CN111656518B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

在本发明的铜‑钛‑铝接合体中，由铜或铜合金构成的铜部件和由铝或铝合金构成的铝部件经由钛层而被接合，在铜部件与钛层的接合界面形成有含有Cu和Ti的金属间化合物，在铜部件与钛层的接合界面，沿着未形成有金属间化合物的金属间化合物未形成部的接合界面的长度Li的最大值为20μm以下，沿着金属间化合物未形成部的接合界面的总长度ΣLi与所述接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0为0.16以下。

Description

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
技术领域
本发明涉及一种由铜或铜合金构成的铜部件和由铝或铝合金构成的铝部件经由钛层接合而成的铜-钛-铝接合体、及具备该铜-钛-铝接合体的绝缘电路基板、带散热器的绝缘电路基板、功率模块、LED模块、热电模块。
背景技术
在功率模块、LED模块及热电模块中，设为在绝缘层的一个面形成有由导电材料构成的电路层的绝缘电路基板上，接合有功率半导体元件、LED元件及热电元件的结构。
例如，为了控制风力发电、电动汽车、混合动力汽车等而使用的大功率控制用功率半导体元件在运行时发热量多，因此作为搭载该功率半导体元件的基板，广泛地使用由耐热性、绝缘性优异的氮化硅(Si3N4)构成的陶瓷基板(绝缘层)。
并且，在上述绝缘电路基板中，也提供一种如下结构：在陶瓷基板(绝缘层)的一个面接合导电性优异的金属板而形成电路层，并且，在另一个面接合散热性优异的金属层并使其一体化。
在此，正在研究使用铝层与铜层层叠而成的接合体作为绝缘电路基板(功率模块用基板)的电路层及金属层。例如，在专利文献1中提出如下内容：将电路层及金属层设为铝层与铜层经由钛层而接合的结构。
此外，在上述功率模块、LED模块及热电模块中，为了使从搭载于电路层上的半导体元件等产生的热有效地散发，也使用在绝缘电路基板的金属层侧接合有散热器的带散热器的绝缘电路基板。
例如，在专利文献1中提出有一种带散热器的绝缘电路基板，其中，金属层由铝或铝合金构成，散热器由铜或铜合金构成，金属层与散热器经由钛层接合而成。
而且，在上述绝缘电路基板及带散热器的绝缘电路基板中，通过超声波检查等评价陶瓷基板与铝层、铝层与钛层、钛层与铜层各接合界面的接合状态。
专利文献1：日本专利第5725061号公报
最近，在搭载于绝缘电路基板上的功率半导体元件、LED元件及热电元件等中，发热密度趋于变高，对绝缘电路基板要求直至比以往更高温度的冷热循环的可靠性。
在此，如上所述，在具有铝层与铜层经由钛层接合而成的结构的绝缘电路基板及带散热器的绝缘电路基板中，当负载直至比以往更高温度的冷热循环时，有时在铜层与钛层的接合界面会产生剥离。
发明内容
本发明是鉴于前述情况而完成的，其目的在于提供一种即使在负载比以往更高温度的冷热循环的情况下，也能够抑制在铜部件与钛层的接合界面产生剥离且可靠性尤其优异的铜-钛-铝接合体、以及具备该铜-钛-铝接合体的绝缘电路基板、带散热器的绝缘电路基板、功率模块、LED模块、热电模块。
为了解决上述课题，本发明人等经过深入研究的结果，得到了如下见解：在铜层与钛层的接合界面形成有铜和钛的金属间化合物，但是在接合界面的局部存在未形成有该金属间化合物的区域(金属间化合物未形成部)，在负载直至比以往更高温度的冷热循环的情况下，在该金属间化合物未形成部产生剥离。另外，该金属间化合物未形成部在冷热循环负载之前，无法在超声波检查中检测出。
本发明是根据上述见解而完成的，在本发明的一方式的铜-钛-铝接合体中，其通过由铜或铜合金构成的铜部件和由铝或铝合金构成的铝部件经由钛层接合而成，所述铜-钛-铝接合体的特征在于，在所述铜部件与所述钛层的接合界面形成有含有Cu和Ti的金属间化合物，在所述铜部件与所述钛层的接合界面，沿着未形成有所述金属间化合物的金属间化合物未形成部的接合界面的长度Li的最大值为20μm以下，沿着所述金属间化合物未形成部的接合界面的总长度ΣLi与所述接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0为0.16以下。
根据该结构的铜-钛-铝接合体，在所述铜部件与所述钛层的接合界面，由于沿着未形成有所述金属间化合物的金属间化合物未形成部的接合界面的长度Li的最大值为20μm以下，因此在铜部件与钛层之间Cu和Ti充分地彼此扩散而形成有上述金属间化合物，并且铜部件与钛层的接合可靠性优异。
