成；及金属层，由在所述陶瓷基板的另一个面形成的所述Cu部件构成，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；位于所述金属层侧且具有Cu和Ti的第一金属间化合物层；及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
根据本发明的一个方式的功率模块用基板，由于在所述金属层侧形成有含有Cu和Ti的第一金属间化合物层，因此能够切实地接合金属层与第二金属间化合物层，即使使用环境温度变高，也能够确保金属层与陶瓷基板的接合强度。并且，由于未形成Ti层、或即使形成有Ti层其厚度也薄至0.5μm以下，因此能够将层叠方向上的热阻抑制地较低，能够有效地散发来自于搭载在电路层上的半导体元件的热量。
本发明的一个方式的接合体的制造方法，其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，其特征在于，具备：层叠工序，通过Cu-P-Sn系钎料与Ti材，层叠所述陶瓷部件与所述Cu部件；第一加热处理工序，在层叠的状态下，以小于所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度的温度进行加热，使所述Cu部件与所述Ti材反应而形成具有Cu和Ti的第一金属间化合物层；及第二加热处理工序，在所述第一加热处理工序之后，以所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，形成Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层、及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
根据该构成的接合体的制造方法，由于具备：第一加热处理工序，在层叠的状态下，以小于所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度的温度进行加热，使所述Cu部件与所述Ti材反应而形成含有Cu和Ti的第一金属间化合物层，因此能够切实地形成第一金属间化合物层，切实地接合Cu部件和Ti材。并且，在该第一加热处理工序中使Ti材的一部分残留。
进而，由于具备：第二加热处理工序，在所述第一加热处理工序之后，以所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，形成Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层、及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层，因此通过使Ti材的Ti与Cu-P-Sn系钎料反应，能够形成第二金属间化合物层，能够切实地接合Cu部件与陶瓷部件。并且，在该第二加热处理工序中，可以使所有Ti材反应，也可以使一部分残留而形成0.5μm以下的Ti层。
在此，在上述本发明的一个方式的接合体的制造方法中，优选所述第一加热处理工序中的加热温度设为580℃以上670℃以下的范围内，加热时间设为30分钟以上240分钟以下的范围内。
此时，由于加热温度设为580℃以上及加热时间设为30分钟以上，因此能够切实地形成所述第一金属间化合物层。另一方面，由于加热温度设为670℃以下及加热时间设为240分钟以下，因此所述第一金属间化合物层无需形成为所需以上的厚度，能够抑制第一金属间化合物层中的破损的产生。
另外，本发明的一个方式的接合体的制造方法，其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，其特征在于，具备：CuTi扩散工序，将所述Cu部件和Ti材在层叠的状态下加热使Cu和Ti扩散，在Cu部件与所述Ti材之间形成含有Cu和Ti的第一金属间化合物层；层叠工序，通过Cu-P-Sn系钎料，层叠所述陶瓷部件与形成了所述第一金属间化合物层的所述Ti材和所述Cu部件；及加热处理工序，以所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，形成Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层、及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
根据该构成的接合体的制造方法，由于具备：CuTi扩散工序，将所述Cu部件和所述Ti材在层叠的状态下加热使Cu和Ti扩散，在Cu部件与所述Ti材之间形成含有Cu和Ti的第一金属间化合物层，因此能够切实地形成第一金属间化合物层。并且，在该CuTi扩散CuTi扩散工序中使Ti材的一部分残留。
另外，在CuTi扩散工序中，由于无需层叠钎料而层叠并加热Cu部件和Ti材，因此能够比较自由地设定加热条件，能够切实地形成第一金属间化合物层，并且能够精度良好地调整残留的Ti材的厚度。
进而，由于具备：层叠工序，通过Cu-P-Sn系钎料，层叠所述陶瓷部件与形成了所述第一金属间化合物层的所述Ti材和所述Cu部件；加热处理工序，以所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，形成Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层、及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层，因此通过使Ti材的Ti与Cu-P-Sn系钎料反应，从而能够形成第二金属间化合物层，能够切实地接合Cu部件与陶瓷部件。并且，在该第二加热处理工序中，可以使所有Ti材反应，也可以使一部分残留而形成0.5μm以下的Ti层。
在此，在上述本发明的一个方式的接合体的制造方法中，优选所述CuTi扩散工序中的加热温度设为600℃以上670℃以下的范围内，加热时间设为30分钟以上360分钟以下的范围内。
此时，由于加热温度设为600℃以上及加热时间设为30分钟以上，因此能够切实地形成所述第一金属间化合物层。另一方面，由于加热温度设为670℃以下及加热时间设为360分钟以下，因此所述第一金属间化合物层无需形成为所需以上的厚度，能够抑制第一金属间化合物层成为破损的起点。
另外，在上述本发明的接合体的制造方法中，在所述CuTi扩散工序中，层叠方向的负荷可以设为0.294MPa以上1.96MPa以下的范围内。
此时，由于负荷设为0.294MPa以上1.96MPa以下的范围内，因此能够切实地形成所述第一金属间化合物层，能够进一步提高接合强度。优选为0.490MPa以上1.47MPa以下，更优选为1.18MPa以上1.47MPa以下的范围内。
本发明的一个方式的功率模块用基板的制造方法，在陶瓷基板的一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层，其特征在于，将所述陶瓷基板与所述电路层通过上述的接合体的制造方法进行接合。
根据该构成的功率模块用基板的制造方法，能够在电路层与陶瓷基板的接合界面形成：位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；位于所述电路层侧且具有Cu和Ti的第一金属间化合物层；及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层，能够切实地接合电路层与陶瓷基板，同时能够制造层叠方向的热阻低而能够有效地散热的功率模块用基板。
本发明的一个方式的功率模块用基板的制造方法，在陶瓷基板的一个面配设有电路层，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，其特征在于，将所述陶瓷基板与所述金属层通过上述的接合体的制造方法进行接合。
