CN109417056A - 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 - Google Patents

铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 Download PDF

Info

Publication number
CN109417056A
CN109417056A CN201780039786.XA CN201780039786A CN109417056A CN 109417056 A CN109417056 A CN 109417056A CN 201780039786 A CN201780039786 A CN 201780039786A CN 109417056 A CN109417056 A CN 109417056A
Authority
CN
China
Prior art keywords
copper
ceramic
layer
nitride layer
ceramic substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780039786.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109417056B (zh
Inventor
寺崎伸幸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Priority claimed from PCT/JP2017/023729 external-priority patent/WO2018003845A1/ja
Publication of CN109417056A publication Critical patent/CN109417056A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109417056B publication Critical patent/CN109417056B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/021—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles in a direct manner, e.g. direct copper bonding [DCB]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C04B35/645—Pressure sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/025—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of glass or ceramic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04—Ceramic interlayers
    • C04B2237/08—Non-oxidic interlayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04—Ceramic interlayers
    • C04B2237/09—Ceramic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/125—Metallic interlayers based on noble metals, e.g. silver
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C04B2237/127—The active component for bonding being a refractory metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/368—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/402—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/59—Aspects relating to the structure of the interlayer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/59—Aspects relating to the structure of the interlayer
    • C04B2237/592—Aspects relating to the structure of the interlayer whereby the interlayer is not continuous, e.g. not the whole surface of the smallest substrate is covered by the interlayer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/60—Forming at the joining interface or in the joining layer specific reaction phases or zones, e.g. diffusion of reactive species from the interlayer to the substrate or from a substrate to the joining interface, carbide forming at the joining interface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/706—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the metallic layers or articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/72—Forming laminates or joined articles comprising at least two interlayers directly next to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/40—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs
    • H01L23/4006—Mountings or securing means for detachable cooling or heating arrangements ; fixed by friction, plugs or springs with bolts or screws
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids

Abstract

本发明的铜‑陶瓷接合体中，在铜部件与陶瓷部件的接合界面，从陶瓷部件侧依次形成有包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层和Ag‑Cu共晶层，氮化物层的厚度为0.15μm以上且1.0μm以下，在铜部件与陶瓷部件之间存在由包含氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，在氮化物层的晶界中存在Cu及Si。

Description

铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
技术领域
本发明涉及一种由铜或铜合金形成的铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件接合而成的铜-陶瓷接合体及在由氮化硅形成的陶瓷基板的表面形成有由铜或铜合金形成的铜层的绝缘电路基板。
本申请主张基于2016年6月30日在日本申请的专利申请2016-130224号及2017年6月19日在日本申请的专利申请2017-119683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呈在由导电材料形成的电路层上接合半导体元件而成的结构。
在用于控制风力发电、电动汽车、混合动力汽车等而使用的高功率控制用功率半导体元件中，由于发热量大，因此作为搭载这种功率半导体元件的基板，一直以来广泛使用如下绝缘电路基板，该绝缘电路基板具备例如由氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等形成的陶瓷基板和在该陶瓷基板的一面上接合导电性优异的金属板而形成的电路层。另外，作为绝缘电路基板，还提供一种在陶瓷基板的另一面上接合金属板而形成金属层的绝缘电路基板。在此，由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板的强度尤其优异。
例如，专利文献1中提出了将构成电路层及金属层的第一金属板及第二金属板设为铜板，并通过DBC(Direct Bonded Copper：直接敷铜)法将该铜板直接接合于陶瓷基板而成的绝缘电路基板。在该DBC法中，通过利用铜和铜氧化物的共晶反应，在铜板与陶瓷基板的界面产生液相，从而接合铜板和陶瓷基板。