并且，由于沿着所述金属间化合物未形成部的接合界面的总长度ΣLi与所述接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0为0.16以下，因此未形成有含有Cu和Ti的金属间化合物的区域的存在比率小，即使在负载直至比以往更高温度的冷热循环的情况下，也能够抑制以金属间化合物未形成部为起点产生剥离。
本发明的一方式的绝缘电路基板具备陶瓷基板和形成于所述陶瓷基板的一个面的电路层，所述绝缘电路基板的特征在于，所述电路层是前述项所述的铜-钛-铝接合体。
根据该结构的绝缘电路基板，由于电路层由上述铜-钛-铝接合体构成，因此即使在电路层上搭载发热密度高的元件，也能够抑制在铜部件与钛层的接合界面产生剥离，且可靠性优异。
并且，本发明的一方式的绝缘电路基板具备陶瓷基板、形成于所述陶瓷基板的一个面的电路层及形成于所述陶瓷基板的另一个面的金属层，所述绝缘电路基板的特征在于，所述金属层是前述项所述的铜-钛-铝接合体。
根据该结构的绝缘电路基板，由于金属层由上述铜-钛-铝接合体构成，因此铜部件与钛层的接合可靠性优异，能够使来自搭载于电路层上的元件的热经由金属层有效地散发。
此外，本发明的一方式的绝缘电路基板具备陶瓷基板、形成于所述陶瓷基板的一个面的电路层及形成于所述陶瓷基板的另一个面的金属层，所述绝缘电路基板的特征在于，所述电路层及所述金属层是前述项所述的铜-钛-铝接合体。
根据该结构的绝缘电路基板，由于电路层及金属层由上述铜-钛-铝接合体构成，因此即使在电路层上搭载发热密度高的元件，也能够抑制在铜部件与钛层的接合界面产生剥离，且可靠性优异。并且，能够使来自搭载于电路层上的元件的热经由金属层有效地散发。
本发明的一方式的带散热器的绝缘电路基板具备陶瓷基板、形成于所述陶瓷基板的一个面的电路层、形成于所述陶瓷基板的另一个面的金属层及接合于所述金属层的散热器，所述带散热器的绝缘电路基板的特征在于，所述金属层及所述散热器是前述项所述的铜-钛-铝接合体。
根据该结构的带散热器的绝缘电路基板，由于金属层及散热器设为上述铜-钛-铝接合体，因此即使在高负载时，也抑制在形成于金属层与散热器之间的铜部件和钛层的接合界面产生剥离，且可靠性优异。
本发明的一方式的功率模块的特征在于，具备前述项所述的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的功率半导体元件。
并且，本发明的一方式的功率模块的特征在于，具备前述项所述的带散热器的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的功率半导体元件。
本发明的一方式的LED模块的特征在于，具备前述项所述的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的LED元件。
并且，本发明的一方式的LED模块的特征在于，具备前述项所述的带散热器的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的LED元件。
本发明的一方式的热电模块的特征在于，具备前述项所述的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的热电元件。
并且，本发明的一方式的热电模块的特征在于，具备前述项所述的带散热器的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的热电元件。
根据本发明的一方式的功率模块、LED模块及热电模块，具有上述铜-钛-铝接合体，即使在高负载时，也抑制在铜部件与钛层的接合界面产生剥离，并且能够提高功率模块、LED模块及热电模块的可靠性。
根据本发明，能够提供一种即使在负载比以往更高温度的冷热循环的情况下，也能够抑制在铜部件与钛层的接合界面产生剥离且可靠性尤其优异的铜-钛-铝接合体、及具备铜-钛-铝接合体的绝缘电路基板、带散热器的绝缘电路基板、功率模块、LED模块、热电模块。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的铜-钛-铝接合体、绝缘电路基板及功率模块的剖视图。
图2是表示图1所示的铜-钛-铝接合体(电路层及金属层)的接合界面附近的主要部分放大剖视图。
图3是表示图1所示的绝缘电路基板及功率模块的制造方法的流程图。
图4是表示图1所示的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
图5是表示本发明的第二实施方式的铜-钛-铝接合体、带散热器的绝缘电路基板、及功率模块的剖视图。
图6是表示图5所示的铜-钛-铝接合体(金属层和散热器)的接合界面附近的主要部分放大剖视图。
图7是表示图5所示的带散热器的绝缘电路基板及功率模块的制造方法的流程图。
图8是表示图5所示的带散热器的绝缘电路基板的制造方法的说明图。
