CN114631178A - 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

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Abstract

该铜‑陶瓷接合体(10)通过接合由铜或铜合金构成的铜部件(12，13)及由含铝陶瓷构成的陶瓷部件(11)而成，在所述铜部件(12，13)与所述陶瓷部件(11)的接合界面，在所述陶瓷部件(11)侧形成有包含活性金属化合物的活性金属化合物层(41)，所述活性金属化合物为选自Ti、Zr、Nb及Hf中的一种以上的活性金属的化合物，在该活性金属化合物层(41)中，在所述活性金属化合物的晶界处存在Al及Cu。

Description

铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
技术领域
本发明涉及一种通过接合由铜或铜合金构成的铜部件和由含铝陶瓷构成的陶瓷部件而成的铜-陶瓷接合体、及在由含铝陶瓷构成的陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金构成的铜板而成的绝缘电路基板。
本申请基于2019年12月12日于日本申请的特愿2019-224214号及2020年10月6日于日本申请的特愿2020-169086号要求优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
功率模块、LED模块及热电模块具有如下结构：在绝缘层的一面形成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。
例如，为了控制风力发电、电动汽车、油电混合汽车等而使用的大功率控制用的功率半导体元件在工作时的发热量多，因此，作为搭载该功率半导体元件的基板，一直以来广泛使用如下绝缘电路基板：该绝缘电路基板具备陶瓷基板和在该陶瓷基板的一面接合导电性优异的金属板而形成的电路层。作为绝缘电路基板，还提供了在陶瓷基板的另一面接合金属板而形成金属层的绝缘电路基板。
专利文献1提出了一种功率模块用基板，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，且通过DBC法将该铜板直接接合于陶瓷基板。在该DBC法中，通过利用铜与铜氧化物的共晶反应，在铜板与陶瓷基板的界面产生液相，从而接合铜板与陶瓷基板。
专利文献2提出了通过在陶瓷基板的一面及另一面接合铜板而形成电路层及金属层的绝缘电路基板。在该专利文献2中，在陶瓷基板的一面及另一面隔着Ag-Cu-Ti系钎料而配置铜板，通过进行加热处理而接合铜板(所谓活性金属钎焊法)。该活性金属钎焊法中，使用了含有作为活性金属的Ti的钎料，因此会提高熔融的钎料与陶瓷基板的润湿性，可良好地接合陶瓷基板与铜板。
专利文献3提出了一种功率模块用基板，其通过使用含有Ag及Ti的接合材料来接合由铜或铜合金构成的铜板与由AlN或Al2O3构成的陶瓷基板而成，在形成于所述铜板与所述陶瓷基板的接合界面的Ti化合物层内分散有Ag粒子。
专利文献1：日本特开平04-162756号公报
专利文献2：日本专利第3211856号公报
专利文献3：日本专利第5757359号公报
然而，如专利文献1所公开，在通过DBC法(直接覆铜法)来接合陶瓷基板与铜板的情况下，有必要将接合温度设为1065℃以上(铜与铜氧化物的共晶点温度以上)，因此，接合时有可能导致陶瓷基板劣化。
如专利文献2所公开，在通过活性金属钎焊法来接合陶瓷基板与铜板的情况下，接合温度被设为900℃这一比较高的温度，因此存在导致陶瓷基板劣化的问题。
在专利文献3中，使用含有Ag和Ti的接合材料来接合由铜或铜合金构成的铜部件和由AlN或Al2O3构成的陶瓷部件，能够在温度比较低的条件下接合陶瓷部件和铜部件，从而能够抑制接合时的陶瓷部件的劣化。
最近，根据绝缘电路基板的用途，有时会负载比以往更严苛的冷热循环。
因此，即使在负载比以往更严苛的冷热循环的用途中，也需要接合强度高且在冷热循环负载时也不会产生裂纹的绝缘电路基板。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供接合强度高并且冷热循环可靠性尤其优异的铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板。