并且，专利文献2中提出了通过在陶瓷基板的一面及另一面上接合铜板而形成电路层及金属层的绝缘电路基板。在该绝缘电路基板中，通过在陶瓷基板的一面及另一面上以夹入Ag-Cu-Ti系钎料的方式配置铜板并进行加热处理而接合有铜板(所谓的活性金属钎焊法)。在该活性金属钎焊法中，由于使用含有作为活性金属的Ti的钎料，因此熔融的钎料和陶瓷基板的润湿性提高，从而良好地接合陶瓷基板和铜板。
专利文献1：日本特开平01-251781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中所公开，在通过DBC法接合陶瓷基板和铜板的情况下，需要将接合温度设为1065℃以上(铜和铜氧化物的共晶点温度以上)，因此有可能接合时陶瓷基板劣化。
并且，如专利文献2中所公开，在通过使用了例如Ag-Cu-Ti钎料等的活性金属钎焊法接合陶瓷基板和铜板的情况下，接合温度设为900℃这一较高的温度，因此仍旧存在陶瓷基板劣化的问题。在此，在仅降低接合温度的情况下，钎料不与陶瓷基板充分反应，导致陶瓷基板与铜板的界面处的接合率降低，从而无法提供可靠性高的绝缘电路基板。
进而，在使用Ag-Cu-Ti钎料接合时的接合温度高的情况下，形成于接合界面的氮化物层(氮化钛层)较厚地生长，存在该氮化物层(氮化钛层)中容易产生裂缝的问题。
发明内容
本发明鉴于前述情况而完成，其目的在于提供一种能够抑制在氮化物层中产生裂缝，且铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件可靠地接合而成的可靠性高的铜-陶瓷接合体及由该铜-陶瓷接合体形成的绝缘电路基板。
为了解决这种课题而达到所述目的，本发明的铜-陶瓷接合体通过由铜或铜合金形成的铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件接合而成，所述铜-陶瓷接合体的特征在于，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，从所述陶瓷部件侧依次形成有包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层和Ag-Cu共晶层，所述氮化物层的厚度为0.15μm以上且1.0μm以下，在所述铜部件与所述陶瓷部件之间存在由包含所述氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，在所述氮化物层的晶界中存在Cu及Si。
在该结构的铜-陶瓷接合体中，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面形成有Ag-Cu共晶层，并且在所述铜部件与所述陶瓷部件之间存在由包含所述氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，因此在由氮化硅形成的陶瓷基板的接合面中充分产生分解反应，从而能够得到铜部件和陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。另外，金属间化合物相有时存在于Ag-Cu共晶层的内部，有时还以与包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层相邻的方式存在。并且，金属间化合物相有时还存在于从所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面朝向所述铜部件20μm以内。
进而，在所述Ag-Cu共晶层与陶瓷部件之间形成有厚度0.15μm以上且1.0μm以下的所述氮化物层，在所述氮化物层的晶界中存在Cu及Si，因此能够抑制在该氮化物层中产生裂缝，并且在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面不会产生未反应部，能够得到接合强度高的铜-陶瓷接合体。
在此，本发明的铜-陶瓷接合体中，优选在所述氮化物层的内部分散有Ag粒子。
推测为该Ag粒子是在氮化物形成元素和氮进行反应而形成上述的所述氮化物层的过程中生成的粒子。因此，通过在所述氮化物层的内部分散有Ag粒子而充分形成上述的氮化物层，能够得到铜部件和陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。
并且，在本发明的铜-陶瓷接合体中，也可以设为如下结构：分散于所述氮化物层的内部的所述Ag粒子的粒径设为10nm以上且100nm以下的范围内。
在该情况下，分散于所述氮化物层内的Ag粒子的粒径为10nm以上且100nm以下、较微细，该Ag粒子是在氮化物形成元素和氮(N)进行反应而形成上述的所述氮化物层的过程中生成的粒子，因此促进包含氮化物形成元素的氮化物的生成，从而充分形成氮化物层，能够得到铜部件和陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。
进而，在本发明的铜-陶瓷接合体中，优选在所述氮化物层中，从所述陶瓷部件侧的界面至总厚度的25％位置为止的区域中的Ag的平均浓度C1与从所述铜部件侧的界面至总厚度的25％位置为止的区域中的Ag的平均浓度C2之间的比C2/C1为0.8以下。
在该情况下，在所述氮化物层内，陶瓷部件侧的Ag浓度高于铜部件侧的Ag浓度，因此界面反应充分进行，能够得到铜部件和陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。
本发明的绝缘电路基板为在由氮化硅形成的陶瓷基板的表面形成有由铜或铜合金形成的铜层的绝缘电路基板，所述绝缘电路基板的特征在于，所述铜层和所述陶瓷基板由上述的铜-陶瓷接合体构成。
根据该结构的绝缘电路基板，所述铜层和所述陶瓷基板由上述的铜-陶瓷接合体构成，因此陶瓷基板和铜板可靠地接合，能够确保接合可靠性。另外，在陶瓷基板的表面接合的铜层作为构成电路层或金属层的层而使用。
根据本发明，能够提供一种能够抑制在氮化物层中产生裂缝，且铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件可靠地接合而成的可靠性高的铜-陶瓷接合体及由该铜-陶瓷接合体形成的绝缘电路基板。
附图说明
图1是使用了本发明的第1实施方式的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图2是本发明的第1实施方式的绝缘电路基板的电路层(铜部件)与陶瓷基板(陶瓷部件)的接合界面的示意图。
图3是图2中示出的氮化物层的放大说明图。
图4是示出本发明的第1实施方式的绝缘电路基板的制造方法的流程图。
图5是示出本发明的第1实施方式的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
图6是示出氮化物层及金属间化合物相的形成过程的示意说明图。
图7是使用了本发明的第2实施方式的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图8是示出本发明的第2实施方式的绝缘电路基板的制造方法的流程图。
图9是示出本发明的第2实施方式的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
图10是本发明的第3实施方式的绝缘电路基板的概略说明图。
图11是示出本发明的第3实施方式的绝缘电路基板的制造方法的流程图。
图12是示出本发明的第3实施方式的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
图13是本发明例1的铜-陶瓷接合体中的截面的SEM(扫描型电子显微镜)图像。
图14是本发明例1的铜-陶瓷接合体中的STEM(扫描型透射电子显微镜)图像。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下的说明中，“钎料(brazing filler material)”并不一定限定于包含铅的材料。
(第1实施方式)
首先，参考图1至图6对本发明的第1实施方式进行说明。
本实施方式所涉及的铜-陶瓷接合体设为通过作为陶瓷部件的陶瓷基板11和作为铜部件的铜板22(电路层12)接合而构成的绝缘电路基板10。
图1中示出本发明的第1实施方式的绝缘电路基板10及使用了该绝缘电路基板10的功率模块1。
该功率模块1具备：绝缘电路基板10；在该绝缘电路基板10的一侧(图1中为上侧)的面上经由焊锡层2接合的半导体元件3；及在绝缘电路基板10的另一侧(图1中为下侧)配置的散热器51。
在此，焊锡层2设为例如Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系焊锡材料。
绝缘电路基板10具备：陶瓷基板11；在该陶瓷基板11的一面(图1中为上表面)配设的电路层12；及在陶瓷基板11的另一面(图1中为下表面)配设的金属层13。
陶瓷基板11是防止电路层12与金属层13之间的电连接的基板，本实施方式中，由绝缘性高的氮化硅(Si3N4)构成。在此，陶瓷基板11的厚度设定为0.2～1.5mm的范围内，本实施方式中设定为0.32mm。
如图5所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一面上接合由铜或铜合金形成的铜板22而形成。作为铜或铜合金，能够使用无氧铜或韧铜等。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形成有电路图案，该电路层12的一面(图1中为上表面)设为搭载半导体元件3的搭载面。在此，电路层12的厚度设定为0.1mm以上且3.0mm以下的范围内，本实施方式中设定为0.6mm。
如图5所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一面上接合铝板23而形成。本实施方式中，金属层13通过由纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝)的轧制板形成的铝板23接合于陶瓷基板11而形成。另外，该铝板23设为0.2％屈服强度为30N/mm2以下。在此，金属层13(铝板23)的厚度设定为0.1mm以上且6mm以下的范围内，本实施方式中设定为2.0mm。