图9是表示本发明的其他实施方式的铜-钛-铝接合体、绝缘电路基板及功率模块的剖视图。
图10是表示本发明的其他实施方式的铜-钛-铝接合体、绝缘电路基板及功率模块的剖视图。
图11是在比较例中使用的加压夹具的说明图。
图12是本发明例1的铜-钛-铝接合体中的接合界面的剖面的组成图像。
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，在以下所示的各实施方式中，为了更好地理解本发明的主旨而具体地进行说明，若无特别的指定，则并不限定本发明。并且，在以下说明中所使用的附图中，为了容易理解本发明的特征，为方便起见，有时放大表示成为主要部分的部分，各构成要件的尺寸比率等并不限定于与实际的相同。
(第一实施方式)
图1表示使用了本发明的第一实施方式的绝缘电路基板10的功率模块1。另外，本实施方式中的接合体在图1所示的绝缘电路基板10中设为：电路层20，通过作为铝部件的铝层21及作为铜部件的铜层22经由钛层25接合而成；及金属层30，通过作为铝部件的铝层31及作为铜部件的铜层32经由钛层35接合而成。
图1所示的功率模块1具备：绝缘电路基板10；功率半导体元件3，经由第一焊锡层2接合于该绝缘电路基板10的一个面(图1中的上表面)；及散热器41，经由第二焊锡层42接合于绝缘电路基板10的下侧。另外，接合有散热器41的绝缘电路基板10设为本实施方式中的带散热器的绝缘电路基板40。
功率半导体元件3由Si等半导体材料构成。关于将绝缘电路基板10和功率半导体元件3进行接合的第一焊锡层2，例如设为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊锡材料(所谓的无铅焊锡材料)。
散热器41用于散发绝缘电路基板10侧的热。散热器41由铜或铜合金构成，在本实施方式中，由无氧铜构成。关于将绝缘电路基板10和散热器41进行接合的第二焊锡层42，例如设为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊锡材料(所谓的无铅焊锡材料)。
而且，如图1所示，本实施方式所涉及的绝缘电路基板10具备陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一个面(图1中的上表面)上的电路层20、配设于陶瓷基板11的另一个面(图1中的下表面)上的金属层30。
陶瓷基板11由绝缘性高的AlN(氮化铝)、Si3N4(氮化硅)、Al2O3(氧化铝)等构成。在本实施方式中，由强度优异的Si3N4(氮化硅)构成。并且，陶瓷基板11的厚度设定在0.2～1.5mm的范围内，在本实施方式中设定为0.32mm。
如图1所示，电路层20具有：铝层21，配设于陶瓷基板11的一个面；及铜层22，经由钛层25层叠于该铝层21的一个面。
在此，电路层20中的铝层21的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.4mm。
并且，电路层20中的铜层22的厚度设定在0.1mm以上且6.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为1.0mm。
如图1所示，金属层30具有：铝层31，配设于陶瓷基板11的另一个面；及铜层32，经由钛层35层叠于该铝层31的另一个面。
在此，金属层30中的铝层31的厚度设定在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.4mm。
并且，金属层30中的铜层32的厚度设定在0.1mm以上且6.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为1.0mm。
在此，如图4所示，铝层21、31通过在陶瓷基板11的一个面及另一个面接合铝板51、61而形成。
成为铝层21、31的铝板51、61由纯度为99质量％以上的铝(2N铝)构成。即，Si的含量设在0.03质量％以上且1.0质量％以下的范围内。
铜层22、32通过在铝层21、31的一个面及另一个面经由钛层25、35接合由铜或铜合金构成的铜板52、62而形成。在本实施方式中，构成铜层22、32的铜板52、62设为无氧铜的轧制板。
另外，铝层21、31和钛层25、35，钛层25、35和铜层22、32分别被固相扩散接合。
在此，如图2所示，在铝层21、31与钛层25、35的接合界面形成有Al-Ti-Si层26、36。
该Al-Ti-Si层26、36通过铝层21、31的Si固溶于Al3Ti中而形成，该Al3Ti通过铝层21、31的Al原子与钛层25、35的Ti原子彼此扩散而形成。
Al-Ti-Si层26、36的厚度设定为0.5μm以上且10μm以下，在本实施方式中设为3μm。