为解决上述课题，本发明的一方式的铜-陶瓷接合体(以下，称为“本发明的铜-陶瓷接合体”)为通过接合由铜或铜合金构成的铜部件和由含铝陶瓷构成的陶瓷部件而成的铜-陶瓷接合体，其特征在于，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，在所述陶瓷部件侧形成有活性金属化合物层，所述活性金属化合物层含有选自Ti、Zr、Nb及Hf中的一种或两种以上的活性金属的化合物，在该活性金属化合物层中，在活性金属化合物的晶界处存在Al及Cu。
根据本发明的铜-陶瓷接合体，在形成于所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面的活性金属化合物层中，在活性金属化合物的晶界处存在Al及Cu，因此接合材料中所包含的活性金属与陶瓷部件充分反应，陶瓷部件与铜部件牢固地接合。并且，活性金属经由反应时产生的液相(Al-Cu共晶液相)充分扩散到陶瓷部件侧，因此能够促进充分的界面反应，能够牢固地接合陶瓷部件和铜部件。因此，能够提高冷热循环可靠性。
综上所述，根据本发明的铜-陶瓷接合体，能够获得接合强度高并且冷热循环可靠性尤其优异的铜-陶瓷接合体。
本发明的铜-陶瓷接合体中，优选在所述活性金属化合物层中，在活性金属化合物的晶界处存在Ag。
在这种情况下，在反应时存在Al-Ag-Cu共晶液相。由于Al-Ag-Cu共晶的共晶温度比Al-Cu共晶的共晶温度低，从而降低了系统的能量，所以会进一步促进反应。
本发明的铜-陶瓷接合体中，优选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侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度在70mgf/μm2以上且135mgf/μm2以下的范围内。
在这种情况下，由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侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度为70mgf/μm2以上，因此，接合时因接合界面附近的铜充分熔融而产生液相，陶瓷部件与铜部件牢固地接合。另一方面，由于将上述区域的最大压痕硬度控制在135mgf/μm2以下，因此接合界面附近不会过硬，能够抑制冷热循环负载时的裂纹的产生。
本发明的铜-陶瓷接合体中，优选所述活性金属为Ti。
在这种情况下，在陶瓷部件与铜部件的接合界面形成作为活性金属化合物层的氮化钛层或氧化钛层，能够使陶瓷部件与铜部件牢固地接合。
本发明的铜-陶瓷接合体中，优选所述活性金属化合物层中的所述活性金属化合物的粒子的最大粒径为180nm以下。
在这种情况下，硬度相对低的晶界区域(金属相)在所述活性金属化合物层中所占的比例增加，所述活性金属化合物层的耐冲击性会提高。由此，能够抑制活性金属化合物层的裂纹的产生，并且抑制铜部件与陶瓷部件的剥离及陶瓷部件的裂纹的产生。
本发明的一方式的绝缘电路基板(以下，称为“本发明的绝缘电路基板”)是通过在由含铝陶瓷构成的陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金构成的铜板而成的绝缘电路基板，其特征在于，在所述铜板与所述陶瓷基板的接合界面，在所述陶瓷基板侧形成有活性金属化合物层，该活性金属化合物层含有选自Ti、Zr、Nb及Hf中的一种或两种以上的活性金属的化合物，在该活性金属化合物层中，在活性金属化合物的晶界处存在Al及Cu。
根据本发明的绝缘电路基板，在形成于所述铜板与所述陶瓷基板的接合界面的活性金属化合物层中，在活性金属化合物的晶界处存在Al及Cu，因此接合材料中所包含的活性金属与陶瓷基板充分反应，陶瓷基板与铜板牢固地接合。并且，活性金属经由反应时产生的液相(Al-Cu共晶液相)充分扩散到陶瓷基板侧，因此能够促进充分的界面反应，能够牢固地接合陶瓷基板和铜板。因此，能够提高冷热循环可靠性。
综上所述，根据本发明的绝缘电路基板，能够获得接合强度高并且冷热循环可靠性尤其优异的绝缘电路基板。
本发明的绝缘电路基板中，优选在所述活性金属化合物层中，在活性金属化合物的晶界处存在Ag。
在这种情况下，在反应时存在Al-Ag-Cu共晶液相。由于Al-Ag-Cu共晶的共晶温度比Al-Cu共晶的共晶温度低，从而降低了系统的能量，所以会进一步促进反应。
本发明的绝缘电路基板中，优选从所述铜板与所述陶瓷基板的接合界面朝向所述铜板侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度在70mgf/μm2以上且135mgf/μm2以下的范围内。
在这种情况下，由于从所述铜板与所述陶瓷基板的接合界面朝向所述铜板侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度为70mgf/μm2以上，因此，接合时因接合界面附近的铜充分熔融而产生液相，陶瓷基板与铜板牢固地接合。另一方面，由于将上述区域的最大压痕硬度控制在135mgf/μm2以下，因此接合界面附近不会过硬，能够抑制冷热循环负载时的裂纹的产生。