根据该构成的功率模块用基板的制造方法，能够在金属层与陶瓷基板的接合界面形成：位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；位于所述电路层侧且具有Cu和Ti的第一金属间化合物层；及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层，能够切实地接合金属层与陶瓷基板，同时能够制造层叠方向的热阻低而能够有效地散热的功率模块用基板。
本发明的一个方式的功率模块用基板的制造方法，在陶瓷基板的一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层，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，其特征在于，将所述陶瓷基板与所述电路层通过上述的接合体的制造方法进行接合。
根据该构成的功率模块用基板的制造方法，能够在电路层与陶瓷基板的接合界面形成：位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层；位于所述电路层侧且具有Cu和Ti的第一金属间化合物层；及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层，能够切实地接合电路层与陶瓷基板，同时能够制造层叠方向的热阻低而能够有效地散热的功率模块用基板。
另外，由于能够以较低温接合由Cu或Cu合金构成的电路层与陶瓷基板，因此还可同时接合由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，能够提供陶瓷部件与Cu部件被良好地接合，且层叠方向的热阻低的接合体、功率模块用基板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为图2所示的功率模块用基板的电路层与陶瓷基板的接合界面中的截面的概略说明图。
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所示的功率模块用基板的电路层及金属层与陶瓷基板的接合界面中的截面的概略图。
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为图12所示的功率模块用基板的电路层与陶瓷基板的接合界面中的截面的概略图。
图14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15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：陶瓷基板11；及配设于该陶瓷基板11的一个面(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，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的一个面通过接合具有导电性的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-Sn系钎料24及由Ti材25接合的无氧铜构成的Cu板22并进行加热处理，在陶瓷基板11接合Cu板22而形成(参考图5)。此外，在本实施方式中，作为Cu-P-Sn系钎料24，使用Cu-P-Sn-Ni钎料。
在此，在电路层12中，陶瓷基板11侧为Sn扩散在Cu中的结构。
此外，电路层12的厚度被设定在0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.3mm。
图3中示出陶瓷基板11与电路层12的接合界面的概略说明图。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；位于电路层12侧，含有Cu和Ti的第一金属间化合物层16；及位于第一金属间化合物层16与Cu-Sn层14之间，含有P及Ti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为通过Cu-P-Sn系钎料24中所含的P进入到第二金属间化合物层17中而形成的层。
第一金属间化合物层16为通过电路层12的Cu与Ti材25的Ti相互扩散而形成的层。在此，Cu与Ti的扩散为固相扩散。
具体而言，第一金属间化合物层16具有Cu4Ti相、Cu3Ti2相、Cu4Ti3相、CuTi相、CuTi2相的任意一种以上。在本实施方式中，第一金属间化合物层16具有Cu4Ti相、Cu3Ti2相、Cu4Ti3相、CuTi相、CuTi2相。
另外，在本实施方式中，该第一金属间化合物层16的厚度设为0.2μm以上6μm以下的范围内。
第二金属间化合物层17通过Cu-P-Sn系钎料24中所含的P与Ti材25中所含的Ti结合而形成。在本实施方式中，由于Cu-P-Sn系钎料24含有Ni，因此该第二金属间化合物层17具有P-Ni-Ti相、P-Ti相、Cu-Ni-Ti相的任意一种以上，具体而言，设为P-Ni-Ti相。
另外，在本实施方式中，该第二金属间化合物层17的厚度设为0.5μm以上4μm以下的范围内。
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接合。
接合层2例如为Sn-Ag系、Sn-In系或者Sn-Ag-Cu系的焊锡材。
以下，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，层叠作为电路层12的Cu板22与Ti材25，在层叠方向进行加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下，配置在真空加热炉内并进行加热，使Cu板22与Ti材25固相扩散接合，得到Cu-Ti接合体27(CuTi扩散工序S01)。
此外，Ti材25的厚度设为0.4μm以上5μm以下的范围内。在此，Ti材25的厚度为0.4μm以上且小于1μm时优选通过蒸镀或溅射来进行成膜，厚度为1μm以上5μm以下时优选使用箔材。此外，Ti材25的厚度优选设为0.4μm以上，更优选设为0.5μm以上。另外，Ti材25的厚度优选设为1.5μm以下，更优选设为0.7μm以下。在本实施方式中，作为Ti材25，使用厚度1μm，纯度99.8质量％的Ti箔。
在通过该CuTi扩散工序S01得到的Cu-Ti接合体27中，Ti材25与Cu板22通过固相扩散接合而接合，成为Cu板22与中间Ti层26的层叠结构。在此，在中间Ti层26与Cu板22之间形成有含有Cu和Ti的中间第一金属间化合物层。此时，并不是所有Ti材25在中间第一金属间化合物层的形成时都被消耗，其一部分残留。
在此，在本实施方式中，中间Ti层26的厚度设为0.1μm以上3μm以下的范围内。此外，中间Ti层26的厚度优选设为0.2μm以上，更优选设为0.4μm以上。另外，中间Ti层26的厚度优选设为1.5μm以下，更优选设为1μm以下。
进而，中间第一金属间化合物层的厚度优选设为0.1μm以上6μm以下。
另外，在CuTi扩散工序S01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670℃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。
在此，在CuTi扩散工序S01中，通过将加热温度设为600℃以上及将加热时间设为30分钟以上，从而能够充分形成中间第一金属间化合物层。另外，通过将加热温度设为670℃以下及将加热时间设为360分钟以下，从而能够抑制中间第一金属间化合物层形成为所需以上的厚度。