并且，如图2所示，在钛层25、35与铜层22、32的接合界面形成有含有Ti和Cu的金属间化合物相27、37。
该金属间化合物相27、37通过铜层22、32的Cu原子与钛层25、35的Ti原子彼此扩散而形成。
另外，如图2所示，在钛层25、35与铜层22、32的接合界面，存在未形成有上述金属间化合物相27、37的区域(金属间化合物未形成部28、38)。
在此，在本实施方式中，沿着该金属间化合物未形成部28、38的接合界面的长度Li的最大值设为20μm以下。
并且，沿着金属间化合物未形成部28、38的接合界面的总长度ΣLi与接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0为0.16以下。
在本实施方式中，经观察钛层25、35与铜层22、32的接合界面的结果，沿着所观察到的金属间化合物未形成部28、38的接合界面的长度Li的最大值设为20μm以下，沿着所观察到的金属间化合物未形成部28、38的接合界面的总长度ΣLi与观察视场中的接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0为0.16以下。
另外，在观察钛层25、35与铜层22、32的接合界面时，通过EPMA来进行绝缘电路基板10的剖面观察，获得包括钛层25、35与铜层22、32的接合界面的区域(纵长100μm×横长200μm)的Cu及Ti的元素MAP，将Cu浓度为5原子％以上，且Ti浓度为16原子％以上且70原子％以下的区域设为金属间化合物相27、37，将接合界面的这些金属间化合物相27、37之间的区域设为沿着金属间化合物未形成部28、38的接合界面的长度Li。在10个视场中实施这种测定，算出沿着金属间化合物未形成部28、38的接合界面的长度Li的最大值、以及沿着所观察到的金属间化合物未形成部28、38的接合界面的总长度ΣLi与观察视场中的接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0。
接着，参考图3及图4对本实施方式的绝缘电路基板10的制造方法进行说明。
首先，如图4所示，在陶瓷基板11的一个面(图4中的上表面)上层叠成为铝层21的铝板51，进而，在其上经由钛材料55层叠成为铜层22的铜板52。并且，在陶瓷基板11的另一个面(图4中的下表面)上层叠成为铝层31的铝板61，进而，在其上经由钛材料65层叠成为铜层32的铜板62。在此，在本实施方式中，在铝板51、61与陶瓷基板11之间经由Al-Si系钎料箔58、68而层叠。(层叠工序S01)
接着，在真空条件下，在层叠方向上，在8kgf/cm2以上且20kgf/cm2以下的范围内加压的状态下进行加热以接合铝板51和陶瓷基板11，进而，使铝板51和钛材料55、钛材料55和铜板52固相扩散，由此形成电路层20。并且，将铝板61和陶瓷基板11进行接合，进而，使铝板61和钛材料65、钛材料65和铜板62固相扩散，由此形成金属层30。(电路层及金属层形成工序S02)
在此，在本实施方式中，真空条件设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在630℃以上且643℃以下，保持时间设定在210分钟以上且360分钟以下的范围内。
而且，在本实施方式中，使用热压装置实施了加压及加热，以使在接合温度下加压压力在上述范围内。
另外，铝板51、61、钛材料55、65及铜板52、62被接合的各自的面，在预先去除该面的划痕而变得平滑之后被固相扩散接合。
如上所述制造本实施方式的绝缘电路基板10。
接着，在绝缘电路基板10的金属层30上，经由焊锡材料层叠散热器41，并在还原炉内进行焊锡接合(散热器接合工序S03)。
如此制造本实施方式的带散热器的绝缘电路基板40。
接着，在电路层20的一个面(铜层22的表面)上，经由焊锡材料层叠功率半导体元件3，并在还原炉内进行焊锡接合(功率半导体元件接合工序S04)。
如上所述制造本实施方式的功率模块1。
在如上所述构成的本实施方式的绝缘电路基板10中，由于电路层20设为铝层21、钛层25及铜层22分别固相扩散的结构，并且金属层30设为铝层31、钛层35及铜层32分别固相扩散接合的结构，在铜层22、32与钛层25、35的接合界面，沿着未形成有含有Cu和Ti的金属间化合物相27、37的金属间化合物未形成部28、38的接合界面的长度Li的最大值设为20μm以下，因此在铜层22、32与钛层25、35之间Cu和Ti充分地彼此扩散，并且铜层22、32与钛层25、35的接合可靠性优异。
并且，在铜层22、32与钛层25、35的接合界面，沿着金属间化合物未形成部28、38的接合界面的总长度ΣLi与接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0设为0.16以下，因此金属间化合物未形成部28、38的存在比率小，即使在负载直至高温的冷热循环的情况下，也能够抑制以金属间化合物未形成部28、38为起点产生剥离。