本发明的绝缘电路基板中，优选所述活性金属为Ti。
在这种情况下，在陶瓷基板与铜板的接合界面形成作为活性金属化合物层的氮化钛层或氧化钛层，能够使陶瓷基板与铜板牢固地接合。
本发明的绝缘电路基板中，优选所述活性金属化合物层中的所述活性金属化合物的粒子的最大粒径为180nm以下。
在这种情况下，硬度相对低的晶界区域(金属相)在所述活性金属化合物层中所占的比例增加，所述活性金属化合物层的耐冲击性会提高。由此，能够抑制活性金属化合物层的裂纹的产生，并且抑制铜板与陶瓷基板的剥离及陶瓷基板的裂纹的产生。
根据本发明，能够提供接合强度高并且冷热循环可靠性尤其优异的铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板。
附图说明
图1是使用本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图2是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的电路层(金属层)与陶瓷基板的接合界面的放大说明图。
图3是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的电路层(金属层)与陶瓷基板的接合界面的观察结果。
图4是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的电路层(金属层)与陶瓷基板的接合界面的观察结果。
图5是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的电路层(金属层)与陶瓷基板的接合界面的观察结果。
图6是表示本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的电路层(金属层)与陶瓷基板的接合界面处的活性金属化合物层的HAADF像的说明图。
图7是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的制造方法的流程图。
图8是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的制造方法的概略说明图。
图9A是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的制造方法中的界面反应的说明图。
图9B是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的制造方法中的界面反应的说明图。
图10是表示实施例的接合界面附近的最大压痕硬度的测定部位的说明图。
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。
本实施方式所涉及的铜-陶瓷接合体为通过接合作为由陶瓷构成的陶瓷部件的陶瓷基板11、作为由铜或铜合金构成的铜部件的铜板22(电路层12)及铜板23(金属层13)而成的绝缘电路基板10。图1示出具备本实施方式的绝缘电路基板10的功率模块1。
该功率模块1具备：配设有电路层12及金属层13的绝缘电路基板10；在电路层12的一面(在图1中为上面)经由接合层2接合的半导体元件3；及配置于金属层13的另一侧(在图1中为下侧)的散热器30。
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经由接合层2接合。
接合层2例如由Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊料构成。
散热器30用于将来自所述绝缘电路基板10的热进行散热。该散热器30由铜或铜合金构成，在本实施方式中，由磷脱氧铜构成。在该散热器30中，设置有供冷却用流体流动的流路31。
在本实施方式中，散热器30与金属层13通过由焊料构成的焊料层32进行接合。该焊料层32例如由Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊料构成。
如图1所示，本实施方式的绝缘电路基板10具备陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一面(在图1中为上面)的电路层12、及配设于陶瓷基板11的另一面(在图1中为下面)的金属层13。
