CN117981479A - 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 - Google Patents
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Abstract
该铜‑陶瓷接合体(10)具备由铜或铜合金制成的铜部件(12、13)和陶瓷部件(11)，铜部件(12、13)与陶瓷部件(11)接合，在陶瓷部件(11)与铜部件(12、13)的接合界面，在陶瓷部件(11)侧形成有由活性金属化合物制成的活性金属化合物层(21)，在陶瓷部件(11)中存在从接合界面向陶瓷部件(11)的内部侧扩展的微裂纹(25)，在微裂纹(25)的至少一部分填充有活性金属化合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种接合由铜或铜合金制成的铜部件和陶瓷部件而成的铜-陶瓷接合体、及在陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金制成的铜板而成的绝缘电路基板。
本申请主张基于2021年12月10日于日本申请的专利申请第2021-200811号、及2022年11月29日于日本申请的专利申请第2022-190220号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
功率模块、LED模块及热电模块为将功率半导体元件、LED元件及热电元件接合到绝缘电路基板(绝缘电路基板通过在绝缘层的一面形成有由导电材料制成的电路层而得到)而成的结构。
例如，为了控制风力发电、电动汽车、油电混合汽车等所使用的大电力控制用的功率半导体元件，其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，如下的绝缘电路基板一直以来被广泛使用，即该绝缘电路基板具备：陶瓷基板；电路层，在该陶瓷基板的一面接合导电性优异的金属板而形成；及散热用金属层，在陶瓷基板的另一面接合金属板而形成。
例如，在专利文献1中，提出有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1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，通过进行加热处理来接合铜板(所谓活性金属钎焊法)。
并且，专利文献2中提出了一种功率模块用基板，其使用含Ag和Ti的接合材料来接合由铜或铜合金制成的铜板及由AlN或Al2O3制成的陶瓷基板而成。
另外，专利文献3中提出了一种功率模块用基板，其使用包含Ag和Ti的接合材料来接合由铜或铜合金制成的铜板及由氮化硅制成的陶瓷基板而成。
如上所述，当使用含Ti的接合材料接合了铜板和陶瓷基板时，作为活性金属的Ti与陶瓷基板发生反应，从而提高接合材料的润湿性，并且提高铜板与陶瓷基板的接合强度。
在此，在前述的绝缘电路基板中，即使在负荷了冷热循环的情况下，也需要抑制在陶瓷基板中产生破裂。
为了抑制陶瓷基板的破裂，例如，在专利文献4中公开了一种使用了没有微裂纹的陶瓷基板的绝缘电路基板。
并且，在专利文献5中公开了一种使用了规定了表面粗糙度的陶瓷基板的绝缘电路基板。
专利文献1：日本专利第3211856号公报
专利文献2：日本专利第5757359号公报
专利文献3：日本特开2018-008869号公报
专利文献4：日本特开2009-280494号公报
专利文献5：日本专利第5038565号公报
然而，近来，搭载于绝缘电路基板的半导体元件的发热温度有变高的倾向，对于绝缘电路基板，要求比以往更高的能够耐受严酷的冷热循环的冷热循环可靠性。
在此，如上所述，当使用含Ti的接合材料接合了铜板和陶瓷基板时，接合界面附近变硬，冷热循环负荷时陶瓷部件会产生破裂，冷热循环可靠性有可能降低。
并且，在减少了陶瓷基板的微裂纹的专利文献4及规定了陶瓷基板的表面粗糙度的专利文献5中所记载的绝缘电路基板中，也有可能在负荷了严酷的冷热循环时无法充分抑制陶瓷基板的破裂。
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即使负荷了严酷的冷热循环时也能够抑制陶瓷部件产生破裂并且冷热循环可靠性优异的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶瓷接合体构成的绝缘电路基板。