此外，加热温度优选设为610℃以上，更优选设为620℃以上。加热温度优选设为650℃以下，更优选设为640℃以下。另外，加热时间优选设为15分钟以上，更优选设为60分钟以上。加热时间优选设为120分钟以下，更优选设为90分钟以下。
此外，为了更加牢固地接合Cu板22与Ti材25，在CuTi扩散工序S01中，优选将对层叠方向的加压负荷设为0.294MPa以上1.96MPa以下(3kgf/cm2以上20kgf/cm2以下)的范围内。更优选设为0.490MPa以上1.47MPa以下，进一步优选设为1.18MPa以上1.47MPa以下的范围内。
接着，在陶瓷基板11的一个面(图5中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn系钎料24、Cu-Ti接合体27(层叠工序S02)。在此，Cu-Ti接合体27以中间Ti层26与Cu-P-Sn系钎料24相对置的方式层叠。
在本实施方式中，Cu-P-Sn系钎料24的组成为Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％Ni，其固相线温度(熔融开始温度)为580℃。另外，Cu-P-Sn系钎料24使用箔材，其厚度设为5μm以上150μm以下的范围内。
接着，在沿着层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P-Sn系钎料24、Cu-Ti接合体27进行加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下，装入真空加热炉内并进行加热(加热处理工序S03)。
在此，在本实施方式中，作为加热处理工序S03的条件，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700℃以下的范围内，将加热时间设定为15分钟以上120分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S03中，Cu-P-Sn系钎料24经过熔融而形成液相，中间Ti层26熔入到液相中，通过液相凝固，陶瓷基板11与Cu板22被接合。此时，Cu-P-Sn系钎料24中所含的P及Ni与中间Ti层26的Ti结合，形成第二金属间化合物层17，并且在陶瓷基板11侧形成有Cu-Sn层14。此外，第一金属间化合物层16通过中间第一金属间化合物层残留而形成。
此外，在本实施方式中，由于中间Ti层26的厚度设为0.1μm以上3μm以下的范围内，因此该中间Ti层26全部熔入到Cu-P-Sn系钎料24的液相中，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面不残留中间Ti层26。
由此，在陶瓷基板11的一个面形成电路层12，从而制造出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接合半导体元件3(半导体元件接合工序S04)。
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，由于在陶瓷基板11与电路层12的接合界面中，形成有位于电路侧12侧且含有Cu和Ti的第一金属间化合物层16，因此通过该第一金属间化合物层16能够切实地接合电路层12与第二金属间化合物层17。由此，即使使用环境温度变高，也能够确保电路层12与陶瓷基板11的接合强度。
另外，由于未在陶瓷基板11与电路层12的接合界面形成Ti层，因此可将电路层12与陶瓷基板11的层叠方向上的热阻抑制地较低，能够有效地散发由搭载在电路层12上的半导体元件3产生的热。
另外，在本实施方式中，由于第一金属间化合物层16的厚度设为0.2μm以上，因此能够切实地提高电路层12与陶瓷基板11的接合强度。另一方面，由于第一金属间化合物层16的厚度设为6μm以下，因此能够抑制该第一金属间化合物层16中的破损的产生。
此外，为了切实地提高电路层12与陶瓷基板11的接合强度，优选将第一金属间化合物层16的厚度设为0.5μm以上，更优选设为1μm以上。另外，为了切实地抑制第一金属间化合物层16中的破损的产生，优选将第一金属间化合物层16的厚度设为5μm以下，更优选设为3μm以下。此外，第一金属间化合物层16的厚度有时通过加热处理工序S03中的加热而推进Ti的扩散，从而会比中间第一金属间化合物层的厚度更厚。
进而，在本实施方式中，由于第二金属间化合物层17的厚度设为0.5μm以上，因此能够切实地提高电路层12与陶瓷基板11的接合强度。另一方面，由于第二金属间化合物层17的厚度设为4μm以下，因此能够抑制该第二金属间化合物层17中的破损的产生。
此外，为了切实地提高电路层12与陶瓷基板11的接合强度，优选将第二金属间化合物层17的厚度设为1μm以上，更优选设为2μm以上。另外，为了切实地抑制第二金属间化合物层17中的破损的产生，优选将第二金属间化合物层17的厚度设为3.5μm以下，更优选设为3μm以下。
另外，在本实施方式的功率模块用基板的制造方法中，由于具备：CuTi扩散工序S01，层叠作为电路层12的Cu板22与Ti材25，在沿着层叠方向加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下配置在真空加热炉内进行加热，使Cu板22与Ti材25固相扩散接合，得到Cu-Ti接合体27，因此能够在Cu板22与中间Ti层26之间切实地形成含有Cu和Ti的中间第一金属间化合物层。
另外，由于中间Ti层26的厚度设为0.1μm以上3μm以下的范围内，因此在后工序的加热处理工序S03中，能够使中间Ti层26与Cu-P-Sn系钎料24反应。
进而，在CuTi扩散工序S01中，由于层叠Cu板22与Ti材25并进行加热，而未层叠Cu-P-Sn系钎料24，因此能够比较自由地设定加热温度及加热时间。
进而，在本实施方式的功率模块用基板的制造方法中，由于具备：加热处理工序S03，在沿着层叠方向对陶瓷基板11、Cu-P-Sn系钎料24、Cu-Ti接合体27进行加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下，装入真空加热炉内并进行加热，因此通过使中间Ti层26的Ti与Cu-P-Sn系钎料24反应，从而能够形成第二金属间化合物层17，能够切实地接合电路层12与陶瓷基板11。
在此，在加热处理工序S03中，加压的压力为1kgf/cm2以上时，能够使陶瓷基板11与Cu-P-Sn系钎料24的液相紧贴，能够良好地接合陶瓷基板11与Cu-Sn层14。另外，加压的压力为35kgf/cm2以下时，能够抑制陶瓷基板11产生破损。因这些理由，在本实施方式中，加压的压力被设定为1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的范围内。
(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，对于与第一实施方式相同的结构标注相同的符号，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：配设有电路层112及金属层113的功率模块用基板110；在电路层112的一个面(图6中为上表面)通过接合层2而接合的半导体元件3；及配置于金属层113的另一侧(图6中为下侧)的散热器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的一个面(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(图7中为下表面)的金属层113。