陶瓷基板11由绝缘性及散热性优异的含铝陶瓷构成，在本实施方式中，由氮化铝(AlN)构成。该陶瓷基板11的厚度例如设定在0.2mm以上且1.5mm以下的范围内，本实施方式中，设定为0.635mm。
如图8所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一面(在图8中为上面)接合由铜或铜合金构成的铜板22而形成。
本实施方式中，电路层12通过使由无氧铜的轧制板构成的铜板22接合于陶瓷基板11而形成。
成为电路层12的铜板22的厚度设定在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8所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一面(在图8中为下面)接合由铜或铜合金构成的铜板23而形成。
本实施方式中，金属层13通过使由无氧铜的轧制板构成的铜板23接合于陶瓷基板11而形成。
成为金属层13的铜板23的厚度设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，本实施方式中，设定为0.6mm。
在陶瓷基板11与电路层12(金属层13)的接合界面，如图2所示，形成有包含活性金属化合物的活性金属化合物层41，该活性金属化合物为选自Ti、Zr、Nb及Hf中的一种以上的活性金属的化合物。
该活性金属化合物层41通过接合材料中所含的活性金属与陶瓷基板11反应而形成。
在本实施方式中，使用Ti作为活性金属，由于陶瓷基板11由氮化铝构成，因此活性金属化合物层41为氮化钛(TiN)层。
活性金属化合物层41的观察结果示于图3至图6。如图3所示，在活性金属化合物层41的内部存在Al及Cu。本实施方式中，还存在接合材料中含有的Ag。
如图4所示，Al及Cu、Ag在活性金属化合物(本实施方式中为TiN)的晶界以凝聚方式存在。
将活性金属化合物(在本实施方式中为TiN)的晶界附近进行线性分析的结果，如图5所示，确认到Al及Cu、Ag的浓度在晶界部分中上升。
在本实施方式中，如图6所示，优选活性金属化合物层41中的活性金属化合物粒子的最大粒径为180nm以下。即，优选在活性金属化合物层41中存在多个晶界区域(金属相)。在图6中，存在TiN粒子，该TiN粒子的最大粒径为180nm以下。活性金属化合物层41中的活性金属化合物粒子的最大粒径更优选为150nm以下，进一步优选为120nm以下。下限可以是例如4nm以上。小于4nm的粒径在制造方面很难。
关于本实施方式的绝缘电路基板10，优选从电路层12(金属层13)与陶瓷基板11的接合界面朝向电路层12(金属层13)侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度在70mgf/μm2以上且135mgf/μm2以下的范围内。
上述最大压痕硬度更优选为75mgf/μm2以上，进一步优选为85mgf/μm2以上。另一方面，上述最大压痕硬度更优选为130mgf/μm2以下，进一步优选为125mgf/μm2以下。
以下，参考图7及图8对本实施方式所涉及的绝缘电路基板10的制造方法进行说明。
(层叠工序S01)
首先，准备由氮化铝(AlN)构成的陶瓷基板11，如图8所示，在成为电路层12的铜板22与陶瓷基板11之间、以及在成为金属层13的铜板23与陶瓷基板11之间，配设作为接合材料的Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24。
作为Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24，例如，优选使用如下组成的钎料：即，含有0质量％以上且32质量％以下的范围内的Cu和0.5质量％以上且20质量％以下的范围内的作为活性金属的Ti，剩余部分为Ag及不可避免的杂质。Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24的厚度优选在2μm以上且10μm以下的范围内。
(低温保持工序S02)
接着，在向层叠方向加压陶瓷基板11及铜板22、23的状态下，装入真空或氩气氛的加热炉中进行加热并保持。
低温保持工序S02中的保持温度在Cu和Al的共晶点温度以上且小于Ag和Cu的共晶点温度的温度范围内。在该低温保持工序S02中，上述保持温度下的温度积分值在30℃·h以上且400℃·h以下的范围内。
低温保持工序S02中的加压载荷优选在0.098MPa以上且2.94MPa以下的范围内。
(加热工序S03)
接着，在对铜板22、23和陶瓷基板11进行加压的状态下，在真空气氛的加热炉内进行加热，使Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24熔融。