为了解决上述课题，本发明的方式1的铜-陶瓷接合体的特征在于，具备由铜或铜合金制成的铜部件和陶瓷部件，所述铜部件与所述陶瓷部件接合，在所述陶瓷部件与所述铜部件的接合界面，在所述陶瓷部件侧形成有由活性金属化合物制成的活性金属化合物层，在所述陶瓷部件中存在从所述接合界面向所述陶瓷部件的内部侧扩展的微裂纹，在所述微裂纹的至少一部分填充有所述活性金属化合物。
根据本发明的方式1的铜-陶瓷接合体，由于所述陶瓷部件中存在从接合界面向所述陶瓷部件的内部侧扩展的微裂纹，在该微裂纹的至少一部分填充有所述活性金属化合物，因此能够抑制以微裂纹为起点的陶瓷破裂的产生，并能够抑制冷热循环负荷时陶瓷部件产生破裂。并且，通过填充到微裂纹中的活性金属化合物的锚固效果，能够提高陶瓷部件与铜部件的接合强度。
因此，即使在负荷了严酷的冷热循环的情况下，也能够抑制陶瓷部件的破裂或接合率的下降，并且能够提高冷热循环可靠性。
本发明的方式2的铜-陶瓷接合体的特征在于，在本发明的方式1的铜-陶瓷接合体中，填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹距所述接合界面的最大深度H在0.3μm以上且3.0μm以下的范围内。
根据本发明的方式2的铜-陶瓷接合体，由于填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹距所述接合界面的最大深度H为0.3μm以上，因此能够通过填充于微裂纹中的活性金属化合物的锚固效果可靠地提高接合强度。并且，由于填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹距所述接合界面的最大深度H为3.0μm以下，因此能够可靠地抑制由该微裂纹引起的陶瓷部件的破裂的产生。
本发明的方式3的铜-陶瓷接合体的特征在于，在本发明的方式1或方式2的铜-陶瓷接合体中，填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹的宽度W为0.3μm以下。
根据本发明的方式3的铜-陶瓷接合体，由于填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹的宽度W被限制在0.3μm以下，因此能够可靠地抑制由该微裂纹引起的陶瓷部件的破裂的产生。
本发明的方式4的铜-陶瓷接合体的特征在于，在本发明的方式1至方式3中的任一铜-陶瓷接合体中，所述活性金属化合物层的厚度t1在40nm以上且600nm以下的范围内。
根据本发明的方式4的铜-陶瓷接合体，由于所述活性金属化合物层的厚度t1在40nm以上且600nm以下的范围内，因此陶瓷部件与铜部件通过活性金属可靠且牢固地接合，并且进一步抑制接合界面变硬。
本发明的方式5的铜-陶瓷接合体的特征在于，在本发明的方式1至方式4中的任一铜-陶瓷接合体中，在所述陶瓷部件与所述铜部件的接合界面，在所述铜部件侧形成有Ag-Cu合金层，所述Ag-Cu合金层的厚度t2在1.5μm以上且30μm以下的范围内。
根据本发明的方式5的铜-陶瓷接合体，接合材料的Ag与铜部件充分地发生反应，从而陶瓷部件与铜部件可靠且牢固地接合，并且进一步抑制接合界面变硬。
本发明的方式6的绝缘电路基板的特征在于，具备由铜或铜合金制成的铜板和陶瓷基板，在所述陶瓷基板的表面接合有所述铜板，在所述陶瓷基板与所述铜板的接合界面，在所述陶瓷基板侧形成有由活性金属化合物制成的活性金属化合物层，在所述陶瓷基板中存在从所述接合界面向所述陶瓷基板的内部侧扩展的微裂纹，在所述微裂纹的至少一部分填充有所述活性金属化合物。
根据本发明的方式6的绝缘电路基板，由于在所述陶瓷基板中存在从接合界面向所述陶瓷基板的内部侧扩展的微裂纹，在该微裂纹的至少一部分填充有所述活性金属化合物，因此能够抑制以微裂纹为起点的陶瓷破裂的产生，并且能够抑制冷热循环负荷时陶瓷基板产生破裂。并且，通过填充到微裂纹中的活性金属化合物的锚固效果，能够提高陶瓷基板与铜板的接合强度。
因此，即使在负荷了严酷的冷热循环的情况下，也能够抑制陶瓷基板的破裂或接合率的下降，并且能够提高冷热循环可靠性。