陶瓷基板11与第一实施方式同样，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的一个面依次层叠Cu-P-Sn系钎料124、Ti材25、由无氧铜构成的Cu板122并进行加热处理，在陶瓷基板11接合Cu板122而形成(参考图10)。
此外，电路层112的厚度被设定为0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.3mm。
金属层113通过在陶瓷基板11的另一个面通过Cu-P-Sn系钎料124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-Sn系钎料124、Ti材25、由无氧铜构成的Cu板123并进行加热处理，在陶瓷基板11接合Cu板123而形成(参考图10)。
该金属层113的厚度被设定为0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.3mm。
在此，在本实施方式中，作为Cu-P-Sn系钎料124，具体使用Cu-P-Sn-Ni钎料。
图8中示出陶瓷基板11与电路层112(金属层113)的接合界面的概略说明图。如图8所示，在陶瓷基板11与电路层112(金属层113)的接合界面形成有位于陶瓷基板11侧的Cu-Sn层14；位于电路层112(金属层113)侧，含有Cu和Ti的第一金属间化合物层16；及位于第一金属间化合物层16与Cu-Sn层14之间，含有P及Ti的第二金属间化合物层17。
在此，在本实施方式中，在第一金属间化合物层16与第二金属间化合物层17之间形成有Ti层15，该Ti层15的厚度设为0.5μm以下。
另外，在本实施方式中，第一金属间化合物层16的厚度设为0.2μm以上6μm以下的范围内。
进而，在本实施方式中，第二金属间化合物层17的厚度设为0.5μm以上4μm以下的范围内。
散热器130散发来自上述功率模块用基板110的热量。该散热器130由Cu或Cu合金构成，在本实施方式中由磷脱氧铜构成。在该散热器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，散热器130与金属层113通过由焊锡材构成的焊锡层132接合。
以下，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的一个面(图10中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn系钎料124、Ti材25及作为电路层112的Cu板122，同时在陶瓷基板11的另一个面(图10中为下表面)依次层叠Cu-P-Sn系钎料124、Ti材25及作为金属层113的Cu板123(层叠工序S101)。即，在陶瓷基板11与Cu板122及123之间，在陶瓷基板11侧配置Cu-P-Sn系钎料124，在Cu板122、123侧配置Ti材25。
在本实施方式中，Cu-P-Sn系钎料124的组成为Cu-6.3质量％P-9.3质量％Sn-7质量％Ni，其固相线温度(熔融开始温度)为600℃。另外，Cu-P-Sn系钎料124使用箔材，其厚度设为5μm以上150μm以下的范围内。
另外，Ti材25的厚度设为0.4μm以上5μm以下的范围内。在此，Ti材25的厚度为0.4μm以上且小于1μm时优选通过蒸镀或溅射来进行成膜，厚度为1μm以上5μm以下时优选使用箔材。此外，Ti材25的厚度优选设为0.4μm以上，更优选设为0.5μm以上。Ti材25的厚度优选设为1.5μm以下，更优选设为0.7μm以下。在本实施方式中，作为Ti材25，使用厚度1μm，纯度99.8质量％的Ti箔。
接着，在沿着层叠方向对Cu板122、Ti材25、Cu-P-Sn系钎料124、陶瓷基板11、Cu-P-Sn系钎料124、Ti材25及Cu板123进行加压(压力1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下)的状态下，装入真空加热炉内并以小于Cu-P-Sn系钎料124的熔融开始温度的温度加热(第一加热处理工序S102)。
在该第一加热处理工序S102中，Ti材25与Cu板122及Ti材25与Cu板123通过固相扩散接合而被接合，在Ti材25与Cu板122之间及Ti材25与Cu板123之间分别形成有含有Cu和Ti的第一金属间化合物层16。
在此，在本实施方式中，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580℃以上670℃以下的范围内，将加热时间设定为30分钟以上240分钟以下的范围内。此外，为了切实地抑制Cu-P-Sn系钎料124的熔融，第一加热处理工序S102中的加热温度优选设为Cu-P-Sn系钎料124的熔融开始温度(固相线温度)－10℃。
在第一加热处理工序S102中，通过将加热温度设为580℃以上及将加热时间设为30分钟以上，从而能够充分形成第一金属间化合物层16。另外，通过将加热温度设为670℃以下及将加热时间设为240分钟以下，从而能够抑制第一金属间化合物层16形成为所需以上的厚度。
此外，加热温度优选设为610℃以上，更优选设为620℃以上。加热温度优选设为650℃以下，更优选设为640℃以下。另外，加热时间优选设为15分钟以上，更优选设为60分钟以上。加热时间优选设为120分钟以下，更优选设为90分钟以下。
接着，在第一加热处理工序S102之后，在沿着层叠方向对Cu板122、Ti材25、Cu-P-Sn系钎料124、陶瓷基板11、Cu-P-Sn系钎料124、Ti材25及Cu板123进行加压(压力1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下)的状态下，以Cu-P-Sn系钎料124的熔融开始温度以上的温度加热(第二加热处理工序S103)。在此，在本实施方式中，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700℃以下的范围内，将加热时间设定为15分钟以上120分钟以下的范围内。在此，在第二加热处理工序S103中，为了使Cu-P-Sn系钎料124切实地熔融，优选以Cu-P-Sn系钎料124的固相线温度+10℃以上来加热。
在该第二加热处理工序S103中，Cu-P-Sn系钎料124经过熔融而形成液相，Ti材25熔入到液相中，通过液相凝固，陶瓷基板11与Cu板122及陶瓷基板11与Cu板123被接合。此时，Cu-P-Sn系钎料124中所含的P及Ni与Ti材25的Ti结合，形成第二金属间化合物层17，并且在陶瓷基板11侧形成有Cu-Sn层14。
此外，在本实施方式中，Ti材25的一部分不熔入到Cu-P-Sn系钎料124的液相中而残留，在第一金属间化合物层16与第二金属间化合物层17之间形成有Ti层15。
由此，在陶瓷基板11的一个面形成电路层112，同时在另一个面形成金属层113，从而制造出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的下表面通过焊锡材接合散热器130(散热器接合工序S104)。
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接合半导体元件3(半导体元件接合工序S105)。
如此制造本实施方式所涉及的功率模块101。
在如上构成的本实施方式所涉及的功率模块用基板110，由于在陶瓷基板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，形成有位于电路侧112侧及金属层113侧且含有Cu和Ti的第一金属间化合物层16，因此通过该第一金属间化合物层16能够切实地接合电路层112与第二金属间化合物层17及金属层113与第二金属间化合物层17。因此，即使使用环境温度变高，也能够确保电路层112与陶瓷基板11及金属层113与陶瓷基板11的接合强度。