散热器51用于冷却前述绝缘电路基板10，且具备与绝缘电路基板10接合的顶板部52及用于使冷却介质(例如，冷却水)流通的流路53。散热器51(顶板部52)优选由导热性良好的材质构成，本实施方式中，由A6063(铝合金)构成。
本实施方式中，该散热器51(顶板部52)使用钎料直接接合于绝缘电路基板10的金属层13。
在此，如图5所示，陶瓷基板11和电路层12(铜板22)使用包含Ag、Cu及选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的钎料(本实施方式中为作为氮化物形成元素而包含Ti的Ag-Cu-Ti系钎料24)而接合。
而且，如图2所示，在陶瓷基板11与电路层12(铜板22)的接合界面形成有氮化物层31和Ag-Cu共晶层32。
并且，在电路层12(铜板22)与陶瓷基板11之间存在由包含氮化物形成元素(本实施方式中为Ti)和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相33。本实施方式中，该金属间化合物相33由Ti5Si3构成。
而且，如图3所示，上述的氮化物层31设为柱状晶组织，在该柱状晶的晶界31a中存在Cu及Si34。另外，存在于该氮化物层31的晶界31a中的Cu及Si34能够使用透射型电子显微镜(FEI公司制Titan ChemiSTEM)，以加速电压200kV、倍率91万倍进行观察，并通过基于0.1nm左右的光束直径的Cu和Si的元素映射而检测。
在此，氮化物层31的厚度t设为0.15μm以上且1.0μm以下。另外，氮化物层31的厚度t优选为0.4μm以上且0.8μm以下。
并且，在该氮化物层31内分散有Ag粒子35。Ag粒子35大量分布于氮化物层31的陶瓷基板11侧，在氮化物层31中从与陶瓷基板11的界面至500nm为止的界面附近区域中的Ag浓度设为0.3原子％以上，优选设为0.3原子％以上且15原子％以下的范围内。另外，本实施方式中，在氮化物层31内观察到的Ag粒子35的90％以上(个数比例)分布于上述界面附近区域。另外，分布于上述界面附近区域的Ag粒子35的更优选的比例为95％以上，上限值为100％，但并不限定于此。
并且，本实施方式中，分散于氮化物层31内的Ag粒子的粒径设为10nm以上且100nm以下的范围内。另外，上述Ag粒子的粒径可以设定为10nm以上且50nm以下的范围内。
在此，如图2所示，本实施方式中，优选设为如下：在氮化物层31中，从陶瓷基板11侧的界面(与陶瓷基板11的界面)至氮化物层31的总厚度t的25％位置为止的区域A1中的Ag的平均浓度C1与从铜板22(电路层12)侧的界面至氮化物层31的总厚度t的25％位置为止的区域A2中的Ag的平均浓度C2之间的比C2/C1为0.8以下。并且，C2/C1的下限为0，优选为0.01。
另外，本实施方式中，如图2所示，氮化物层31的铜板22(电路层12)侧形成有Ag-Cu共晶层32，因此上述的“氮化物层31的铜板22(电路层12)侧的界面”成为与Ag-Cu共晶层32的界面。
接着，参考图4至图6对上述的本实施方式的绝缘电路基板10的制造方法进行说明。
(铜板层叠工序S01)
首先，如图4及图5所示，在陶瓷基板11的一面上经由包含Ag、Cu及选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的钎料(本实施方式中为作为氮化物形成元素而包含Ti的Ag-Cu-Ti系钎料24)层叠成为电路层12的铜板22。
在此，在Ag-Cu-Ti系钎料24中，Cu的含量优选为18质量％以上且34质量％以下，Ti的含量优选为0.3质量％以上且7质量％以下，但并不限定于此。另外，本实施方式中，作为Ag-Cu-Ti系钎料24使用箔材，厚度设定为3μm以上且50μm以下的范围内较佳。
(铜板接合工序S02)
接着，将陶瓷基板11及铜板22以沿层叠方向在0.5kgf/cm2以上且35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上且343×104Pa以下)的范围内进行加压的状态装入真空或氩气氛的加热炉内并进行加热，从而接合铜板22和陶瓷基板11。
在此，铜板接合工序S02中，以Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值成为180℃·分钟以上且3501℃·分钟以下(优选为180℃·分钟以上且3500℃·分钟以下)的范围内的方式规定升温速度、保持温度、保持时间、降温速度等。并且，若接合温度超过850℃，则过度进行Cu-Ti金属间化合物形成反应，有可能产生陶瓷基板11的破裂。因此，优选将接合温度的上限设为850℃。
另外，上述的温度积分值的下限优选设为250℃·分钟，进一步优选设为500℃·分钟。并且，上述的温度积分值的上限优选设为1900℃·分钟，进一步优选设为1700℃·分钟。
该铜板接合工序S02中，将Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值设为上述的范围内，因此如图6所示，通过Ag与Cu的共晶反应而形成Ag-Cu共晶液相38，该Ag-Cu共晶液相38中，在与陶瓷基板11的界面，通过Ag-Cu-Ti系钎料24中的氮化物形成元素(Ti)与由Si3N4形成的陶瓷基板11的反应而形成Si，该Si与Ag-Cu-Ti系钎料24中的Cu进行共晶反应而形成Cu-Si共晶液相39。而且，该Cu-Si共晶液相39中，Ag-Cu-Ti系钎料24中的Ti与陶瓷基板11中的N(氮)进行反应而生成氮化钛。由此，以陶瓷基板11的表面被侵蚀的方式形成由氮化钛形成的氮化物层31。
进而，陶瓷基板11中的Si与Ag-Cu-Ti系钎料24中的氮化物形成元素(Ti)进行反应而形成由包含氮化物形成元素(本实施方式中为Ti)和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相33。
并且，通过上述的反应，在作为柱状晶而生长的氮化物层31的晶界中存在Cu及Si34。
进而，Ag粒子35分散于氮化物层31内。
(铝板层叠工序S03)
接着，在陶瓷基板11的另一面侧经由钎料25层叠成为金属层13的铝板23。此时，作为钎料25，例如能够使用Al-Si系钎料箔。
(铝板接合工序S04)
接着，将陶瓷基板11及铝板23以沿层叠方向在1kgf/cm2以上且35kgf/cm2以下(9.8×104Pa以上且343×104Pa以下)的范围内进行加压的状态装入真空或氩气氛的加热炉内并进行加热，从而接合铝板23和陶瓷基板11。
此时，优选将钎焊温度设为600℃以上且650℃以下的范围内，将保持时间设为15分钟以上且120分钟以下的范围内。
通过如上工序制造本实施方式的绝缘电路基板10。
(散热器接合工序S05)
接着，在绝缘电路基板10的金属层13的另一面侧接合散热器51。
将绝缘电路基板10和散热器51经由钎料26进行层叠，沿层叠方向进行加压，并装入真空炉内进行钎焊。由此，接合绝缘电路基板10的金属层13和散热器51的顶板部52。此时，作为钎料26，能够使用例如厚度20～110μm的Al-Si系钎料箔，钎焊温度优选设定为比铝板接合工序S04中的钎焊温度低的温度。
(半导体元件搭载工序S06)
接着，在绝缘电路基板10的电路层12的一面，通过焊接而接合半导体元件3。
通过以上工序，制作出图1所示的功率模块1。
根据设为如上结构的本实施方式的绝缘电路基板10(铜-陶瓷接合体)，在由无氧铜形成的铜板22(电路层12)与由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11的接合界面形成有Ag-Cu共晶层32，并且在铜板22(电路层12)与由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11之间存在由包含氮化物形成元素(本实施方式中为Ti)和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相33，因此陶瓷基板11的接合面中充分产生分解反应，从而能够得到铜板22(电路层12)和陶瓷基板11可靠地接合而成的绝缘电路基板10。
进而，本实施方式中，形成有由包含氮化物形成元素(本实施方式中为Ti)的氮化物形成的氮化物层31，该氮化物层31的晶界中存在Cu及Si34，因此能够抑制在该氮化物层31中产生裂缝。
并且，氮化物层31的厚度设为0.15μm以上，因此在铜板22(电路层12)与由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11的接合界面不会产生未反应部，能够得到接合强度高的绝缘电路基板10。进而，氮化物层31的厚度设为1.0μm以下，因此能够抑制氮化物层31中产生裂缝，能够得到接合强度高的绝缘电路基板10。
另外，金属间化合物相33有时存在于Ag-Cu共晶层32的内部，有时还以与氮化物层31相邻的方式存在。并且，金属间化合物相33有时还存在于从铜板22(电路层12)与陶瓷基板11的接合界面朝向铜板22(电路层12)的20μm以内。
进而，本实施方式中，在氮化物层31的内部分散有Ag粒子35，因此接合时充分形成氮化物层31，铜板22(电路层12)和陶瓷基板11进一步可靠地接合。
并且，本实施方式中，关于分散于氮化物层31内的Ag粒子35，其粒径为10nm以上且100nm以下的范围内而较微细，推测为其是在氮化物形成元素(本实施方式中为Ti)和N(氮)进行反应而形成上述的氮化物层31的过程中生成的粒子。因此，在陶瓷基板11的界面充分形成氮化物层31，能够得到铜板22(电路层12)和陶瓷基板11可靠地接合而成的绝缘电路基板10。
并且，本实施方式中，在氮化物层31中与陶瓷基板11的界面附近区域中的Ag浓度设为0.3原子％以上，因此在陶瓷基板11的接合界面充分形成有氮化物层31，铜板22(电路层12)和陶瓷基板11牢固地接合。