加热工序S03中的加热温度在Ag和Cu的共晶点温度以上且850℃以下的范围内。通过将该加热温度控制得较低，可以将活性金属化合物层41中的活性金属化合物粒子的最大粒径控制得较小。加热温度优选为845℃以下，更优选为835℃以下，进一步优选为825℃以下。
该加热工序S03中，上述加热温度下的温度积分值在4℃·h以上且200℃·h以下的范围内。优选在4℃·h以上且150℃·h以下的范围内。
该加热工序S03中的加压载荷优选在0.049MPa以上且2.94MPa以下的范围内。
(冷却工序S04)
然后，通过在加热工序S03之后进行冷却，使熔融的Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24凝固。
该冷却工序S04中的冷却速度没有特别限定，优选在2℃/min以上且10℃/min以下的范围内。
由于在上述的低温保持工序S02中，保持在Cu和Al的共晶点温度以上，因此如图9A所示，铜板22、23及Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24中的Cu和通过由AlN构成的陶瓷基板11与Ti的反应而生成的Al进行共晶反应，产生共晶液相。在该共晶液相中，Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24中的Ti与陶瓷基板11中的N(氮)反应而生成TiN。由此，以陶瓷基板11的表面按图9A的(a)、图9A的(b)及图9A的(c)的顺序被侵蚀的形态，形成由TiN构成的活性金属化合物层41。
并且，如图9B所示，在活性金属化合物层41中，在活性金属化合物(本实施方式中为TiN)的晶界处存在共晶液相，将该共晶液相作为扩散路径，陶瓷基板11侧的Al及Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24的Ag、Cu、Ti相互扩散，从而促进陶瓷基板11的界面反应。
其结果，Al及Cu、Ag在活性金属化合物(本实施方式中为TiN)的晶界以凝聚方式存在。
如上所述，通过层叠工序S01、低温保持工序S02、加热工序S03和冷却工序S04来接合陶瓷基板11与铜板22、23，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30。
将绝缘电路基板10与散热器30经由焊料进行层叠，并装入加热炉，经由焊料层32将绝缘电路基板10与散热器30进行焊料接合。
(半导体元件接合工序S06)
接着，将半导体元件3通过焊接而接合在绝缘电路基板10的电路层12的一面。
通过上述工序，制出图1所示的功率模块1。
根据如上构成的本实施方式的绝缘电路基板10(铜-陶瓷接合体)，在形成于电路层12(金属层13)与陶瓷基板11的接合界面的活性金属化合物层41中，在活性金属化合物(TiN)的晶界处存在Al及Cu，因此作为接合材料的Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24中含有的活性金属(Ti)与陶瓷基板11充分反应，陶瓷基板11与电路层12(金属层13)牢固地接合。
并且，在低温保持工序S02中，活性金属(Ti)经由通过反应产生的液相(Al-Cu共晶液相)充分扩散到陶瓷基板11侧，因此能够牢固地接合陶瓷基板11与电路层12(金属层13)。因此，能够提高冷热循环可靠性。
在本实施方式的绝缘电路基板10中，在活性金属化合物层41中，在活性金属化合物的晶界处存在Ag，因此反应时存在共晶温度比Al-Cu共晶低的Al-Ag-Cu共晶的液相，从而能够降低系统的能量，并且能够进一步促进反应。
当活性金属化合物层41中的活性金属化合物粒子的最大粒径为180nm以下时，硬度相对低的晶界区域(金属相)在活性金属化合物层41中所占的比例增加，从而活性金属化合物层41的耐冲击性会提高，能够抑制活性金属化合物层41的裂纹的产生。因此，即使为了将端子材料等超声波接合至电路层12(金属层13)而对绝缘电路基板10(铜-陶瓷接合体)负载超声波时，也能够抑制电路层12(金属层13)与陶瓷基板11的剥离及陶瓷基板11的裂纹的产生。
在本实施方式的绝缘电路基板10中，从电路层12(金属层13)与陶瓷基板11的接合界面朝向电路层12(金属层13)10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度在70mgf/μm2以上时，接合界面附近的铜充分熔融而产生液相，陶瓷基板11与电路层12(金属层13)更牢固地接合。