本发明的方式7的绝缘电路基板的特征在于，在本发明的方式6的绝缘电路基板中，填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹距所述接合界面的最大深度H在0.3μm以上且3.0μm以下的范围内。
根据本发明的方式7的绝缘电路基板，由于填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹距所述接合界面的最大深度H为0.3μm以上，因此能够通过填充于微裂纹中的活性金属化合物的锚固效果可靠地提高接合强度。并且，由于填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹距所述接合界面的最大深度H为3.0μm以下，因此能够可靠地抑制以微裂纹为起点的陶瓷基板的破裂的产生。
本发明的方式8的绝缘电路基板的特征在于，在本发明的方式6或方式7的绝缘电路基板中，填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹的宽度W为0.3μm以下。
根据本发明的方式8的绝缘电路基板，由于填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹的宽度W被限制在0.3μm以下，因此能够可靠地抑制以微裂纹为起点的陶瓷基板的破裂的产生。
本发明的方式9的绝缘电路基板的特征在于，在本发明的方式6至方式8中的任一绝缘电路基板中，所述活性金属化合物层的厚度t1在40nm以上且600nm以下的范围内。
根据本发明的方式9的绝缘电路基板，由于所述活性金属化合物层的厚度t1在40nm以上且600nm以下的范围内，因此陶瓷基板与铜板通过活性金属可靠且牢固地接合，并且进一步抑制接合界面变硬。
本发明的方式10的绝缘电路基板的特征在于，在本发明的方式6至方式9中的任一绝缘电路基板中，在所述陶瓷基板与所述铜板的接合界面，在所述铜板侧形成有Ag-Cu合金层，所述Ag-Cu合金层的厚度t2在1.5μm以上且30μm以下的范围内。
根据本发明的方式10的绝缘电路基板，接合材料的Ag与铜板充分地发生反应，从而陶瓷基板与铜板可靠且牢固地接合，并且进一步抑制接合界面变硬。
根据本发明的方式，能够提供一种即使负荷了严酷的冷热循环时也能够抑制陶瓷部件产生破裂并且冷热循环可靠性优异的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶瓷接合体构成的绝缘电路基板。
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2A是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的电路层及金属层与陶瓷基板的接合界面的放大说明图。
图2B是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的电路层及金属层与陶瓷基板的接合界面中陶瓷基板侧的部位的放大说明图。
图3是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的制造方法的流程图。
图4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5是在实施例中填充有活性金属化合物的微裂纹的最大深度H及宽度W的概略说明图。
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-陶瓷接合体为具备作为由陶瓷制成的陶瓷部件的陶瓷基板11、以及作为由铜或铜合金制成的铜部件的铜板42(电路层12)及铜板43(金属层13)的绝缘电路基板10，陶瓷基板11与铜板42(电路层12)及铜板43(金属层13)接合。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5。
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系的焊接材料构成。
散热器5用于散发来自所述绝缘电路基板10的热。该散热器5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5设有供冷却用流体流动的流路。