进而，本实施方式中，从陶瓷基板11侧的界面至氮化物层31的总厚度t的25％位置为止的区域A1中的Ag的平均浓度C1与从铜板22(电路层12)侧的界面至氮化物层31的总厚度t的25％位置为止的区域A2中的Ag的平均浓度C2之间的比C2/C1设为0.8以下，陶瓷基板11侧的Ag浓度高于铜板22(电路层12)侧，因此界面反应充分进行，能够得到铜板22(电路层12)和陶瓷基板11可靠地接合而成的绝缘电路基板10。
进而，本实施方式中，铜板接合工序S02中，以Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值成为180℃·分钟以上且3500℃·分钟以下的范围内的方式规定升温速度、保持温度、保持时间、降温速度等，因此在Cu-Si共晶液相39中，能够促进Ag-Cu-Ti系钎料24中的Ti与由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11的反应、Ag-Cu-Ti系钎料24中的Ti与陶瓷基板11中的N(氮)的反应及陶瓷基板11中的Si与Ag-Cu-Ti系钎料24中的Ti的反应，从而能够制造在Ag-Cu共晶层32的内部存在由包含Ti和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相33且在氮化物层31的晶界中存在Cu及Si34的绝缘电路基板10。并且，Ag粒子35分散于氮化物层31。
并且，铜板接合工序S02中，以Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值成为180℃·分钟以上且3500℃·分钟以下的范围内的方式规定升温速度、保持温度、保持时间、降温速度等即可，即使铜板接合工序S02中的温度条件为较低的温度，也能够可靠地接合陶瓷基板11和铜板22。因此，能够抑制陶瓷基板11的劣化。
进而，本实施方式中，接合温度设为850℃以下，因此能够抑制过度进行Cu-Ti金属间化合物形成反应，从而能够抑制产生陶瓷基板11的破裂。
(第2实施方式)
接着，参考图7至图9对本发明的第2实施方式进行说明。
本实施方式所涉及的铜-陶瓷接合体设为通过作为陶瓷部件的陶瓷基板11和作为铜部件的铜板122(电路层112)及铜板123(金属层113)接合而构成的绝缘电路基板110。
图7中示出本发明的第2实施方式的绝缘电路基板110及使用了该绝缘电路基板110的功率模块101。
该功率模块101具备：绝缘电路基板110；在该绝缘电路基板110的一侧(图7中为上侧)的面上经由第1焊锡层2接合的半导体元件3；及在绝缘电路基板110的另一侧(图7中为下侧)配置的散热器151。
绝缘电路基板110具备：陶瓷基板11；在该陶瓷基板11的一面(图7中为上表面)配设的电路层112；及在陶瓷基板11的另一面(图7中为下表面)配设的金属层113。
陶瓷基板11是防止电路层112与金属层113之间的电连接的基板，由绝缘性高的氮化硅(Si3N4)构成。在此，陶瓷基板11的厚度设定为0.2～1.5mm的范围内，本实施方式中设定为0.32mm。
如图9所示，电路层112通过在陶瓷基板11的一面上接合由铜或铜合金形成的铜板122而形成。作为铜或铜合金，能够使用无氧铜或韧铜等。本实施方式中，作为构成电路层112的铜板122，使用无氧铜的轧制板。在该电路层112形成有电路图案，该电路层112的一面(图7中为上表面)设为搭载半导体元件3的搭载面。在此，电路层112的厚度设定为0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，本实施方式中设定为0.6mm。
如图9所示，金属层113通过在陶瓷基板11的另一面上接合由铜或铜合金形成的铜板123而形成。作为铜或铜合金，能够使用无氧铜或韧铜等。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。在此，金属层113的厚度设定为0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，本实施方式中设定为0.6mm。
散热器151用于冷却前述绝缘电路基板110，且由与绝缘电路基板110接合的散热板152和层叠配置于该散热板152的冷却器154构成。
散热板152将来自前述绝缘电路基板110的热沿平面方向扩散，由导热性优异的铜或铜合金构成。另外，散热板152和绝缘电路基板110的金属层113经由第2焊锡层8接合。
如图7所示，冷却器154具备用于使冷却介质(例如，冷却水)流通的流路153。冷却器154优选由导热性良好的材质构成，本实施方式中，由A6063(铝合金)构成。
另外，如图7所示，散热板152和冷却器154隔着润滑脂层(未图示)并通过固定螺钉156而被紧固。
在此，如图9所示，陶瓷基板11和电路层112(铜板122)及陶瓷基板11和金属层113(铜板123)使用包含Ag、Cu及选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的钎料(本实施方式中为作为氮化物形成元素而包含Ti的Ag-Cu-Ti系钎料124)而接合。
在该陶瓷基板11与电路层112(铜板122)的接合界面及在陶瓷基板11与金属层113(铜板123)的接合界面，与第1实施方式同样地，在其晶界中存在Cu及Si，并且形成有在内部分散有Ag粒子的氮化物层和Ag-Cu共晶层。而且，在陶瓷基板11与电路层112(铜板122)之间及在陶瓷基板11与金属层113(铜板123)之间存在由包含氮化物形成元素(本实施方式中为Ti)和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相(参考图2及图3)。另外，氮化物层的厚度设为0.15μm以上且1.0μm以下。氮化物层的厚度设为0.15μm以上，因此铜板122(电路层112)与由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11的接合界面不会产生未反应部，能够得到接合强度高的绝缘电路基板110。进而，氮化物层的厚度设为1.0μm以下，因此能够抑制氮化物层中产生裂缝，能够得到接合强度高的绝缘电路基板110。并且，氮化物层的厚度优选为0.4μm以上且0.8μm以下。
并且，金属间化合物相有时存在于Ag-Cu共晶层的内部，有时还以与氮化物层相邻的方式存在。进而，金属间化合物相有时还存在于从电路层112(铜板122)与陶瓷基板11的接合界面朝向电路层112(铜板122)的20μm以内。并且，有时还存在于从陶瓷基板11与金属层113(铜板123)的接合界面朝向金属层113(铜板123)的20μm以内。
接着，参考图8及图9对上述的本实施方式的绝缘电路基板110的制造方法进行说明。
(铜板层叠工序S101)
首先，如图8及图9所示，在陶瓷基板11的一面上经由Ag-Cu-Ti系钎料124层叠成为电路层112的铜板122。并且，在陶瓷基板11的另一面上经由Ag-Cu-Ti系钎料124层叠成为金属层113的铜板123。
在此，在Ag-Cu-Ti系钎料124中，Cu的含量优选为18质量％以上且34质量％以下，Ti的含量优选为0.3质量％以上且7质量％以下，但并不限定于此。并且，本实施方式中，作为Ag-Cu-Ti系钎料124使用箔材，厚度设定为3μm以上且50μm以下的范围内较佳。
(铜板接合工序S102)
接着，将铜板122、陶瓷基板11及铜板123以沿层叠方向在0.5kgf/cm2以上且35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上且343×104Pa以下)的范围内进行加压的状态装入真空或氩气氛的加热炉内并进行加热，从而接合铜板122、陶瓷基板11及铜板123。
该铜板接合工序S102中，以Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值成为180℃·分钟以上且3500℃·分钟以下的范围内的方式规定升温速度、保持温度、保持时间、降温速度等。在此，若接合温度超过850℃，则过度进行Cu-Ti金属间化合物形成反应，有可能产生陶瓷基板11的破裂。因此，优选将接合温度的上限设为850℃。
另外，上述的温度积分值的下限优选设为250℃·分钟，进一步优选设为500℃·分钟。并且，上述的温度积分值的上限优选设为1900℃·分钟，进一步优选设为1700℃·分钟。
该铜板接合工序S102中，将Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值设为上述的范围内，因此Ag-Cu共晶液相中，在与陶瓷基板11的界面，通过Ag-Cu-Ti系钎料124中的Ti与由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11的反应而形成Si，该Si与Ag-Cu-Ti系钎料124中的Cu进行共晶反应而形成液相。而且，该Cu-Si共晶液相中，Ag-Cu-Ti系钎料124中的Ti与陶瓷基板11中的N(氮)进行反应而生成氮化钛。由此，以陶瓷基板11的表面被侵蚀的方式形成氮化物层。
进而，陶瓷基板11中的Si与Ag-Cu-Ti系钎料124中的Ti进行反应而形成金属间化合物相。
并且，通过上述的反应，在作为柱状晶而生长的氮化物层的晶界中存在Cu及Si。
进而，Ag粒子分散于氮化物层内。
通过如上工序制造本实施方式的绝缘电路基板110。
(散热板接合工序S103)
接着，在绝缘电路基板110的金属层113的另一面侧接合散热板152。
将绝缘电路基板110和散热板152经由焊锡材料进行层叠并装入加热炉，将绝缘电路基板110和散热板152进行焊接接合。
(冷却器配设工序S104)
接着，在散热板152的另一面侧配设冷却器154。
在散热板152与冷却器154之间涂布润滑脂(未图示)，通过固定螺钉156而连结散热板152和冷却器154。
(半导体元件搭载工序S105)
接着，在绝缘电路基板110的电路层112的一面，通过焊接而接合半导体元件3。