另外，由于虽然在陶瓷基板11与电路层112的接合界面及陶瓷基板11与金属层113的接合界面形成有Ti层15，但是其厚度设为0.5μm以下，因此能够将电路层112、陶瓷基板11与金属层113的层叠方向上的热阻抑制地较低，能够有效地散发搭载在电路层112上的半导体元件3产生的热量。
另外，在本实施方式中，由于第一金属间化合物层16的厚度设为0.2μm以上，因此能够切实地提高电路层112与陶瓷基板11及金属层113与陶瓷基板11的接合强度。另一方面，由于第一金属间化合物层16的厚度设为6μm以下，因此能够抑制该第一金属间化合物层16中的破损的产生。
进而，在本实施方式中，由于第二金属间化合物层17的厚度设为0.5μm以上，因此能够切实地提高电路层112与陶瓷基板11及金属层113与陶瓷基板11的接合强度。另一方面，由于第二金属间化合物层17的厚度设为4μm以下，因此能够抑制该第二金属间化合物层17中的破损的产生。
另外，在本实施方式的功率模块用基板的制造方法中，由于具备：第一加热处理工序S102，在沿着层叠方向对Cu板122、Ti材25、Cu-P-Sn系钎料124、陶瓷基板11、Cu-P-Sn系钎料124、Ti材25及Cu板123进行加压(压力1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下)的状态下，装入真空加热炉内并以小于Cu-P-Sn系钎料124的熔融开始温度的温度进行加热，因此能够在作为电路层112的Cu板122与Ti材25之间及作为金属层113的Cu板123与Ti材25之间，切实地形成含有Cu和Ti的第一金属间化合物层16。
进而，在本实施方式的功率模块用基板的制造方法中，由于在第一加热处理工序S102之后具备：第二加热处理工序S103，以Cu-P-Sn系钎料124的熔融开始温度以上的温度进行加热，形成Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层14及位于第一金属间化合物层16与Cu-Sn层14之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层17，通过使Ti材25的Ti与Cu-P-Sn系钎料124反应，从而能够形成第二金属间化合物层17，能够切实地接合电路层112与陶瓷基板11及金属层113与陶瓷基板11。
在此，在第二加热处理工序S103中，加压的压力为1kgf/cm2以上时，能够使陶瓷基板11与Cu-P-Sn系钎料124的液相紧贴，能够良好地接合陶瓷基板11与Cu-Sn层14。另外，加压的压力为35kgf/cm2以下时，能够抑制陶瓷基板11产生破损。因这些理由，在本实施方式中，加压的压力被设定为1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的范围内。
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的一个面接合电路层112的同时在另一个面接合金属层113，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。此外，对于与第一实施方式相同的结构标注相同的符号，省略详细说明。
图11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：配设有电路层212及金属层213的功率模块用基板210；在电路层212的一个面(图11中为上表面)通过接合层2而接合的半导体元件3；及配置于功率模块用基板210的另一侧(图11中为下侧)的散热器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的一个面(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(图12中为下表面)的金属层213。
陶瓷基板11与第一实施方式同样，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通过在陶瓷基板11的一个面层叠Cu-P-Sn系钎料224、Ti材25、由无氧铜构成的Cu板222并进行加热处理，在陶瓷基板11接合Cu板222而形成(参考图15)。
此外，电路层212的厚度被设定为0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为0.3mm。
在此，在本实施方式中，作为Cu-P-Sn系钎料224，具体使用Cu-P-Sn-Ni钎料。
而且，如图13所示，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；位于电路层212侧，含有Cu和Ti的第一金属间化合物层16；及位于第一金属间化合物层16与Cu-Sn层14之间，含有P及Ti的第二金属间化合物层17。
另外，在第一金属间化合物层16与第二金属间化合物层17之间形成有Ti层15，该Ti层15的厚度设为0.5μm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(参考图15)。
该金属层213的厚度被设定为0.1mm以上1.0mm以下的范围内，在本实施方式中被设定为1.6mm。
散热器230由Al或Al合金构成，在本实施方式中由A6063(Al合金)构成。在该散热器230上设置有供冷却用流体流动的流路231。另外，该散热器230与金属层213通过Al-Si系钎料而接合。
接着，参考图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，层叠作为电路层212的Cu板222与Ti材25，在层叠方向进行加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下，配置在真空加热炉内并进行加热，使Cu板222与Ti材25固相扩散接合，得到Cu-Ti接合体227(CuTi扩散工序S201)。
此外，Ti材25的厚度设为0.4μm以上5μm以下的范围内。在此，Ti材25的厚度为0.4μm以上且小于1μm时优选通过蒸镀或溅射来进行成膜，厚度为1μm以上5μm以下时优选使用箔材。此外，Ti材25的厚度优选设为0.4μm以上，更优选设为0.5μm以上。另外，Ti材25的厚度优选设为1.5μm以下，更优选设为0.7μm以下。在本实施方式中，作为Ti材25，使用厚度1.4μm，纯度99.8质量％的Ti箔。
另外，在CuTi扩散工序S201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670℃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。在此，在CuTi扩散工序S201中，通过将加热温度设为600℃以上及将加热时间设为30分钟以上，从而能够充分形成中间第一金属间化合物层。另外，通过将加热温度设为655℃以下及将加热时间设为360分钟以下，从而能够抑制中间第一金属间化合物层形成为所需以上的厚度。
此外，加热温度优选设为610℃以上，更优选设为620℃以上。加热温度优选设为650℃以下，更优选设为640℃以下。另外，加热时间优选设为15分钟以上，更优选设为60分钟以上。加热时间优选设为120分钟以下，更优选设为90分钟以下。
此外，为了更加牢固地接合Cu板222与Ti材25，在CuTi扩散工序S201中，优选将对层叠方向的加压负荷设为0.294MPa以上1.96MPa以下(3kgf/cm2以上20kgf/cm2以下)的范围内。更优选设为0.490MPa以上1.47MPa以下，进一步优选设为1.18MPa以上1.47MPa以下的范围内。