另外，在本实施方式中，散热器5与金属层13通过由焊接材料制成的焊接层7接合。该焊接层7例如由Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊接材料构成。
并且，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氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等陶瓷构成。在本实施方式中，陶瓷基板11由散热性尤其优异的氮化硅(Si3N4)构成。并且，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0.32mm。
如图4所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一面(在图4中为上面)接合由铜或铜合金制成的铜板42而形成。
在本实施方式中，电路层12是通过在陶瓷基板11接合无氧铜的轧制板而形成。
另外，成为电路层12的铜板42的厚度设定在0.1mm以上且2.0mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为0.8mm。
如图4所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一面(在图4中为下面)接合由铜或铜合金制成的铜板43而形成。
在本实施方式中，金属层13是通过在陶瓷基板11接合无氧铜的轧制板而形成。
另外，成为金属层13的铜板43的厚度设定在0.1mm以上且2.0mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为0.8mm。
在此，如图2A所示，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面及陶瓷基板11与金属层13的接合界面，从陶瓷基板11侧依次形成有活性金属化合物层21、Ag-Cu合金层22。
在此，活性金属化合物层21是由接合材料45中使用的活性金属(Ti、Zr、Nb、Hf)的化合物形成的层。更具体而言，当陶瓷基板由氮化硅(Si3N4)或氮化铝(AlN)制成时，活性金属化合物层21成为由这些活性金属的氮化物形成的层，当陶瓷基板为氧化铝(Al2O3)时，活性金属化合物层21成为由这些活性金属的氧化物形成的层。
另外，在本实施方式中，接合材料45含有Ti作为活性金属，由于陶瓷基板11由氮化硅(Si3N4)构成，因此活性金属化合物层21由氮化钛(TiN)构成。
并且，如图2B所示，在本实施方式的绝缘电路基板10中，存在从陶瓷基板11的接合界面(活性金属化合物层21侧的表面、陶瓷基板11与活性金属化合物层21之间的界面)朝向陶瓷基板11的内部侧(在图2B中为下侧)扩展的微裂纹25，该微裂纹25的至少一部分填充有构成活性金属化合物层21的活性金属化合物(在本实施方式中为TiN)。
在此，在本实施方式中，填充有活性金属化合物的微裂纹25距接合界面的最大深度H优选设在0.3μm以上且3.0μm以下的范围内。
并且，在本实施方式中，填充有活性金属化合物的微裂纹25的宽度W优选设为0.3μm以下。
填充有活性金属化合物的微裂纹25距接合界面的最大深度H也可以称为填充于微裂纹25的活性金属化合物距接合界面的最大深度H。
填充有活性金属化合物的微裂纹25的宽度W也可以称为填充于微裂纹25的活性金属化合物的宽度W。
并且，关于距接合界面的最大深度H，接合界面为陶瓷基板11与活性金属化合物层21之间的界面。
而且，在本实施方式中，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面及陶瓷基板11与金属层13的接合界面形成的活性金属化合物层21的厚度t1优选设在40nm以上且600nm以下的范围内。
并且，在本实施方式中，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面及陶瓷基板11与金属层13的接合界面形成的Ag-Cu合金层22的厚度t2优选设在1.5μm以上且30μm以下的范围内。
以下，参考图3及图4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。
(陶瓷基板表面处理工序S01)