通过以上工序，制作出图7所示的功率模块101。
根据设为如上结构的本实施方式的绝缘电路基板110(铜-陶瓷接合体)，由韧铜形成的铜板122(电路层112)及铜板123(金属层113)和由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11分别使用Ag-Cu-Ti系钎料124而接合，铜板接合工序S102中，Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值设为上述的范围内，因此具有与第1实施方式相同的接合界面，从而能够得到铜板122(电路层112)和陶瓷基板11、铜板123(金属层113)和陶瓷基板11可靠地接合而成的绝缘电路基板110。
(第3实施方式)
接着，参考图10至图12对本发明的第3实施方式进行说明。
如图10所示，本实施方式所涉及的铜-陶瓷接合体设为通过作为陶瓷部件的陶瓷基板11和作为铜部件的铜板222(电路层212)接合而构成的绝缘电路基板210。
陶瓷基板11由绝缘性高的氮化硅(Si3N4)构成，设为与第1实施方式及第2实施方式相同的结构。
如图12所示，电路层212通过在陶瓷基板11的一面上接合由无氧铜或韧铜等铜或铜合金形成的铜板222而形成。本实施方式中，铜板222设为无氧铜的轧制板。
在此，如图12所示，陶瓷基板11和电路层212(铜板222)使用包含Ag及选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的钎料(本实施方式中为作为氮化物形成元素而包含Ti的Ag-Ti系钎料)而接合。
在该陶瓷基板11与电路层212(铜板222)的接合界面，与第1实施方式同样地，在其晶界中存在Cu及Si，并且形成有在内部分散有Ag粒子的氮化物层(氮化钛层)和Ag-Cu共晶层。而且，在陶瓷基板11与电路层212(铜板222)之间存在由包含氮化物形成元素(本实施方式中为Ti)和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相(参考图2及图3)。另外，氮化物层的厚度设为0.15μm以上且1.0μm以下。氮化物层的厚度设为0.15μm以上，因此铜板222(电路层212)与由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11的接合界面不会产生未反应部，能够得到接合强度高的绝缘电路基板210。进而，氮化物层的厚度设为1.0μm以下，因此能够抑制氮化物层中产生裂缝，能够得到接合强度高的绝缘电路基板210。并且，氮化物层的厚度优选为0.4μm以上且0.8μm以下。
并且，金属间化合物相有时存在于Ag-Cu共晶层的内部，有时还以与氮化物层相邻的方式存在。进而，金属间化合物相有时还存在于从铜板222(电路层212)与陶瓷基板11的接合界面朝向铜板222(电路层212)的20μm以内。
接着，参考图11及图12对上述的本实施方式的绝缘电路基板210的制造方法进行说明。
(钎料膏涂布工序S201)
首先，在陶瓷基板11的一面，通过丝网印刷涂布Ag-Ti系钎料膏224。另外，Ag-Ti系钎料膏224的厚度设为干燥后20μm以上且300μm以下。
在此，Ag-Ti系钎料膏224含有包含Ag及Ti的粉末成分、树脂、溶剂、分散剂、塑化剂及还原剂。
本实施方式中，粉末成分的含量设为Ag-Ti系钎料膏224整体的40质量％以上且90质量％以下。并且，本实施方式中，Ag-Ti系钎料膏224的粘度调整为10Pa·s以上且500Pa·s以下，更优选为50Pa·s以上且300Pa·s以下。
粉末成分的组成中，Ti的含量设为0.4质量％以上且75质量％以下，剩余部分设为Ag及不可避免杂质。本实施方式中，设为包含10质量％的Ti且剩余部分为Ag及不可避免杂质。
并且，本实施方式中，作为包含Ag及Ti的粉末成分，使用Ag和Ti的合金粉末。该合金粉末通过雾化法而制作，通过将制作出的合金粉末进行筛分而将粒径设定为40μm以下，优选为20μm以下，进一步优选为10μm以下。
(铜板层叠工序S202)
接着，在陶瓷基板11的一面上层叠成为电路层212的铜板222。
(铜板接合工序S203)
接着，将铜板222与陶瓷基板11以沿层叠方向在0.5kgf/cm2以上且35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上且343×104Pa以下)的范围内进行加压的状态装入真空或氩气氛的加热炉内并进行加热，从而接合铜板222与陶瓷基板11。
该铜板接合工序S203中，以Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值成为180℃·分钟以上且3500℃·分钟以下的范围内的方式规定升温速度、保持温度、保持时间、降温速度等。在此，若接合温度超过850℃，则过度进行Cu-Ti金属间化合物形成反应，有可能产生陶瓷基板11的破裂。因此，优选将接合温度的上限设为850℃。
另外，上述的温度积分值的下限优选设为250℃·分钟，进一步优选设为500℃·分钟。并且，上述的温度积分值的上限优选设为1900℃·分钟，进一步优选设为1700℃·分钟。
该铜板接合工序S203中，将Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值设为上述的范围内，因此Ag-Cu共晶液相中，在与陶瓷基板11的界面，通过Ag-Ti系钎料224中的Ti与由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11的反应而形成Si，该Si与铜板222中的Cu进行共晶反应而形成液相。该液相中，Ag-Ti系钎料224中的Ti与陶瓷基板11中的N(氮)进行反应而生成氮化钛。由此，以陶瓷基板11的表面被侵蚀的方式形成由氮化钛形成的氮化物层。
进而，陶瓷基板11中的Si与Ag-Ti系钎料224中的Ti进行反应而形成金属间化合物相。
并且，通过上述的反应，在作为柱状晶而生长的氮化物层的晶界中存在Cu及Si。
进而，Ag粒子分散于氮化物层内。
通过如上工序制造本实施方式的绝缘电路基板210。
根据设为如上结构的本实施方式的绝缘电路基板210(铜-陶瓷接合体)，由无氧铜形成的铜板222(电路层212)及由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板11使用Ag-Ti系钎料膏224而接合，铜板接合工序S203中，Cu-Si共晶温度(804℃)以上的温度乘以时间进行积算而得的温度积分值设为上述的范围内，因此具有与第1实施方式相同的接合界面，从而能够得到铜板222(电路层212)和陶瓷基板11可靠地接合而成的绝缘电路基板210。
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适当进行变更。
例如，对于构成电路层或金属层的铜板，以无氧铜的轧制板进行了说明，但并不限定于此，也可以是由其他铜或铜合金构成的铜板。
并且，第1实施方式中，对于构成金属层的铝板，以纯度99.99质量％的纯铝的轧制板进行了说明，但并不限定于此，也可以是由纯度99质量％的铝(2N铝)等其他铝或铝合金构成的铝板。
进而，本实施方式中，以在氮化物层中分散有Ag粒子的例子进行了说明，但并不限定于此。
并且，本实施方式中，以分散于氮化物层的Ag粒子的粒径设为10nm以上且100nm以下的范围内的例子进行了说明，但也可以分散有除此以外的尺寸的Ag粒子。
进而，散热器或散热板并不限定于本实施方式中例示的散热器或散热板，散热器的结构并无特别限定。
并且，可以在散热器的顶板部或散热板与金属层之间设置由铝或铝合金或者包含铝的复合材料(例如AlSiC等)形成的缓冲层。
进而，本实施方式中，以作为氮化物形成元素使用Ti而具有由氮化钛形成的氮化物层及包含Ti和Si的金属间化合物相的例子进行了说明，但并不限定于此，也可以是使用选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素而具有包含该氮化物形成元素的氮化物层及包含氮化物形成元素和Si的金属间化合物相。
进而，第3实施方式中，以使用Ag-Ti系钎料膏接合陶瓷基板和铜板的例子进行了说明，但并不限定于此，也可以使用Ag-Cu-Ti系膏。在该情况下，铜-陶瓷接合体具有与第1实施方式相同的界面结构。
并且，以将Ag-Ti系钎料膏涂布于陶瓷基板的例子进行了说明，但并不限定于此，也可以将Ag-Ti系钎料膏等涂布于铜板。
进而，以通过丝网印刷来涂布Ag-Ti系钎料膏的例子进行了说明，但对于涂布方法并无限定。
并且，也可以在层叠工序(S202)之前设置进行Ag-Ti系钎料膏的干燥的工序。
进而，第3实施方式中，作为包含Ag及Ti的粉末成分，使用了Ag和Ti的合金粉末，但并不限于此，能够使用Ag粉末与Ti粉末的混合粉末。在该情况下，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以下为较佳。
并且，也能够使用TiH2粉末来代替Ti粉末。在使用了TiH2粉末的情况下，粉末成分的组成中，TiH2的含量设为0.4质量％以上且50质量％以下，剩余部分设为Ag及不可避免杂质为较佳。所使用的TiH2粉末的粒径优选为15μm以下，更优选为5μm以下为较佳。并且，在为使用了TiH2粉末的膏的情况下，所涂布的膏的厚度设为干燥后20μm以上且300μm以下为较佳。
并且，也能够使用由Ag粉末、Cu粉末与Ti粉末或TiH2粉末的混合粉末形成的膏。
并且，也能够在上述实施方式中记载的Ag-Cu-Ti系钎料或Ag-Ti系钎料中添加选自In、Sn、Al、Mn及Zn中的1种或2种以上的元素。在该情况下，能够进一步降低接合温度。
进而，作为Ag-Ti系钎料膏，也能够使用由Ti、选自In、Sn、Al、Mn及Zn中的1种或2种以上的元素和剩余部分为Ag及不可避免杂质形成的膏。在该情况下，能够进一步降低接合温度。
并且，第2实施方式中，也能够使用第3实施方式中记载的Ag-Ti系钎料膏来代替Ag-Cu-Ti系钎料箔。