另一方面，由于将上述最大压痕硬度控制在135mgf/μm2以下时，接合界面附近不会过硬，能够抑制冷热循环负载时的裂纹的产生。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离该发明的技术思想的范围内，可进行适当变更。
例如，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况进行了说明，但并不限定于此。例如，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。
本实施方式的绝缘电路基板中，对电路层与金属层均通过由铜或铜合金构成的铜板构成的情况进行了说明，但并不限定于此。
例如，只要电路层与陶瓷基板构成本发明的铜-陶瓷接合体，则对于金属层的材质或接合方法并无限定，可以没有金属层，金属层也可以由铝或铝合金构成，也可以由铜与铝的层叠体构成。
另一方面，只要金属层与陶瓷基板构成本发明的铜-陶瓷接合体，则对于电路层的材质或接合方法并无限定，电路层可由铝或铝合金构成，也可以由铜与铝的层叠体构成。
本实施方式中，已经说明了在层叠工序S01中在铜板22、23与陶瓷基板11之间配设Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)24，但并不限定于此，也可以使用含有另一种活性金属的接合材料。
本实施方式中，对陶瓷基板由氮化铝(AlN)构成的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以由氧化铝(Al2O3)等其他含铝陶瓷构成。
实施例
以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
(实施例1)
首先，准备了由表1所示的材质构成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mm)。
在该陶瓷基板的两面，使用包含表1所示的活性金属的Ag-Cu系钎料(组成：Cu为28质量％，活性金属为1质量％，剩余部分为Ag及不可避免的杂质，厚度：6μm)，以表1所示的条件接合由无氧铜构成的铜板(37mm×37mm×厚度0.3mm)铜板与陶瓷基板，得到绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)。接合时的真空炉的真空度为5×10-3Pa。
关于得到的绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)，以如下方式评价了活性金属化合物层的晶界处有无Al及Cu、Ag，接合界面附近的最大压痕硬度、冷热循环可靠性。
(活性金属化合物层的晶界有无Al及Cu)
使用透射型电子显微镜(FEI公司制Titan ChemiSTEM)，在加速电压200kV、倍率50万倍至70万倍的条件下，对活性金属化合物层的晶界获取元素映射图像，将存在Al及Cu共存的区域的情况判断为在晶界处“有”Al及Cu。
(活性金属化合物层的晶界有无Ag)
使用透射型电子显微镜(FEI公司制Titan ChemiSTEM)，在加速电压200kV、倍率50万倍至70万倍的条件下，以穿过晶界的方式对活性金属化合物层的晶界实施线性分析。
陶瓷基板为AlN的情况下，若将Cu、Ag、Al、N及活性金属元素的合计值设为100原子％则Ag的浓度为0.4原子％以上时，判断为在晶界处“有”Ag。
陶瓷基板为Al2O3的情况下，若将Cu、Ag、Al、O及活性金属元素的合计值设为100原子％则Ag的浓度为0.4原子％以上时，判断为在晶界处“有”Ag。
(接合界面附近的最大压痕硬度)
使用压痕硬度测试仪(由Elionix Inc.制造的ENT-1100a)，在从铜板与陶瓷基板的接合界面朝向铜板侧10μm～50μm为止的区域中测量最大压痕硬度。如图10所示，以10μm间隔实施测量，并且在50个部位实施测量。将评价结果示于表1。
(冷热循环可靠性)
在下述气氛通过炉之后，通过超声波显微镜(SAT，Scanning AcousticTomography)检查，检查铜板与陶瓷基板的接合界面，判定陶瓷破裂的有无。
-78℃×2min←→350℃×2min
并且，评价了产生破裂的循环次数。将循环次数小于6次时确认到破裂的情况评价为“C”，将循环次数为6次以上且小于8次时确认到破裂的情况评价为“B”，将循环次数为8次以上时也没有确认到破裂的情况评价为“A”。将评价结果示于表1。
[表1]
Figure BDA0003623380650000121
※从铜板与陶瓷基板的接合界面朝向铜板侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度