首先，对成为陶瓷基板11的接合面的表面实施珩磨加工，形成从表面向陶瓷基板11的内部侧扩展的微裂纹。
在此，以下示出本实施方式中的珩磨加工的条件。
磨粒：氧化铝(Al2O3)或碳化硅(SiC)
压力：0.6MPa以上且1.2MPa以下
时间：5秒以上且30秒以下
(接合材料配设工序S02)
接着，准备成为电路层12的铜板42和成为金属层13的铜板43。
并且，在成为电路层12的铜板42和成为金属层13的铜板43的接合面上涂布接合材料45并进行干燥。膏状的接合材料45的涂布厚度优选设在干燥后10μm以上且50μm以下的范围内。
在本实施方式中，通过丝网印刷涂布膏状的接合材料45。
接合材料45设为含有Ag和活性金属(Ti、Zr、Nb、Hf)。在本实施方式中，作为接合材料45，使用Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)。另外，作为Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)，例如，优选使用如下组成：含有0质量％以上且45质量％以下的范围内的Cu、以及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。
接合材料45中含有的Ag粉末的比表面积优选为0.15m2/g以上，更优选为0.25m2/g以上，进一步优选为0.40m2/g以上。另一方面，接合材料45中含有的Ag粉末的比表面积优选为1.40m2/g以下，更优选为1.00m2/g以下，进一步优选为0.75m2/g以下。
(层叠工序S03)
接着，通过接合材料45将成为电路层12的铜板42层叠在陶瓷基板11的一面(图4中的上面)，并且通过接合材料45将成为金属层13的铜板43层叠在陶瓷基板11的另一面(图4中的下面)。
(接合工序S04)
接着，在对铜板42、陶瓷基板11及铜板43进行加压的状态下，在真空气氛下的加热炉内进行加热，使接合材料45熔融。之后，通过进行冷却，使熔融的接合材料45凝固，接合成为电路层12的铜板42和陶瓷基板11，并且接合陶瓷基板11和成为金属层13的铜板43。
在此，接合工序S04中的加热温度(保持温度)优选设在800℃以上且850℃以下的范围内。从780℃至保持温度的升温工序以及在保持温度下的保持工序中的温度积分值的总计优选设在7℃·h以上且3500℃·h以下的范围内。
并且，接合工序S04中的加压荷载优选设在0.029MPa以上且2.94MPa以下的范围内。
进而，接合工序S04中的真空度优选设在1×10-6Pa以上且5×10-2Pa以下的范围内。
另外，冷却时的冷却速度优选设在2℃/分钟以上且20℃/分钟以下的范围内。另外，这里的冷却速度是指从保持温度到作为Ag-Cu共晶温度的780℃为止的冷却速度。
如上所述，通过陶瓷基板表面处理工序S01、接合材料配设工序S02、层叠工序S03、接合工序S04，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5。
将绝缘电路基板10和散热器5通过焊接材料层叠并装入加热炉，通过焊接层7将绝缘电路基板10和散热器5进行焊接接合。
(半导体元件接合工序S06)
接着，通过焊接将半导体元件3接合在绝缘电路基板10的电路层12的一面。
通过上述工序，制造出图1所示的功率模块1。
根据设为如上所述的结构的本实施方式的绝缘电路基板10(铜-陶瓷接合体)，由于在陶瓷基板11中存在从接合界面向陶瓷基板11的内部侧扩展的微裂纹25，并且在该微裂纹25的至少一部分填充有活性金属化合物，因此能够抑制以微裂纹25为起点的陶瓷破裂的产生，并且能够抑制冷热循环负荷时陶瓷基板11产生破裂。并且，通过填充到微裂纹25中的活性金属化合物的锚固效果，能够提高陶瓷基板11与电路层12及金属层13的接合强度。
因此，即使在负荷了严酷的冷热循环的情况下，也能够抑制陶瓷基板11的破裂、电路层12与陶瓷基板11的接合率以及金属层13与陶瓷基板11的接合率的下降，并且能够提高冷热循环可靠性。
在此，在本实施方式的绝缘电路基板10中，当填充有活性金属化合物的微裂纹25距接合界面的最大深度H设在0.3μm以上且3.0μm以下的范围内时，能够通过填充于微裂纹25的活性金属化合物的锚固效果可靠地提高陶瓷基板11与电路层12的接合强度及陶瓷基板11与金属层13的接合强度，并且能够可靠地抑制以微裂纹25为起点的陶瓷基板11的破裂的产生。