在通过该CuTi扩散工序S201得到的Cu-Ti接合体227中，Ti材25与Cu板222通过固相扩散接合而接合，成为Cu板222与中间Ti层26的层叠结构。在此，在中间Ti层26与Cu板222之间形成有含有Cu和Ti的中间第一金属间化合物层。此时，并不是所有Ti材25在中间第一金属间化合物层的形成时都被消耗，其一部分残留。
在此，在本实施方式中，中间Ti层26的厚度设为0.1μm以上3μm以下的范围内。此外，中间Ti层26的厚度优选设为0.2μm以上，更优选设为0.4μm以上。另外，中间Ti层26的厚度优选设为1.5μm以下，更优选设为0.7μm以下。
进而，中间第一金属间化合物层的厚度优选设为0.1μm以上6μm以下。
接着，如图15所示，在陶瓷基板11的一个面(图15中为上表面)依次层叠Cu-P-Sn系钎料224、Ti材25及Cu板222，同时在陶瓷基板11的另一个面(图14中为下表面)通过接合材241依次层叠作为金属层213的Al板223。而且，进而在Al板223的下侧通过接合材242层叠散热器230(层叠工序S202)。在此，Cu-Ti接合体227以中间Ti层26与Cu-P-Sn系钎料224相对置的方式层叠。
在本实施方式中，Cu-P-Sn系钎料224的组成为Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％Ni，其熔融开始温度(固相线温度)为580℃。另外，Cu-P-Sn系钎料224使用箔材，其厚度设为5μm以上150μm以下的范围内。
另外，作为接合材241、242在本实施方式中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系钎料224、Cu-Ti接合体227、接合材241、Al板223、接合材242及散热器230进行加压(压力1～35kgf/cm2)的状态下，装入真空加热炉内并进行加热(加热处理工序S203)。在此，在本实施方式中，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240分钟以下的范围内。
在该加热处理工序S203中，Cu-P-Sn系钎料224经过熔融而形成液相，中间Ti层26熔入到液相中，通过液相凝固，陶瓷基板11与Cu板222被接合。此时，Cu-P-Sn系钎料224中所含的P及Ni与中间Ti层26的Ti结合，形成第二金属间化合物层17，并且在陶瓷基板11侧形成Cu-Sn层14。此外，第一金属间化合物层16通过中间第一金属间化合物层残留而形成。
在本实施方式中，由于中间Ti层26的厚度设为0.1μm以上3μm以下的范围内，因此该中间Ti层26未全部熔入到Cu-P-Sn系钎料224的液相中，一部分残留，形成Ti层15。然而，由于Ti层15的厚度形成为0.5μm以下而较薄，因此能够将电路层212、陶瓷基板11与金属层213的层叠方向上的热阻抑制地较低，能够有效地散发搭载在电路层212上的半导体元件3产生的热量。
此外，第一金属间化合物层16的厚度有时通过加热处理工序S203中的加热而推进Ti的扩散，从而会比中间第一金属间化合物层的厚度更厚。此外，Ti层15的厚度也有时通过加热处理工序S203中的加热而推进Ti的扩散，从而会比中间Ti层26的厚度更薄。
另外，在加热处理工序S203中，接合材241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241被接合。进而，在加热处理工序S203中，接合材242经过熔融而形成液相，并通过该液相的凝固，使得Al板223与散热器230通过接合材242被接合。
由此，制造本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接合半导体元件3(半导体元件接合工序S204)。
如此制造本实施方式所涉及的功率模块201。
如上构成的本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及第二实施方式中说明的功率模块用基板10、110相同的效果。
另外，在本实施方式所涉及的功率模块用基板210，由于在陶瓷基板11的另一个面形成有接合Al板223而成的金属层213，因此能够有效地通过金属层213散发来自半导体元件3的热量。另外，由于Al的变形阻力比较低，因此在施加冷热循环负载时，能够通过金属层213吸收在功率模块用基板210与散热器230之间产生的热应力，能够抑制在陶瓷基板11产生破损。
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，由于在陶瓷基板11的一个面接合电路层212的同时在另一个面接合金属层213的结构，因此能够简化制造工序并减少制造成本。
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能够进行适当变更。
例如，在本实施方式中，对在绝缘电路基板搭载半导体元件构成功率模块的情形进行了说明，但并不限定于此。例如，还可以在绝缘电路基板的电路层搭载LED元件构成LED模块，也可以在绝缘电路基板的电路层搭载热电元件构成热电模块。
另外，在第二实施方式及第三实施方式中，对在陶瓷基板的一个面接合电路层的同时在另一个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。
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形进行了说明，但还可以在陶瓷基板接合电路层和金属层之后，接合金属层与散热器。
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接合法(TLP)或Ag膏等接合。
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形进行了说明，但也可以使用被称为散热板的板状散热器和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与散热器的情形进行了说明，但也可以在功率模块用基板与散热器之间通过润滑脂并通过止动螺钉等固定。
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个面侧接合散热器。
此外，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箔的情形或通过蒸镀或溅射形成Ti材的情形进行了说明，但也可以使用在Cu部件的一个面配设Ti的Cu部件/Ti包层材。此时，还可以通过预先加热Cu部件/Ti包层材，形成含有Cu和Ti的第一金属间化合物层，也可以在第一加热处理工序中在Cu部件/Ti包层材的内部形成第一金属间化合物层。
进而，可以使用按照在Ti材的一个面配设Cu-P-Sn系钎料的Ti材/钎料包层材、Cu部件、Ti材、Cu-P-Sn系钎料的顺序层叠的Cu部件/Ti材/钎料包层材。
另外，在上述实施方式中，对使用Cu-P-Sn系钎料的箔材举例进行了说明，但并不限定于此，还可以使用粉末或膏。
进而，在上述实施方式中作为Cu-P-Sn系钎料，对使用Cu-P-Sn-Ni钎料或Cu-P-Sn钎料进行了说明，但还可以使用其他Cu-P-Sn系钎料。以下，对适于本发明的接合体的制造方法的Cu-P-Sn系钎料进行详细说明。
Cu-P-Sn系钎料的P的含量优选设为3质量％以上10质量％以下。
P为具有使钎料的熔融开始温度下降的作用效果的元素。另外，该P为具有如下作用效果的元素：通过P氧化而产生的P氧化物包覆钎料表面来防止钎料的氧化，同时通过流动性良好的P氧化物包覆熔融的钎料的表面来提高钎料的润湿性。