如上所述，由于电路层20中的铜层22与钛层25的接合可靠性优异，因此即使在电路层20上搭载发热密度高的功率半导体元件3，也能够抑制在铜层22与钛层25的接合界面产生剥离。
并且，由于金属层30中的铜层32与钛层35的接合可靠性优异，因此能够将来自搭载于电路层20上的功率半导体元件3的热经由金属层30向散热器41侧有效地散发。
并且，在本实施方式中，由于在陶瓷基板11的一个面及另一个面形成有变形阻力较小的铝层21、31，因此能够通过铝层21、31的变形来吸收当负载冷热循环时产生的热应力，并能够抑制在陶瓷基板11上产生裂纹。
此外，在铝层21、31中与形成有陶瓷基板11的面相反的一侧的面形成有变形阻力较大的铜层22、32，因此当负载冷热循环时抑制电路层20及金属层30的表面的变形，能够抑制在将电路层20和功率半导体元件3进行接合的第一焊锡层2、以及将金属层30和散热器41进行接合的第二焊锡层42中产生龟裂，并能够提高接合可靠性。
并且，在本实施方式中，由于具有将陶瓷基板11、铝板51、61、钛材料55、65、铜板52、62一次接合的结构，因此能够简化制造工序，并能够减少制造成本。
并且，在本实施方式中构成为：铝板51、61、钛材料55、65、铜板52、62的固相扩散接合是通过在层叠方向施加8～20kgf/cm2的压力的状态下保持为630℃以上且643℃以下而进行，因此使Al原子和Ti原子、及Ti原子和Cu原子彼此扩散，并使Al原子及Cu原子固相扩散于钛层25、35中而固相扩散接合，能够可靠地接合铝板51、61、钛材料55、65、铜板52、62。
而且，在本实施方式中使用热压装置以使在加热温度(接合温度)下在层叠方向的加压压力在上述范围内，因此能够充分地促进在钛层25、35与铜层22、32之间Ti原子和Cu原子的彼此扩散，能够使沿着上述金属间化合物未形成部28、38的接合界面的总长度ΣLi与接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0在上述范围内。
(第二实施方式)
图5表示使用了本发明的第二实施方式的带散热器的绝缘电路基板140的功率模块101。另外，在与第一实施方式相同的部件上标注相同的符号，并省略详细说明。
并且，本实施方式中的接合体是在图5所示的带散热器的绝缘电路基板140中，经由钛层145来接合作为铝部件的金属层130和作为铜部件的散热器141而成。
图5所示的功率模块101具备：带散热器的绝缘电路基板140；及功率半导体元件3，经由第一焊锡层2接合于该带散热器的绝缘电路基板140的一个面(图5中的上表面)。并且，本实施方式的带散热器的绝缘电路基板140具备：绝缘电路基板110；及散热器141，接合于该绝缘电路基板110的金属层130。
散热器141用于散发绝缘电路基板110侧的热。散热器141由铜或铜合金构成，在本实施方式中由无氧铜构成。
如图5所示，绝缘电路基板110具备陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一个面(图5中的上表面)上的电路层120、配设于陶瓷基板11的另一个面(图5中的下表面)上的金属层130。
如图8所示，电路层120通过在陶瓷基板11的一个面(图8中的上表面)接合由铝或铝合金构成的铝板151而形成。在本实施方式中，电路层120通过纯度为99％以上的铝(2N铝)的轧制板接合于陶瓷基板11而形成。另外，成为电路层120的铝板151的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.6mm。
如图8所示，金属层130通过在陶瓷基板11的另一个面(图8中的下表面)上接合铝板161而形成。在本实施方式中，构成金属层130的铝板161设为纯度99.99质量％以上的铝(4N铝)的轧制板。另外，被接合的铝板161的厚度设定在0.1mm以上且3.0mm以下的范围内，在本实施方式中设定为0.6mm。
而且，在本实施方式的带散热器的绝缘电路基板140中，如图5所示，金属层130和散热器141经由钛层145而接合。
另外，金属层130和钛层145、钛层145和散热器141分别被固相扩散接合。
在此，如图6所示，在金属层130与钛层145的接合界面形成有Al-Ti-Si层146。
该Al-Ti-Si层146是通过金属层130的Si固溶于Al3Ti中而形成，该Al3Ti通过金属层130的Al原子和钛层145的Ti原子彼此扩散而形成。
Al-Ti-Si层146的厚度设定为0.5μm以上且10μm以下，在本实施方式中设为3μm。