另外，填充有活性金属化合物的微裂纹25距接合界面的最大深度H的下限更优选为0.35μm以上，进一步优选为0.4μm以上。另一方面，填充有活性金属化合物的微裂纹25距接合界面起的最大深度H的上限更优选为2.3μm以下，进一步优选为1.8μm以下。
并且，在本实施方式的绝缘电路基板10中，填充有活性金属化合物的微裂纹25的宽度W为0.3μm以下的情况下，能够可靠地抑制以微裂纹25为起点的陶瓷基板11的破裂的产生。
另外，填充有活性金属化合物的微裂纹25的宽度W的上限更优选为0.27μm以下，进一步优选为0.25μm以下。另一方面，填充有活性金属化合物的微裂纹25的宽度W的下限并无特别限制，但优选为0.02μm以上，更优选为0.1μm以上。
并且，本实施方式的绝缘电路基板10中，当活性金属化合物层21的厚度t1设在40nm以上且600nm以下的范围内时，陶瓷基板11与电路层12及金属层13通过活性金属可靠且牢固地接合，并且进一步抑制接合界面变硬。
另外，活性金属化合物层21的厚度t1的下限更优选为70nm以上，进一步优选为100nm以上。另一方面，活性金属化合物层21的厚度t1的上限更优选为500nm以下，进一步优选为300nm以下。
此外，在本实施方式的绝缘电路基板10中，在陶瓷基板11与电路层12的接合界面及陶瓷基板11与金属层13的接合界面上形成有Ag-Cu合金层22，当该Ag-Cu合金层22的厚度t2设在1.5μm以上且30μm以下的范围内时，接合材料45中含有的Ag与成为电路层12的铜板42及成为金属层13的铜板43充分地发生反应，从而陶瓷基板11与电路层12及金属层13可靠且牢固地接合，并且进一步抑制接合界面变硬。
另外，Ag-Cu合金层22的厚度t2的下限更优选为3μm以上，进一步优选为5μm以上。另一方面，Ag-Cu合金层22的厚度t2的上限更优选为25μm以下，进一步优选为20μm以下。
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要件的范围内能够适当地进行变更。
例如，在本实施方式中，对在绝缘电路基板搭载半导体元件而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元件而构成LED模块，也可以在绝缘电路基板的电路层搭载热电元件而构成热电模块。
并且，在本实施方式的绝缘电路基板中，作为陶瓷基板，以由氮化硅(Si3N4)构成的陶瓷基板为例进行了说明，但并不限定于此，也可以使用氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)等的其他的陶瓷基板。
此外，在本实施方式中，作为接合材料中含有的活性金属，以Ti为例进行了说明，但并不限定于此，只要含有选自Ti、Zr、Hf、Nb中的一种或两种以上的活性金属即可。另外，这些活性金属可以以氢化物的形式含有。
并且，在本实施方式中，对在铜板的接合面配设接合材料的情况进行了说明，但并不限定于此，只要在陶瓷基板与铜板之间配设接合材料即可，也可以在陶瓷基板的接合面配设接合材料。
此外，在本实施方式中，对通过将无氧铜的轧制板接合到陶瓷基板来形成电路层的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以在将由铜板冲压出的铜片配置成电路图案的状态下接合到陶瓷基板来形成电路层。此时，只要在每个铜片上具有与如上所述的陶瓷基板之间的界面结构即可。
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。
首先，准备了表1中记载的陶瓷基板(40mm×40mm)。另外，AlN板及Al2O3板的厚度设为0.635mm，Si3N4板的厚度设为0.32mm。
然后，在表2所示的条件下，对陶瓷基板的接合面实施珩磨处理，形成了微裂纹。
并且，作为成为电路层及金属层的铜板，准备了由无氧铜制成且厚度为表1所示的37mm×37mm的铜板。
在成为电路层及金属层的铜板上，以干燥后的目标厚度成为表1所示的值的方式涂布表1所示的包含Ag粉末及活性金属粉末的接合材料。
另外，作为接合材料使用膏状材料，Ag、Cu、活性金属的量如表1所示。