P的含量小于3质量％时，有可能无法充分得到使钎料的熔融开始温度下降的效果，导致钎料的熔融开始温度上升或者钎料的流动性不足而陶瓷基板与电路层的接合性下降。另外，P的含量超过10质量％时，有可能形成较多的脆的金属间化合物，陶瓷基板与电路层的接合性和接合可靠性下降。
根据这些理由，Cu-P-Sn系钎料中所含的P的含量优选设为3质量％以上10质量％以下的范围内。
另外，Cu-P-Sn系钎料的Sn的含量优选设为0.5质量％以上25质量％以下。
Sn为具有使钎料的熔融开始温度下降的作用效果的元素。Sn的含量为0.5质量％以上时，能够切实地降低钎料的熔融开始温度。另外，Sn的含量为25质量％以下时，能够抑制钎料的低温脆化，能够提高陶瓷基板与电路层的接合可靠性。
根据这些理由，Cu-P-Sn系钎料中所含的Sn的含量优选设为0.5质量％以上25质量％以下的范围内。
另外，Cu-P-Sn系钎料还可以在2质量％以上20质量％以下含有Ni、Cr、Fe、Mn之中任意一种或两种以上。
Ni、Cr、Fe、Mn为具有抑制在陶瓷基板与钎料的界面形成含有P的金属间化合物的作用效果的元素。
Ni、Cr、Fe、Mn之中任意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的接合界面形成含有P的金属间化合物，陶瓷基板与电路层的接合可靠性提高。另外，Ni、Cr、Fe、Mn之中任意一种或两种以上的含量为20质量％以下时，能够抑制钎料的熔融开始温度上升，抑制钎料的流动性下降，提高陶瓷基板与电路层的接合性。
根据这些理由，使Cu-P-Sn系钎料中含有Ni、Cr、Fe、Mn之中任意一种或两种以上时，其含量优选设为2质量％以上20质量％以下的范围内。
实施例
<实施例1>
以下，对为确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
(本发明例1～3、12、14～15(加热方式：A))
在表1中记载的陶瓷基板(40mm×40mm、AlN及Al2O3时厚度0.635mm，Si3N4时厚度0.32mm)的一个面及另一个面依次层叠表1所示的Cu-P-Sn系钎料箔、Ti材、由无氧铜构成的Cu板(厚度：0.3mm)，在层叠方向上附加15kgf/cm2的负荷。
而且，在真空加热炉内(压力：10-4Pa)中装入前述的层叠体，作为第一加热处理工序，以表1记载的温度和时间(加热处理1的栏)进行加热。然后，作为第二加热处理工序，以表2记载的温度和时间(加热处理2的栏)进行加热，从而在陶瓷基板的一个面及另一个面接合Cu板，形成电路层及金属层，得到功率模块用基板。
此外，电路层用的Cu板的大小在用于后述的90°剥离强度试验时设为44mm×25mm(其中，从陶瓷基板的端部突出5mm)、用于热阻试验时设为37mm×37mm来分别制作。金属层用的Cu板的大小设为37mm×37mm。
(本发明例4～11、13(加热方式：B))
首先，作为CuTi扩散工序，层叠由无氧铜构成的Cu板(厚度：0.3mm)和表1记载的Ti材，沿着层叠方向以压力15kgf/cm2加压的状态下装入真空加热炉内(压力：10-4Pa)，以表1记载的温度和时间(加热处理1的栏)进行加热，得到Cu-Ti接合体。此外，Cu-Ti接合体分别准备用于电路层和用于金属层的Cu-Ti接合体。
接着，在表1中记载的陶瓷基板(40mm×40mm、AlN及Al2O3时厚度0.635mm，Si3N4时厚度0.32mm)的一个面及另一个面依次层叠表1所示的Cu-P-Sn系钎料箔、Cu-Ti接合体。
然后，以表2记载的温度和时间(加热处理2的栏)进行加热，在陶瓷基板的一个面及另一个面接合Cu板，形成电路层及金属层，制作功率模块用基板。用于电路层及用于金属层的Cu板的大小与前述同样。
(现有例1、2)
在表1记载的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一个面及另一个面依次层叠表1所示的Cu-P-Sn系钎料箔、Ti材、由无氧铜构成的Cu板(厚度：0.3mm)，在层叠方向上附加15kgf/cm2的负荷。
而且，在真空加热炉内(压力：10-4Pa)装入前述的层叠体，作为第二加热处理工序，以表2记载的温度和时间(加热处理2的栏)进行加热，从而在陶瓷基板的一个面及另一个面接合Cu板，形成电路层及金属层，得到功率模块用基板。用于电路层及用于金属层的Cu板的大小与本发明例同样。
对于如上所述得到的功率模块用基板，对电路层与陶瓷基板的90°剥离强度、层叠方向的热阻进行评价。
另外，对于得到的功率模块用基板，在陶瓷基板与电路层的接合界面中，对第一金属间化合物层、Ti层、第二金属间化合物层的厚度进行评价。进而，对加热处理1后的中间第一金属间化合物层、中间Ti层的厚度进行评价。
(90°剥离强度试验)
在各功率模块用基板中，在150℃放置500小时后，将电路层之中的从陶瓷基板突出的部分弯曲90°，在与陶瓷基板的垂直方向上拉伸电路层，测定电路层从陶瓷基板剥离为止的最大拉伸负荷。将该负荷除以接合长度得到的值作为90°剥离强度，记载在表2中。本实施例中的接合长度设为电路层与陶瓷基板接合的部分中的电路层的长边的长度(39mm)。
(热阻试验)
将加热器芯片(13mm×10mm×0.25mm)焊接在电路层的表面，将陶瓷基板层叠于冷却器上。接着，以100W的功率对加热器芯片进行加热，使用热电偶测量加热器芯片的温度。另外，测量在冷却器流通的冷却介质(乙二醇：水＝9：1)的温度。而且，将加热器芯片的温度与冷却介质的温度差除以功率得到的值作为热阻，将本发明例1设为1.00进行相对评价。在表2中示出评价结果。
(中间第一金属间化合物层、中间Ti层、第一金属间化合物层、Ti层及第二金属间化合物层的厚度)
第一金属间化合物层、Ti层及第二金属间化合物层的厚度，从Cu板/陶瓷基板界面的EPMA，在倍率10000倍的视场(纵30μm、横40μm)中，测定在接合界面形成的第一金属间化合物层的总面积、Ti层的面积及第二金属间化合物层的总面积，除以测定视场的宽度尺寸而求出，将5个视场的平均作为第一金属间化合物层、Ti层及第二金属间化合物层的厚度。
关于中间第一金属间化合物层及中间Ti层，对于以前述的加热方式B制作的Cu-Ti接合体的Cu与Ti的接合界面，从EPMA，在倍率10000倍的视场(纵30μm、横40μm)中，测定在接合界面形成的中间第一金属间化合物层的总面积、中间Ti层的面积的总面积，除以测定视场的宽度尺寸而求出，将5个视场的平均作为中第一金属间化合物层、中间Ti层的厚度。
此外，将Ti浓度在15at％～70at％的范围内的区域视为第一金属间化合物层及中间第一金属间化合物层，并设为不含有固溶体。
另外，第二金属间化合物层至少包含P和Ti，并设为P浓度为28at％～52at％的范围内的区域。
在表1和表2中示出评价结果。
[表1]
Figure GDA0001788372670000251
[表2]
Figure GDA0001788372670000261
在较厚形成Ti层的现有例1中，确认了虽然90°剥离强度高，但是层叠方向的热阻变高。另外，在未确认Ti层的现有例2中，确认了未形成第一金属间化合物层，90°剥离强度低。
与此相对，在本发明例1～15中，确认了可得到90°剥离强度高，热阻低的功率模块用基板。
<实施例2>
接着，实施更严格的剥离强度试验。
首先，作为CuTi扩散工序，层叠由无氧铜构成的Cu板(厚度：0.3mm)和厚度3mm的Ti材，以表3所示的压力沿着层叠方向加压的状态下装入真空加热炉内(压力：10-4Pa)，以表3记载的温度和时间(加热处理1的栏)进行加热，得到Cu-Ti接合体。此外，Cu-Ti接合体分别准备用于电路层和用于金属层的Cu-Ti接合体。