并且，本实施方式中，以在绝缘电路基板搭载功率半导体元件构成功率模块的例子进行了说明，但并不限定于此。例如，也可以是在绝缘电路基板的电路层搭载LED元件而构成LED模块，也可以是在绝缘电路基板的电路层搭载热电元件而构成热电模块。
实施例
对为了确认本发明的有效性而进行的确认实验进行说明。
(实施例1)
使用由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板、钎料、铜板形成了铜-陶瓷接合体。具体而言，在40mm见方且厚度为0.32mm的陶瓷基板的一面上接合了由表1中记载的材质形成的铜板。另外，表1中，“TPC”表示韧铜，“OFC”表示无氧铜。铜板的大小设为44mm×25mm(其中，从陶瓷基板的端部突出5mm)。使钎料介于陶瓷基板与铜板之间，在表1所示的条件下接合铜板，从而形成了铜-陶瓷接合体。并且，沿层叠方向的施加压力(载荷)设为1.5kgf/cm2，接合气氛设为真空(3×10-5Pa)。
并且，关于钎料，为Ag-Cu-Ti箔的情况下，使用了Ag-28质量％Cu-3质量％Ti(厚度：20μm)的钎料。
为Ag-Ti箔的情况下，使用了Ag-10质量％Ti(厚度：20μm)的钎料。
为Ag-Cu-Ti膏的情况下，将含有粉末成分的组成为Ag-28质量％Cu-3质量％Ti的钎料粉末(粒径20μm)、丙烯酸系树脂及TEXANOL的膏以干燥后的厚度成为150μm的方式进行涂布而作为钎料。
为Ag-Ti膏的情况下，将含有粉末成分的组成为Ag-10质量％Ti的钎料粉末(粒径20μm)、丙烯酸系树脂及TEXANOL的膏以干燥后的厚度成为150μm的方式进行涂布而作为钎料。
为Ag-Zr膏的情况下，将含有粉末成分的组成为Ag-17质量％Zr的钎料粉末(粒径20μm)、丙烯酸系树脂及TEXANOL的膏以干燥后的厚度成为150μm的方式进行涂布而作为钎料。
为Ag-Hf膏的情况下，将含有粉末成分的组成为Ag-29质量％Hf的钎料粉末(粒径40μm)、丙烯酸系树脂及TEXANOL的膏以干燥后的厚度成为150μm的方式进行涂布而作为钎料。
为Ag-Nb膏的情况下，将含有粉末成分的组成为Ag-18质量％Nb的钎料粉末(粒径20μm)、丙烯酸系树脂及TEXANOL的膏以干燥后的厚度成为150μm的方式进行涂布而作为钎料。
关于以如上方式得到的铜-陶瓷接合体，对氮化物层的厚度、在Ag-Cu共晶层中有无金属间化合物相、在氮化物层的晶界中有无Cu及Si、在氮化物层中有无Ag粒子(粒径)、铜板与陶瓷基板之间的90°剥离强度进行了评价。
(接合界面的观察)
使用扫描型电子显微镜(Carl Zeiss NTS GmbH制ULTRA55)，在倍率15000倍(测定视场：6μm×8μm)、视场数量5的条件下对铜板与陶瓷基板的接合界面(与陶瓷基板的表面垂直的截面)进行观察，并确认了氮化物层的厚度、在Ag-Cu共晶层中有无金属间化合物相、在氮化物层中有无Ag粒子(粒径)。
关于氮化物层的厚度，在铜板与陶瓷基板的接合界面获取选自Ti、Nb、Hf、Zr中的氮化物形成元素和N的元素映射，将氮化物形成元素和氮(N)共存的区域视为氮化物层，测定该区域的面积，求出所测定出的面积除以测定视场的宽度的尺寸而得的值，将5个视场中求出的值的平均作为氮化物层的厚度。
另外，关于有无金属间化合物相，将如下情况视为“有”金属间化合物相：在氮化物形成元素和Si的元素映射中存在氮化物形成元素和Si共存的区域，且该区域的氮化物形成元素的浓度为60质量％以上且90质量％以下。
并且，使用透射型电子显微镜(FEI制Titan ChemiSTEM)在加速电压200kV、倍率91万倍的条件下观察接合界面，通过基于0.1nm左右的光束直径的元素映射确认了在氮化物层的晶界中有无Cu及Si。
关于有无Ag粒子，将氮化物层内的Ag的元素映射转换为8位灰度，并获取Ag分布图像，根据Kapur-Sahoo-Wong(Maximum Entropy)thresholding mrthod(Kapur,JN；Sahoo,PK；Wong,ACK(1985)、“A New Method for Gray-Level Picture ThresholdingUsingtheEntropy of the Histogram”,Graphical Models and Image Processing 29(3)：参考273-285)，将Ag分布图像二值化。从经二值化的图像提取Ag粒子的轮廓，根据轮廓内的面积(像素数量)计算出圆当量直径(直径)。而且，将计算出的圆当量直径D50作为Ag粒子的粒径。
(90°剥离强度试验)
在铜-陶瓷接合体中，将在150℃放置500小时之后接合的铜板中的从陶瓷基板突出的部分弯曲90°，沿与陶瓷基板垂直的方向拉伸铜板，测定了铜板从陶瓷基板剥离为止的最大拉伸载荷。将该载荷除以接合长度(39mm)而得的值作为90°剥离强度，并记载于表1中。
将评价结果示于表1。并且，将本发明例1的铜-陶瓷接合体中的SEM观察结果示于图13，将本发明例1的铜-陶瓷接合体中的STEM观察结果示于图14。
[表1]
在氮化物层中不存在Cu及Si，且氮化物层的厚度为小于0.15μm的比较例1中，90°剥离强度为3.2kN/m而变低。其原因推测为，未能抑制氮化物层中产生裂缝，并且，在陶瓷基板与铜板的接合界面产生了未反应部。
在氮化物层的厚度设为1.24μm的比较例2中，90°剥离强度为4.5kN/m而变低。其原因推测为，氮化物层形成为过厚，产生了裂缝。
相对于此，在本发明例1-10中，90°剥离强度均变高。其原因推测为，氮化物层的厚度设为0.15μm以上且1.0μm以下，在氮化物层存在Cu及Si，氮化物层中的裂缝的产生得到了抑制。
在此，本发明例中，如图13的(a)(In Lens SE(二次电子)图像)所示，在陶瓷基板(Si3N4)11的接合界面观察到氮化物层31和Ag-Cu共晶层32(在图13的(a)中观察到构成Ag-Cu共晶层32的Ag32a和Cu32b)。
并且，确认到金属间化合物相33存在于铜板与陶瓷基板之间，并且以与氮化物层31相邻的方式存在于Ag-Cu共晶层32的内部。
并且，如图13的(b)(BSE(反射电子)图像)所示，确认到在上述的氮化物层31的内部分散有Ag粒子35。
而且，本发明例中，如图14(上侧图为HAADF(高角度环形暗场)图像、中间图为Cu的元素映射、下侧图为Si的元素映射)所示，确认到在氮化物层的晶界中存在Cu及Si。
(实施例2)
使用由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板、钎料、铜板形成了绝缘电路基板。具体而言，在40mm见方且厚度为0.32mm的陶瓷基板的两个面上接合了由表2中记载的材质形成的铜板。铜板的大小设为37mm见方且厚度为0.8mm。使钎料介于陶瓷基板与铜板之间，在表2所示的条件下接合铜板，从而形成了铜-陶瓷接合体。并且，沿层叠方向的施加压力(载荷)设为1.5kgf/cm2，接合气氛设为真空(3×10-5Pa)。另外，表2所示的钎料使用了与上述的实施例1相同的钎料。
关于以如上方式得到的绝缘电路基板，对氮化物层的厚度、氮化物层中的从陶瓷基板侧的界面至总厚度的25％位置的区域中的Ag的平均浓度C1与从铜板侧的界面至总厚度的25％位置的区域中的Ag的平均浓度C2之间的比C2/C1、陶瓷基板与铜板的初始接合率、基于冷热循环试验的陶瓷基板的破裂进行了评价。
(氮化物层的厚度、氮化物层中的Ag浓度)
使用透射型电子显微镜(FEI制Titan ChemiSTEM)在加速电压200kV、倍率91万倍的条件下实施氮化物层的厚度方向的线分析，以纵轴为Ag浓度、横轴为测定位置制作了曲线图。
将氮化物层的总厚度设为t，在从陶瓷基板侧的界面至氮化物层的总厚度t的25％(t/4)位置为止的区域中，将由通过原点的横轴和Ag浓度曲线包围的面积除以t/4而得的值设为Ag的平均浓度C1。并且，在从铜板侧的界面至氮化物层的总厚度t的25％(t/4)位置为止的区域中，将由通过原点的横轴和Ag浓度曲线包围的面积除以t/4而得的值设为Ag的平均浓度C2。
在此，关于陶瓷基板与氮化物层的界面，将从陶瓷基板侧观察时线分析中的氮化物形成元素的浓度首次成为10at％以上的位置作为界面。
并且，关于铜板与氮化物层的界面，将从铜板侧观察时线分析中的氮化物形成元素的浓度首次成为10at％以上的位置作为界面。
而且，关于氮化物层的总厚度t，根据如上述规定的与陶瓷基板的界面位置及与铜板的界面位置来算出。
(初始接合率)
关于铜板与陶瓷基板的接合率，使用超声波探伤装置(Hitachi Power SolutionsCo.,Ltd.制FineSAT200)并利用以下的式求出。在此，初始接合面积是指，接合前的应接合的面积，即设为铜板的接合面的面积。超声波探伤图像中，以接合部内的白色部表示剥离，因此将该白色部的面积设为剥离面积。
(接合率)＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)
(陶瓷基板的破裂)
使用冷热冲击试验机(ESPEC Corp.制TSA-72ES)，以反复进行200次-40℃×5分钟←→150℃×5分钟的冷热循环为单位，确认有无陶瓷基板的破裂，并测定了确认到破裂的次数。另外，将1400次负荷时未确认到破裂的基板记载为“＞1400”。
[表2]
若氮化物层中的从陶瓷基板侧的界面至总厚度的25％位置为止的区域中的Ag的平均浓度C1与从铜板侧的界面至总厚度的25％位置为止的区域中的Ag的平均浓度C2之间的比C2/C1小，则初始接合率高，且具有抑制陶瓷基板的破裂的倾向。其原因推测为Ag充分扩散于陶瓷基板侧，进行了界面反应。
从以上内容确认到，根据本发明例，能够提供铜部件和由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。
产业上的可利用性
关于本发明的铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板，由于能够抑制氮化物层中产生裂缝的铜部件和陶瓷部件可靠地接合，因此可靠性高且适于LED或功率模块等半导体装置。