并且，如下测定了Ag粉末的BET值(比表面积)。使用比表面积/细孔径测定装置(QUANTACHRROME公司制造的AUTOSORB-1)，作为预处理，一边在150℃下加热30分钟一边进行真空脱气，接着在液氮的温度77K测定N2吸附量，并通过BET多点法测定了BET值。
接着，将成为电路层的铜板层叠在陶瓷基板的一面。并且，将成为金属层的铜板层叠在陶瓷基板的另一面。
在将该层叠体沿层叠方向加压的状态下加热，产生Ag-Cu液相。此时，将加压荷载设为0.294MPa，如表2所示那样设定780℃以上且850℃以下的范围内的温度积分值。
然后，通过对加热的层叠体进行冷却，将成为电路层的铜板与陶瓷基板接合，并且将成为金属层的金属板与陶瓷基板接合，得到了绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)。
对于所获得的绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)，如以下评价了填充有活性金属化合物的微裂纹的有无、填充有活性金属化合物的微裂纹距接合界面的最大深度H、填充有活性金属化合物的微裂纹的宽度W、活性金属化合物的面积率、活性金属化合物层的厚度t1、Ag-Cu合金层的厚度t2、冷热循环可靠性。
(活性金属化合物层)
使用扫描式电子显微镜(SEM)(Carl Zeiss NTS公司制造的ULTRA55)，在加速电压1.8kV下以30000倍的倍率观察电路层与陶瓷基板之间的接合界面以及陶瓷基板与金属层的接合界面的截面，并通过能量色散X射线分析法分别获取5个视场的N、O及活性金属元素的元素映射图像。当活性金属元素和N或O存在于同一区域时，判断为有活性金属化合物层。
分别在5个视场，共计10个视场进行观察，将活性金属元素和N或O存在于同一区域的范围面积除以已测定出的区域的宽度而得的数值的平均值作为“活性金属化合物层的厚度t1”，并记载于表2中。
(填充有活性金属化合物的微裂纹的评价)
使用扫描式电子显微镜(SEM)(Carl Zeiss NTS公司制造的ULTRA55)，以10000倍的倍率观察电路层与陶瓷基板的接合界面的截面，并拍摄了10个视场的照片。并且，在所拍摄的10个视场中，通过能量色散X射线分析法获取N、O及活性金属元素的元素映射图像，并将活性金属元素和N或O共同存在的部分确定为活性金属化合物。未填充有活性金属化合物的微裂纹能够通过SEM照片确认，但在元素映射图像中，若未填充有活性金属化合物，则难以确定微裂纹本身。因此，对于如上述计算出的“活性金属化合物层的厚度t1”，将活性金属化合物以0.3×t1以上的长度进入到陶瓷基板的内部侧的部分设为“填充有活性金属化合物的微裂纹”。在所观察的10个视场中，在8个视场以上观察到“填充有活性金属化合物的微裂纹”的情况下，评价为“○”(有填充有活性金属化合物的微裂纹)。除此以外均评价为“×”(无填充有活性金属化合物的微裂纹)。
并且，将填充有活性金属化合物的微裂纹距接合界面的最大深度H及填充有活性金属化合物的微裂纹的宽度W示于表2。
最大深度H如以下方式进行了测定。在各视场中观察到的“填充有活性金属化合物的微裂纹”中，将从连接了裂纹的活性金属化合物层侧的端部的两个点(P1、P2)的直线的中点(P3)朝向被填充的活性金属化合物的陶瓷基板侧、沿层叠方向的最长距离设为最大深度H。将各观察到的“填充有活性金属化合物的微裂纹”的最大深度H的平均值示于表2(参考图5)。
宽度W如以下方式进行了测定。在各视场中观察到的“填充有活性金属化合物的微裂纹”中，在从中点(P3)朝向陶瓷基板侧沿层叠方向划出的线段中表示最大深度H的线段的中间点上，划出与活性金属化合物层和陶瓷基板的层叠方向垂直的方向的虚线，并将裂纹的两端之间(虚线与裂纹相交的两个点之间)的距离设为宽度W。将各观察到的“填充有活性金属化合物的微裂纹”的宽度W的平均值示于表2(参考图5)。
(Ag-Cu合金层)
对电路层与陶瓷基板的接合界面及陶瓷基板与金属层的接合界面的截面，使用EPMA装置(JEOL公司制造的JXA-8230)，在加速电压15.0kV下获取了Ag、Cu、活性金属的各元素映射图像。分别在5个视场获取各元素映射图像。
分别在5个视场，共计10个视场进行观察，当设为Ag+Cu+活性金属＝100质量％时，将Ag浓度为15质量％以上的区域设为Ag-Cu合金层，求出其面积，并求出该面积除以测定区域的宽度的值(面积/测定区域的宽度)。将该值的平均值设为Ag-Cu合金层的厚度t2并记载于表2中。