并且，如图6所示，在钛层145与散热器141的接合界面形成有含有Ti和Cu的金属间化合物相147。
该金属间化合物相147通过散热器141的Cu原子和钛层145的Ti原子彼此扩散而形成。
另外，如图6所示，在钛层145与散热器141的接合界面，有时存在未形成有上述金属间化合物相147的区域(金属间化合物未形成部148)。
在此，在本实施方式中，沿着该金属间化合物未形成部148的接合界面的长度Li的最大值设为20μm以下。
并且，沿着金属间化合物未形成部148的接合界面的总长度ΣLi与观察视场中的接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0设为0.16以下。
另外，钛层145与散热器141的接合界面的观察，是在与第一实施方式相同的条件下实施。
接着，参考图7及图8对本实施方式的带散热器的绝缘电路基板140的制造方法进行说明。
首先，如图8所示，在陶瓷基板11的一个面(图8中的上表面)层叠成为电路层120的铝板151，在陶瓷基板11的另一个面(图8中的下表面)层叠成为金属层130的铝板161。并且，在成为金属层130的铝板161的另一个面侧，经由钛材料165层叠散热器141(层叠工序S101)。
另外，在本实施方式中，在铝板151、161与陶瓷基板11之间经由Al-Si系钎料箔58、68而层叠。
接着，在真空条件下，在层叠方向在8kgf/cm2以上且20kgf/cm2以下的范围内加压的状态下进行加热，以接合铝板151和陶瓷基板11，并形成电路层120。并且，将铝板161和陶瓷基板11进行接合，形成金属层130(电路层及金属层形成工序S102)。
同时，将铝板161和钛材料165、钛材料165和散热器141分别进行固相扩散接合(散热器接合工序S103)。
在此，在本实施方式中，真空条件设定在10-6Pa以上且10-3Pa以下的范围内，加热温度设定在630℃以上且643℃以下，保持时间设定在210分钟以上且360分钟以下的范围内。
而且，在本实施方式中，使用热压装置实施了加压及加热，以使在接合温度下加压压力在上述范围内。
另外，铝板161、钛材料165及散热器141各自的接合面在预先去除该接合面的划痕而变得平滑之后被固相扩散接合。
如上所述，制造本实施方式的带散热器的绝缘电路基板140。
接着，在绝缘电路基板110的电路层120的一个面，经由焊锡材料层叠功率半导体元件3，并在还原炉内进行焊锡接合(功率半导体元件接合工序S104)。
如上所述，制造本实施方式的功率模块101。
在如上所述构成的本实施方式的带散热器的绝缘电路基板140中，设为作为铝部件的金属层130和钛层145、钛层145和作为铜部件的散热器141分别被固相扩散接合的结构，在散热器141与钛层145的接合界面，沿着未形成有含有Cu和Ti的金属间化合物相147的金属间化合物未形成部148的接合界面的长度Li的最大值设为20μm以下，因此在散热器141与钛层145之间Cu和Ti充分地彼此扩散，并且散热器141与钛层145的接合可靠性优异。
并且，在散热器141与钛层145的接合界面，沿着金属间化合物未形成部148的接合界面的总长度ΣLi与接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0设为0.16以下，因此金属间化合物未形成部148的存在比率小，即使在负载直至高温的冷热循环的情况下，也能够抑制以金属间化合物未形成部148为起点产生剥离。
如上所述，作为铝部件的金属层130和作为铜部件的散热器141经由钛层145而接合，由于散热器141与钛层145的接合可靠性优异，因此即使在负载直至高温的冷热循环的情况下，也能够抑制在散热器141与钛层145的接合界面产生剥离，并能够将来自搭载于电路层120上的功率半导体元件3的热经由金属层130向散热器141侧有效地散发。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是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地变更。
例如，在本实施方式中，对于在绝缘电路基板上搭载功率半导体元件而构成功率模块的结构进行了说明，但是并不限定于此。例如，可以在绝缘电路基板的电路层上搭载LED元件而构成LED模块，也可以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。
并且，如同图9所示的功率模块201及绝缘电路基板210，只有电路层220可以由铜-钛-铝接合体构成，该铜-钛-铝接合体是通过由铜或铜合金构成的铜部件(铜层222)和由铝或铝合金构成的铝部件(铝层221)经由钛层225接合而成。