符号说明
10、110、210：绝缘电路基板，11：陶瓷基板，12、112、212：电路层(铜层)，13、113：金属层，22、122、123、222：铜板，24：Ag-Cu-Ti系钎料，31：氮化物层，32：Ag-Cu共晶层，33：金属间化合物相，34：Cu及Si，35：Ag粒子，124：Ag-Cu-Ti系钎料，224：Ag-Ti系钎料膏。

Claims (5)

1.一种铜-陶瓷接合体，其通过由铜或铜合金形成的铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件接合而成，所述铜-陶瓷接合体的特征在于，
在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，从所述陶瓷部件侧依次形成有包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层和Ag-Cu共晶层，
所述氮化物层的厚度为0.15μm以上且1.0μm以下，
在所述铜部件与所述陶瓷部件之间存在由包含所述氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，
在所述氮化物层的晶界中存在Cu及Si。
2.根据权利要求1所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
在所述氮化物层的内部分散有Ag粒子。
3.根据权利要求2所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
分散于所述氮化物层的内部的所述Ag粒子的粒径设为10nm以上且100nm以下的范围内。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
在所述氮化物层中，从所述陶瓷部件侧的界面至总厚度的25％位置为止的区域中的Ag的平均浓度C1与从所述铜部件侧的界面至总厚度的25％位置为止的区域中的Ag的平均浓度C2之间的比C2/C1为0.8以下。
5.一种绝缘电路基板，其为在由氮化硅形成的陶瓷基板的表面形成有由铜或铜合金形成的铜层的绝缘电路基板，所述绝缘电路基板的特征在于，
所述铜层和所述陶瓷基板由权利要求1至4中任一项所述的铜-陶瓷接合体构成。
CN201780039786.XA 2016-06-30 2017-06-28 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 Active CN109417056B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016-130224 2016-06-30
JP2016130224 2016-06-30
JP2017-119683 2017-06-19
JP2017119683A JP6904088B2 (ja) 2016-06-30 2017-06-19 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
PCT/JP2017/023729 WO2018003845A1 (ja) 2016-06-30 2017-06-28 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109417056A true CN109417056A (zh) 2019-03-01
CN109417056B CN109417056B (zh) 2022-09-02

Family

ID=60994928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780039786.XA Active CN109417056B (zh) 2016-06-30 2017-06-28 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11028022B2 (zh)
EP (1) EP3480844A4 (zh)
JP (1) JP6904088B2 (zh)
CN (1) CN109417056B (zh)
TW (1) TWI729158B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111403347A (zh) * 2020-03-03 2020-07-10 江苏富乐德半导体科技有限公司 一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构及其制备方法
CN113614261A (zh) * 2019-03-25 2021-11-05 京瓷株式会社 电路衬底及具备它的散热衬底或电子设备
CN114787106A (zh) * 2019-12-06 2022-07-22 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板及铜-陶瓷接合体的制造方法、绝缘电路基板的制造方法
CN114845977A (zh) * 2019-12-19 2022-08-02 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、及绝缘电路基板
CN115004361A (zh) * 2020-01-24 2022-09-02 三菱综合材料株式会社 铜-石墨烯接合体及其制造方法以及铜-石墨烯接合结构
CN115989579A (zh) * 2020-10-07 2023-04-18 株式会社东芝 接合体、陶瓷电路基板及半导体装置
CN116075492A (zh) * 2020-08-12 2023-05-05 株式会社德山 电路基板用层叠体
US11881439B2 (en) 2019-08-21 2024-01-23 Mitsubishi Materials Corporation Copper/ceramic joined body, insulating circuit substrate, copper/ceramic joined body production method, and insulating circuit substrate production method

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6939596B2 (ja) * 2018-01-24 2021-09-22 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法及びセラミックス‐銅接合体
CN111656518B (zh) * 2018-02-13 2023-05-16 三菱综合材料株式会社 铜-钛-铝接合体、绝缘电路基板、带散热器的绝缘电路基板、功率或led或热电模块
WO2020044593A1 (ja) 2018-08-28 2020-03-05 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法
JPWO2020105160A1 (ja) * 2018-11-22 2021-10-14 日本碍子株式会社 接合基板の製造方法
JP6870767B2 (ja) * 2019-09-02 2021-05-12 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
WO2021112060A1 (ja) * 2019-12-02 2021-06-10 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
JP6939973B2 (ja) * 2019-12-19 2021-09-22 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
JP2022165046A (ja) * 2021-04-19 2022-10-31 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
JP2022165045A (ja) 2021-04-19 2022-10-31 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
JP2023013631A (ja) 2021-07-16 2023-01-26 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、および、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
JP2023013628A (ja) * 2021-07-16 2023-01-26 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
JP2023020265A (ja) * 2021-07-30 2023-02-09 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
JP2023020266A (ja) * 2021-07-30 2023-02-09 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2023106226A1 (ja) 2021-12-10 2023-06-15 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05148053A (ja) * 1991-11-29 1993-06-15 Toshiba Corp セラミツクス−金属接合体