在低温保持工序中的温度积分值为18℃·h的比较例1中，在活性金属化合物层的晶界处未确认到Al及Cu，冷热循环可靠性为“C”。
在低温保持工序中的温度积分值为0℃·h的比较例2中，在活性金属化合物层的晶界处未确认到Al及Cu，冷热循环可靠性为“C”。
在加热工序中的温度积分值为1.5℃·h的比较例3中，无法充分接合铜板与陶瓷基板。因此，停止了其他评估。
相对于此，在活性金属化合物层的晶界确认到Al及Cu的本发明例1-8中，与陶瓷基板的材质及活性金属元素无关，冷热循环可靠性为“B”或“A”。
尤其是在从铜板与陶瓷基板的接合界面朝向铜板侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度在70mgf/μm2以上且135mgf/μm2以下的范围内的本发明例1-6中，冷热循环可靠性为“A”，冷热循环可靠性尤其优异。
(实施例2)
在表2所示的条件下，通过与上述实施例1同样的步骤，将铜板和陶瓷基板进行接合，得到绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)。
关于得到的绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)，按照与实施例1同样的顺序评价了活性金属化合物层的晶界有无Al及Cu、Ag、接合界面附近的最大压痕硬度。
以如下方式评价了活性金属化合物层中的活性金属化合物粒子的最大粒径、超声波接合性。
(活性金属化合物层中的活性金属化合物粒子的最大粒径)
使用透射型电子显微镜(FEI公司制造的Titan ChemiSTEM)以倍率50万倍观察活性金属化合物层，得到HAADF像。
通过该HAADF像的图像分析，计算出活性金属化合物粒子的圆当量直径。根据10个视场的图像分析结果，将观察到的活性金属化合物粒子的最大圆当量直径设为最大粒径，并且示于表2。
(超声波接合的评价)
对于绝缘电路基板，使用超声波金属接合机(ULTRASONIC ENGINEERING CO.,LTD.制：60C-904)，在载荷800N、崩塌量0.7mm、接合区域3mm×3mm的条件下，进行了铜端子(6mm×20mm×1.5mm厚)的超声波接合。分别各接合了50个铜端子。
接合后，使用超声波探伤装置(Hitachi solutions Co.,Ltd.制FineSAT200)，检查铜板与陶瓷基板的接合界面。将50个中观察到5个以上的铜板与陶瓷基板的剥离或陶瓷破裂的情况评价为“D”，将50个中观察到3个以上且4个以下的铜板与陶瓷基板的剥离或陶瓷破裂的情况评价为“C”，将50个中观察到1个以上且2个以下的铜板与陶瓷基板的剥离或陶瓷破裂的情况评价为“B”，将50个中都未观察到铜板与陶瓷基板的剥离或陶瓷破裂的情况评价为“A”。将评价结果示于表2。
[表2]
Figure BDA0003623380650000141
※从铜板与陶瓷基板的接合界面朝向铜板侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度
当对陶瓷基板为AlN、活性金属为Ti的本发明实施例11-17及陶瓷基板为Al2O3、活性金属为Zr的本发明例18-20分别进行比较时，确认到活性金属化合物层的活性金属化合物粒子的最大粒径变小，能够抑制超声波接合时的铜板与陶瓷基板的剥离及陶瓷基板的裂纹的产生。
由以上的实施例的结果确认到，根据本发明例，能够提供接合强度高并且冷热循环可靠性尤其优异的铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供接合强度高并且冷热循环可靠性尤其优异的铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板。
符号说明
10 绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)
11 陶瓷基板(陶瓷部件)
12 电路层(铜部件)
13 金属层(铜部件)
41 活性金属化合物层

Claims (10)

1.一种铜-陶瓷接合体，通过接合由铜或铜合金构成的铜部件及由含铝陶瓷构成的陶瓷部件而成，其特征在于，
在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，在所述陶瓷部件侧形成有包含活性金属化合物的活性金属化合物层，所述活性金属化合物为选自Ti、Zr、Nb及Hf中的一种以上的活性金属的化合物，
在该活性金属化合物层中，在所述活性金属化合物的晶界处存在Al及Cu。
2.根据权利要求1所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