或者，如同图10所示的功率模块301及绝缘电路基板310，只有金属层330可以由铜-钛-铝接合体构成，该铜-钛-铝接合体是通过由铜或铜合金构成的铜部件(铜层332)和由铝或铝合金构成的铝部件(铝层331)经由钛层335接合而成。
此外，在本实施方式中，对于铝层和钛层被固相扩散接合的内容进行了说明，但是并不限定于此，只要是钛层和铜层被固相扩散接合，并且在钛层与铜层的接合界面形成有含有Cu和Ti的金属间化合物的结构的铜-钛-铝接合体即可。
实施例
以下，为了确认本发明的效果所进行的确认试验的结果进行说明。
在由AlN构成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一个面及另一个面，经由由Al-7质量％Si合金构成的钎料箔(厚度10μm)依次层叠由纯度99质量％以上的铝(2N铝)构成的铝板(37mm×37mm×0.6mmt)、钛材料(37mm×37mm×0.020mmt)、表1所示的Cu板(37mm×37mm×0.3mmt)而得到层叠体。
而且，在真空条件下(5×10-4Pa)，使用热压装置在层叠方向以表1所示的压力对上述层叠体加压的状态下进行了加热。在此，接合条件为表1所示的条件。如此，得到本发明例1～10及比较例1～3的绝缘电路基板。
另一方面，在现有例中，依次层叠本发明例1～10及比较例1～3的陶瓷基板、钎料箔、铝板及钛材料以及表1所示的Cu板，得到了层叠体S。然后，如图11所示，使用不锈钢制加压夹具400对上述层叠体S进行加压，并将其装入到真空加热炉中。该加压夹具400具备：底板401；导柱402，垂直地安装于底板401的上表面的四个角；固定板403，固定于这些导柱402的上端部；压板404，在这些底板401与固定板403之间上下移动自如地支承于导柱402；及弹簧等施力构件405，设置于固定板403与压板404之间并朝下方对压板404进行施力，并且在底板401与压板404之间配设上述层叠体S。
在使用了该结构的加压夹具的情况下，通过加压夹具400的导柱402等的热膨胀，加热温度下的加压压力变成低于表1所示的条件。
通过如上所述，得到现有例的绝缘电路基板。
(金属间化合物未形成部)
对如上所述得到的绝缘电路基板观察铜层与钛层的接合界面，测定出沿着金属间化合物未形成部的接合界面的长度Li、以及总长度ΣLi与观察视场中的接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0。
在本实施例中，使用EPMA(Japan Electron Optics Laboratory制JXA-8539F)来观察绝缘电路基板的剖面，获得包括铜层与钛层的接合界面的区域(纵宽100μm×横宽200μm)的Cu及Ti的元素MAP，将Cu浓度为5原子％以上，并且Ti浓度为16原子％以上且70原子％以下的区域设为金属间化合物相，将接合界面的这些金属间化合物相之间的区域设为沿着金属间化合物未形成部的接合界面的长度Li。
在10个视场中实施这种测定，算出沿着金属间化合物未形成部的接合界面的长度Li的最大值、及沿着所观察到的金属间化合物未形成部的接合界面的总长度ΣLi与观察视场中的接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0。将评价结果示于表2中。并且，将本发明例1中的EPMA图像示于图12中。
(冷热循环试验)
使用冷热冲击试验机(Espec公司制TSA-72ES)，对绝缘电路基板以气相实施了1000次在-40℃保持5分钟、在175℃保持5分钟的循环。
然后，如下评价了铜层与钛层的接合率。另外，接合率的评价是在冷热循环试验之前(初始接合率)和冷热循环试验之后(循环后接合率)进行。
接合率的评价是使用超声波探伤装置(Hitachi Solutions,Ltd.制FineS原子200)对绝缘电路基板的铜层与钛层的界面的接合率进行评价，并根据下式算出接合率。
在此，初始接合面积设为接合前的应接合的面积，即，在本实施例中电路层及金属层的面积(37mm×37mm)。
(接合率)＝{(初始接合面积)-(剥离面积)}/(初始接合面积)×100
在对超声波探伤像进行了二值化处理的图像中，剥离是由接合部内的白色部分来表示，因此将该白色部分的面积设为剥离面积。
将这些结果记载于表2中。
[表1]
Figure GDA0004054885220000141
[表2]
Figure GDA0004054885220000142
在比较例1中，接合温度设定为620℃而较低，金属间化合物未形成部长度Li的最大值为37μm，大于本发明的范围，上述长度比ΣLi/L0为0.25，大于本发明的范围。由此，冷热循环试验之后的接合率降低为86.5％。
在比较例2中，在接合温度下的保持时间设定为60min而较短，上述长度比ΣLi/L0为0.28，大于本发明的范围。由此，冷热循环试验之后的接合率降低为85.7％。