(冷热循环可靠性)
根据陶瓷基板的材质，对上述绝缘电路基板负荷下述的冷热循环，通过SAT(超声波扫描)检查来判定有无陶瓷破裂。将评价结果示于表2。
在AlN、Al2O3的情况下：在-40℃×10分钟←→150℃×10分钟的条件下进行了冷热循环，直至500个循环为止。每50个循环进行了SAT检查。
在Si3N4的情况下：在-40℃×5分钟←→150℃×5分钟的条件下进行了冷热循环，直至2000个循环为止。每200个循环进行了SAT检查。
[表1]
[表2]
在比较例1～6中，“填充有活性金属化合物的微裂纹”的评价为×，在冷热循环时产生破裂，冷热循环可靠性差。
相对于此，在本发明例1～8中，“填充有活性金属化合物的微裂纹”的评价为○，在冷热循环时不会产生破裂，冷热循环可靠性优异。
从以上确认实验的结果可确认到：根据本发明例，能够提供一种即使负荷了严酷的冷热循环时也能够抑制陶瓷部件产生破裂并且冷热循环可靠性优异的绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)。
产业上的可利用性
本实施方式的铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板适合应用于功率模块、LED模块及热电模块。
附图标记的说明
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)
21-活性金属化合物层
22-Ag-Cu合金层
25-微裂纹
Claims (10)
1.一种铜-陶瓷接合体，其特征在于，
具备由铜或铜合金制成的铜部件和陶瓷部件，所述铜部件与所述陶瓷部件接合，
在所述陶瓷部件与所述铜部件的接合界面，在所述陶瓷部件侧形成有由活性金属化合物制成的活性金属化合物层，
在所述陶瓷部件中存在从所述接合界面向所述陶瓷部件的内部侧扩展的微裂纹，在所述微裂纹的至少一部分填充有所述活性金属化合物。
2.根据权利要求1所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹距所述接合界面的最大深度H在0.3μm以上且3.0μm以下的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹的宽度W为0.3μm以下。
4.根据权利要求1或2所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
所述活性金属化合物层的厚度t1在40nm以上且600nm以下的范围内。
5.根据权利要求1或2所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
在所述陶瓷部件与所述铜部件的接合界面，在所述铜部件侧形成有Ag-Cu合金层，
所述Ag-Cu合金层的厚度t2在1.5μm以上且30μm以下的范围内。
6.一种绝缘电路基板，其特征在于，
具备由铜或铜合金制成的铜板和陶瓷基板，在所述陶瓷基板的表面接合有所述铜板，
在所述陶瓷基板与所述铜板的接合界面，在所述陶瓷基板侧形成有由活性金属化合物制成的活性金属化合物层，
在所述陶瓷基板中存在从所述接合界面向所述陶瓷基板的内部侧扩展的微裂纹，在所述微裂纹的至少一部分填充有所述活性金属化合物。
7.根据权利要求6所述的绝缘电路基板，其特征在于，
填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹距所述接合界面的最大深度H在0.3μm以上且3.0μm以下的范围内。
8.根据权利要求6或7所述的绝缘电路基板，其特征在于，
填充有所述活性金属化合物的所述微裂纹的宽度W为0.3μm以下。
9.根据权利要求6或7所述的绝缘电路基板，其特征在于，
所述活性金属化合物层的厚度t1在40nm以上且600nm以下的范围内。
10.根据权利要求6或7所述的绝缘电路基板，其特征在于，
在所述陶瓷基板与所述铜板的接合界面，在所述铜板侧形成有Ag-Cu合金层，
所述Ag-Cu合金层的厚度t2在1.5μm以上且30μm以下的范围内。
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