在所述活性金属化合物层中，在所述活性金属化合物的晶界处存在Ag。
3.根据权利要求1或2所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
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侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度在70mgf/μm2以上且135mgf/μm2以下的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
所述活性金属为Ti。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
所述活性金属化合物层中的所述活性金属化合物的粒子的最大粒径为180nm以下。
6.一种绝缘电路基板，通过在由含铝陶瓷构成的陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金构成的铜板而成，其特征在于，
在所述铜板与所述陶瓷基板的接合界面，在所述陶瓷基板侧形成有包含活性金属化合物的活性金属化合物层，所述活性金属化合物为选自Ti、Zr、Nb及Hf中的一种以上的活性金属的化合物，
在该活性金属化合物层中，在所述活性金属化合物的晶界处存在Al及Cu。
7.根据权利要求6所述的绝缘电路基板，其特征在于，
在所述活性金属化合物层中，在所述活性金属化合物的晶界处存在Ag。
8.根据权利要求6或7所述的绝缘电路基板，其特征在于，
从所述铜板与所述陶瓷基板的接合界面朝向所述铜板侧10μm～50μm为止的区域的最大压痕硬度在70mgf/μm2以上且135mgf/μm2以下的范围内。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的绝缘电路基板，其特征在于，
所述活性金属为Ti。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的绝缘电路基板，其特征在于，
所述活性金属化合物层中的所述活性金属化合物的粒子的最大粒径为180nm以下。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS53130524A (en) 1977-04-19 1978-11-14 Nippon Light Metal Co Mechanism for taking out fluid from container of fluid
JPH04162756A (ja) 1990-10-26 1992-06-08 Toshiba Corp 半導体モジュール
JPH0597533A (ja) * 1991-03-15 1993-04-20 Toshiba Corp セラミツクス−金属接合用組成物およびセラミツクス−金属接合体
JP2554210B2 (ja) * 1991-03-19 1996-11-13 株式会社日立製作所 金属接合回路基板およびそれを用いた電子装置
JPH0736467B2 (ja) * 1991-07-05 1995-04-19 電気化学工業株式会社 セラミックス回路基板の製造法
JP3095490B2 (ja) * 1991-11-29 2000-10-03 株式会社東芝 セラミックス−金属接合体
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
JP4168114B2 (ja) * 2001-09-28 2008-10-22 Ｄｏｗａホールディングス株式会社 金属−セラミックス接合体
JP5899725B2 (ja) * 2011-09-07 2016-04-06 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
JP6100501B2 (ja) * 2012-10-31 2017-03-22 デンカ株式会社 セラミック回路基板および製造方法
WO2015046280A1 (ja) * 2013-09-30 2015-04-02 三菱マテリアル株式会社 Ｃｕ／セラミックス接合体、Ｃｕ／セラミックス接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板
JP3211856U (ja) 2017-05-09 2017-08-10 株式会社アイエスピー メジャー付きタオル
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