在比较例3中，加压荷重设定为5kgf/cm2而较低，金属间化合物未形成部长度Li的最大值为31μm，大于本发明的范围。由此，冷热循环试验之后的接合率降低为87.4％。
在现有例中，由于使用图11所示的加压夹具进行加压，因此在加压温度下加压荷重降低，金属间化合物未形成部长度Li的最大值为42μm而较大，上述长度比ΣLi/L0为0.29，大于本发明的范围。由此，冷热循环试验之后的接合率降低为82.0％。
相对于此，在金属间化合物未形成部长度Li的最大值设为20μm以下，且上述长度比ΣLi/L0设为0.16以下的本发明例1～10中，冷热循环试验之后的接合率全部设为90.6％以上，冷热循环试验中的接合可靠性优异。并且，在本发明例1～7、10和本发明例8及本发明例9中变更了铜板的材质，但是冷热循环之后的接合率均提高。
如上所述，根据本发明例，即使在负载直至比以往更高温度的冷热循环的情况下，也能够抑制在铜部件与钛层的接合界面产生剥离，能够得到可靠性尤其优异的铜-钛-铝接合体。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供一种即使在负载比以往更高温度的冷热循环的情况下，也能够抑制在铜部件与钛层的接合界面产生剥离且可靠性尤其优异的铜-钛-铝接合体、及具备该铜-钛-铝接合体的绝缘电路基板、带散热器的绝缘电路基板、功率模块、LED模块、热电模块。
符号说明
1-功率模块，3-功率半导体元件，10-绝缘电路基板，11-陶瓷基板，20-电路层，30-金属层，21、31-铝层(铝部件)，22、32-铜层(铜部件)，25、35-钛层，27、37-金属间化合物相，28、38-金属间化合物未形成部，101-功率模块，110-绝缘电路基板，130-金属层(铝部件)，141-散热器(铜部件)，140-带散热器的绝缘电路基板。

Claims (11)

1.一种铜-钛-铝接合体，其通过由铜或铜合金构成的铜部件和由铝或铝合金构成的铝部件经由钛层接合而成，所述铜-钛-铝接合体的特征在于，
在所述铜部件与所述钛层的接合界面形成有含有Cu和Ti的金属间化合物，
在所述铜部件与所述钛层的接合界面，沿着未形成有所述金属间化合物的金属间化合物未形成部的接合界面的长度Li的最大值为20μm以下，沿着所述金属间化合物未形成部的接合界面的总长度ΣLi与所述接合界面的整体长度L0之比ΣLi/L0为0.16以下。
2.一种绝缘电路基板，其具备陶瓷基板和形成于所述陶瓷基板的一个面的电路层，所述绝缘电路基板的特征在于，
所述电路层是权利要求1所述的铜-钛-铝接合体。
3.一种绝缘电路基板，其具备陶瓷基板、形成于所述陶瓷基板的一个面的电路层及形成于所述陶瓷基板的另一个面的金属层，所述绝缘电路基板的特征在于，
所述金属层是权利要求1所述的铜-钛-铝接合体。
4.一种绝缘电路基板，其具备陶瓷基板、形成于所述陶瓷基板的一个面的电路层及形成于所述陶瓷基板的另一个面的金属层，所述绝缘电路基板的特征在于，
所述电路层及所述金属层是权利要求1所述的铜-钛-铝接合体。
5.一种带散热器的绝缘电路基板，其具备陶瓷基板、形成于所述陶瓷基板的一个面的电路层、形成于所述陶瓷基板的另一个面的金属层及接合于所述金属层的散热器，所述带散热器的绝缘电路基板的特征在于，
所述金属层及所述散热器是权利要求1所述的铜-钛-铝接合体。
6.一种功率模块，其特征在于，具备权利要求2至4中任一项所述的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的功率半导体元件。
7.一种功率模块，其特征在于，具备权利要求5所述的带散热器的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的功率半导体元件。
8.一种LED模块，其特征在于，具备权利要求2至4中任一项所述的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的LED元件。
9.一种LED模块，其特征在于，具备权利要求5所述的带散热器的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的LED元件。
10.一种热电模块，其特征在于，具备权利要求2至4中任一项所述的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的热电元件。
11.一种热电模块，其特征在于，具备权利要求5所述的带散热器的绝缘电路基板和接合于所述电路层的一个面侧的热电元件。
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