接着，在表3记载的陶瓷基板(40mm×40mm、AlN及Al2O3时厚度0.635mm，Si3N4时厚度0.32mm)的一个面及另一个面依次层叠Cu-6.3质量％P-9.3质量％Sn-7.0质量％Ni钎料箔(熔点600℃)、Cu-Ti接合体。
而且，作为加热处理2在650℃、60分钟的条件下进行加热，在陶瓷基板的一个面及另一个面接合Cu板，形成电路层及金属层，制作功率模块用基板。用于电路层及用于金属层的Cu板的大小与前述同样。
对于如上所述得到的功率模块用基板，对电路层与陶瓷基板的90°剥离强度按照以下的条件进行评价。
在各功率模块用基板中，在150℃放置1000小时后，将电路层之中的从陶瓷基板突出的部分弯曲90°，在与陶瓷基板的垂直方向上拉伸电路层，测定电路层从陶瓷基板剥离为止的最大拉伸负荷。将该负荷除以接合长度得到的值作为90°剥离强度，记载在表3中。本实施例中的接合长度设为电路层与陶瓷基板接合的部分中的电路层的长边的长度。
[表3]
Figure GDA0001788372670000271
确认了即使设定为在层叠方向上提高压力且延长加热时间的严格条件下的剥离试验，也能够确保充分的剥离强度。
根据本发明的接合体、功率模块用基板及该接合体的制造方法、功率模块用基板的制造方法，陶瓷部件与Cu部件被良好地接合，且能够降低层叠方向的热阻。
附图标记的说明
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)
14 Cu-Sn层
15 Ti层
16 第一金属间化合物层
17 第二金属间化合物层
22、122、123、222 Cu板(Cu部件)
24、124、224 Cu-P-Sn系钎料

Claims (16)

1.一种接合体，其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；
位于所述Cu部件侧且实质上由Cu和Ti构成的第一金属间化合物层；及
位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
2.根据权利要求1所述的接合体，其特征在于，在所述第一金属间化合物层与所述第二金属间化合物层之间形成有Ti层，该Ti层的厚度设为0.5μm以下。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的接合体，其特征在于，所述第一金属间化合物层的厚度设为0.2μm以上6μm以下的范围内。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的接合体，其特征在于，所述第二金属间化合物层的厚度设为0.5μm以上4μm以下的范围内。
5.根据权利要求3所述的接合体，其特征在于，所述第二金属间化合物层的厚度设为0.5μm以上4μm以下的范围内。
6.一种功率模块用基板，其特征在于，包括权利要求1至权利要求5中任一项所述的接合体，
所述功率模块用基板具备：陶瓷基板，由所述陶瓷部件构成；及电路层，由在该陶瓷基板的一个面形成的所述Cu部件构成，
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；
位于所述电路层侧且实质上由Cu和Ti构成的第一金属间化合物层；及
位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
7.根据权利要求6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。
8.一种功率模块用基板，其特征在于，包括权利要求1至权利要求5中任一项所述的接合体，
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，在该陶瓷基板的一个面形成；及金属层，由在该所述陶瓷基板的另一个面形成的所述Cu部件构成；
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；
位于所述金属层侧且实质上由Cu和Ti构成的第一金属间化合物层；及
位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
9.一种接合体的制造方法，其为由陶瓷基板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，其特征在于，具备：
层叠工序，通过Cu-P-Sn系钎料与Ti材，层叠所述陶瓷部件与所述Cu部件；
第一加热处理工序，在层叠的状态下，以小于所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度的温度进行加热，使所述Cu部件与所述Ti材反应而形成实质上由Cu和Ti构成的第一金属间化合物层；及
第二加热处理工序，在所述第一加热处理工序之后，以所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，形成Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层、及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
10.根据权利要求9所述的接合体的制造方法，其特征在于，所述第一加热处理工序中的加热温度设为580℃以上670℃以下的范围内，加热时间设为30分钟以上240分钟以下的范围内。
11.一种接合体的制造方法，其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，其特征在于，具备：
CuTi扩散工序，将所述Cu部件和Ti材在层叠的状态下加热使Cu和Ti扩散，在Cu部件与所述Ti材之间形成实质上由Cu和Ti构成的第一金属间化合物层；
层叠工序，通过Cu-P-Sn系钎料，层叠所述陶瓷部件与形成了所述第一金属间化合物层的所述Ti材和所述Cu部件；及
加热处理工序，以所述Cu-P-Sn系钎料的熔融开始温度以上的温度进行加热，形成Sn固溶于Cu中的Cu-Sn层、及位于所述第一金属间化合物层与所述Cu-Sn层之间且含有P和Ti的第二金属间化合物层。
12.根据权利要求11所述的接合体的制造方法，其特征在于，所述CuTi扩散工序中的加热温度设为600℃以上670℃以下的范围内，加热时间设为30分钟以上360分钟以下的范围内。
13.根据权利要求11所述的接合体的制造方法，其特征在于，在所述CuTi扩散工序中，层叠方向的负荷设为0.294MPa以上1.96MPa以下的范围内。
14.一种功率模块用基板的制造方法，在陶瓷基板的一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层，其特征在于，
将所述陶瓷基板与所述电路层通过权利要求9至权利要求13中任一项所述的接合体的制造方法进行接合。
15.一种功率模块用基板的制造方法，在陶瓷基板的一个面配设有电路层，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，其特征在于，
将所述陶瓷基板与所述金属层通过权利要求9至权利要求13中任一项所述的接合体的制造方法进行接合。
16.一种功率模块用基板的制造方法，在陶瓷基板的一个面配设有由Cu或Cu合金构成的电路层，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，其特征在于，
将所述陶瓷基板与所述电路层通过权利要求9至权利要求13中任一项所述的接合体的制造方法进行接合。
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