CN104067386A (zh) * 2012-02-01 2014-09-24 三菱综合材料株式会社 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块、功率模块用基板的制造方法以及铜部件接合用浆料
CN105452195A (zh) * 2013-09-30 2016-03-30 三菱综合材料株式会社 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

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0632354B2 (ja) 1988-03-31 1994-04-27 株式会社住友金属セラミックス セラミック回路基板およびセラミック回路基板の製造方法
JP3495051B2 (ja) * 1992-07-03 2004-02-09 株式会社東芝 セラミックス−金属接合体
JP3211856B2 (ja) 1994-11-02 2001-09-25 電気化学工業株式会社 回路基板
US6232657B1 (en) 1996-08-20 2001-05-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Silicon nitride circuit board and semiconductor module
US8273993B2 (en) * 2006-03-08 2012-09-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Electronic component module
JP6343993B2 (ja) * 2014-03-25 2018-06-20 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、およびその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05148053A (ja) * 1991-11-29 1993-06-15 Toshiba Corp セラミツクス−金属接合体
CN104067386A (zh) * 2012-02-01 2014-09-24 三菱综合材料株式会社 功率模块用基板、自带散热器的功率模块用基板、功率模块、功率模块用基板的制造方法以及铜部件接合用浆料
CN105452195A (zh) * 2013-09-30 2016-03-30 三菱综合材料株式会社 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

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113614261A (zh) * 2019-03-25 2021-11-05 京瓷株式会社 电路衬底及具备它的散热衬底或电子设备
US11881439B2 (en) 2019-08-21 2024-01-23 Mitsubishi Materials Corporation Copper/ceramic joined body, insulating circuit substrate, copper/ceramic joined body production method, and insulating circuit substrate production method
CN114787106A (zh) * 2019-12-06 2022-07-22 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板及铜-陶瓷接合体的制造方法、绝缘电路基板的制造方法
CN114787106B (zh) * 2019-12-06 2023-07-14 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板及铜-陶瓷接合体的制造方法、绝缘电路基板的制造方法
CN114845977A (zh) * 2019-12-19 2022-08-02 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、及绝缘电路基板
CN114845977B (zh) * 2019-12-19 2023-08-25 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、及绝缘电路基板
CN115004361A (zh) * 2020-01-24 2022-09-02 三菱综合材料株式会社 铜-石墨烯接合体及其制造方法以及铜-石墨烯接合结构
CN111403347A (zh) * 2020-03-03 2020-07-10 江苏富乐德半导体科技有限公司 一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构及其制备方法
CN116075492A (zh) * 2020-08-12 2023-05-05 株式会社德山 电路基板用层叠体
CN115989579A (zh) * 2020-10-07 2023-04-18 株式会社东芝 接合体、陶瓷电路基板及半导体装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3480844A1 (en) 2019-05-08
TWI729158B (zh) 2021-06-01
JP6904088B2 (ja) 2021-07-14
EP3480844A4 (en) 2020-01-29
US20190135706A1 (en) 2019-05-09
TW201821390A (zh) 2018-06-16
US11028022B2 (en) 2021-06-08
JP2018008869A (ja) 2018-01-18
CN109417056B (zh) 2022-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109417056A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
JP6965768B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
US9735085B2 (en) Bonded body, power module substrate, power module and method for producing bonded body
KR101758586B1 (ko) 구리/세라믹스 접합체 및 파워 모듈용 기판
US20200365475A1 (en) Bonded body of copper and ceramic, insulating circuit substrate, bonded body of copper and ceramic production method, and insulating circuit substrate production method
WO2019146464A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
WO2018159590A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
KR101676230B1 (ko) 접합체 및 파워 모듈용 기판
WO2021124923A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
WO2018003845A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
CN107431051A (zh) 带有散热片的功率模块用基板的制造方法
JP5828352B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板
WO2021085451A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
JP2019085327A (ja) 接合体、及び、絶縁回路基板
JP2021098641A (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
KR20180121527A (ko) 반도체 장치
JP2023086688A (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
JP6928297B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
WO2021117327A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
JP2015177045A (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板
WO2023106226A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2021112046A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
CN117897366A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
CN117769533A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
CN117981479A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant