DE112022003587T5 - Kupfer/keramik-aufbau und isolierendes schaltungssubstrat - Google Patents

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Abstract

Dieser Kupfer/Keramik-Aufbau (10) weist auf: ein Kupferelement (12, 13), das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht; und ein Keramikelement (11), das aus Siliziumnitrid besteht, wobei das Kupferelement (12, 13) und das Keramikelement (11) miteinander verbunden sind. An einer verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramikelement (11) und dem Kupferelement (12, 13) ist eine aktive Metallnitridschicht (21) auf einer Seite des Keramikelements (11) ausgebildet. In einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht (21) in Richtung einer Seite des Kupferelements (12) erstreckt, beträgt der Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, 10 % oder weniger. Ein Verhältnis PA/PBeines Flächenanteils PAder aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich (A) des Kupferelements (12) zu einem Flächenanteil PBder aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich (B) des Kupferelements (12) liegt in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft: einen Kupfer/Keramik-Aufbau, erhalten durch Verbinden eines Kupferelements, bestehend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, mit einem Keramikelement; und ein isolierendes Schaltungssubstrat, erhalten durch Verbinden eines Kupferblatts, bestehend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, mit einer Oberfläche eines Keramiksubstrats.
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-117950 , die am 16. Juli 2021 eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Ein Leistungsmodul, ein LED-Modul und ein thermoelektrisches Modul weisen eine Struktur auf, bei der ein Leistungshalbleiterelement, ein LED-Element und ein thermoelektrisches Element mit einem isolierenden Schaltungssubstrat verbunden sind, und in dem isolierenden Schaltungssubstrat ist auf einer Oberfläche einer Isolationsschicht eine aus einem leitenden Material bestehende Schaltungsschicht ausgebildet.
  • Zum Beispiel erzeugt ein Leistungshalbleiterelement zur Steuerung hoher Leistung, das zur Steuerung einer Windenergieerzeugung, eines Elektrofahrzeugs, eines Hybridfahrzeugs oder dergleichen verwendet wird, während des Betriebs eine große Menge an Wärme, und somit ist ein isolierendes Schaltungssubstrat in der verwandten Technik als ein Substrat, auf dem das Leistungshalbleiterelement montiert ist, weit verbreitet, und das isolierende Schaltungssubstrat weist auf: ein Keramiksubstrat; eine Schaltungsschicht, die durch Verbinden eines Metallblatts mit ausgezeichneter elektrischer Leitfähigkeit mit einer Oberfläche des Keramiksubstrats ausgebildet ist; und eine Metallschicht für die Wärmestrahlung, die durch Verbinden eines Metallblatts mit der anderen Oberfläche des Keramiksubstrats ausgebildet ist.
  • Zum Beispiel schlägt Patentdokument 1 ein isolierendes Schaltungssubstrat vor, bei dem eine Schaltungsschicht und eine Metallschicht durch Verbinden eines Kupferblatts mit der einen Oberfläche und der anderen Oberfläche eines Keramiksubstrats ausgebildet werden. In Patentdokument 1 wird das Kupferblatt auf der einen und der anderen Oberfläche des Keramiksubstrats angeordnet, wobei ein Hartlötmaterial auf Ag-Cu-Ti-Basis dazwischengelegt wird, und dann wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, um das Kupferblatt zu verbinden (sogenanntes Aktivmetall-Hartlötverfahren).
  • Darüber hinaus wird in Patentdokument 2 ein Leistungsmodul-Substrat vorgeschlagen, bei dem ein aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehendes Kupferblatt mit einem aus Siliziumnitrid bestehenden Keramiksubstrat unter Verwendung eines Ag und Ti enthaltenden Verbindungsmaterials verbunden wird.
  • Wie oben beschrieben, reagiert Ti, das ein aktives Metall ist, mit dem Keramiksubstrat, wenn ein Kupferblatt mit einem Keramiksubstrat unter Verwendung eines Ti enthaltenden Verbindungsmaterials verbunden wird; dadurch wird die Benetzbarkeit des Verbindungsmaterials verbessert und die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Kupferblatt und dem Keramiksubstrat erhöht.
  • Außerdem gibt es in den letzten Jahren die Tendenz, dass die Wärmeerzeugungstemperatur eines Halbleiterelements, das auf einem isolierenden Schaltungssubstrat montiert ist, zunimmt, und ein isolierendes Schaltungssubstrat muss eine thermische Zyklenzuverlässigkeit aufweisen, die einem thermischen Zyklus standhält, der stärker ist als ein thermischer Zyklus in der verwandten Technik.
  • Im Falle des Verbindens eines Kupferblatts mit einem Keramiksubstrat unter Verwendung eines Verbindungsmaterials, das Ti enthält, wie oben beschrieben, besteht das Risiko, dass Ti, das ein aktives Metall ist, zur Seite des Kupferblatts diffundiert und eine intermetallische Verbindung, die Cu und Ti enthält, ausgefällt wird; und dadurch wird ein Abschnitt in der Umgebung der verbundenen Grenzfläche hart, ein Bruch tritt in dem Keramiksubstrat während der Belastung eines thermischen Zyklus auf, und die thermische Zykluszuverlässigkeit verschlechtert sich.
  • ZITIERLISTE
  • PATENTDOKUMENTE
    • PATENTDOKUMENT 1 Japanisches Patent Nr. 3211856
    • PATENTDOKUMENT 2 Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2018-008869
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHE AUFGABE
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Umstände gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kupfer/Keramik-Aufbau mit einer ausgezeichneten thermischen Zykluszuverlässigkeit vorzusehen, der das Auftreten von Brüchen in einem Keramikteil auch in einem Fall unterdrücken kann, in dem ein schwerer thermischer Zyklus beaufschlagt wird, und ein isolierendes Schaltungssubstrat bestehend aus dem Kupfer/Keramik-Aufbau.
  • LÖSUNG DER AUFGABE
  • Als Ergebnis sorgfältiger Untersuchungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung zur Lösung der oben beschriebenen Probleme wurde festgestellt, dass in einem Fall, in dem ein Keramikelement und ein Kupferelement unter Verwendung eines Verbindungsmaterials, das ein aktives Metall enthält, verbunden werden, eine flüssige Phase, die während des Verbindens erzeugt wird, vom mittleren Teil des Kupferelements zum peripheren Teil ausgeschlossen wird und eine relativ große Menge des aktiven Metalls im peripheren Teil des Kupferelements vorhanden ist; und dadurch der periphere Teilbereich des Kupferelements im Vergleich zum mittleren Teilbereich an einer verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramikelement und dem Kupferelement dazu neigt, hart zu sein. Darüber hinaus erhielten die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis, dass sich während der Beaufschlagung mit einem thermischen Zyklus die Spannung auf den harten peripheren Teilbereich des Kupferelements an der verbundenen Grenzfläche konzentriert, und somit das Brechen des keramischen Elements leicht erfolgt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde basierend auf den oben beschriebenen Erkenntnissen gemacht, und der Kupfer/Keramik-Aufbau gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kupfer/Keramik-Aufbau, der durch Verbinden eines Kupferelements, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, und eines Keramikelements, das aus Siliziumnitrid besteht, erhalten wird, wobei an einer verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramikelement und dem Kupferelement eine aktive Metallnitridschicht auf einer Seite des Keramikelements ausgebildet ist, in einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht in Richtung einer Seite des Kupferelements erstreckt, ein Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, 10 % oder weniger beträgt, und ein Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferelements zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferelements in einem Bereich von 0.
  • Es kann auch gesagt werden, dass der Kupfer/Keramik-Aufbau das Kupferelement und das Keramikelement aufweist, und das Kupferelement und das Keramikelement miteinander verbunden sind.
  • Gemäß dem Kupfer/Keramik-Aufbau gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt an der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramikelement und dem Kupferelement, die mit mindestens einer Oberfläche des Keramikelements verbunden ist, ein Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, 10 % oder weniger in einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht in Richtung einer Seite des Kupferelements erstreckt. Dadurch wird die unnötige Verhärtung der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramikelement und dem Kupferelement verhindert.
  • Darüber hinaus liegt das Verhältnis PA/PB des Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferelements zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferelements im Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger. Dadurch gibt es keinen signifikanten Unterschied in der Härte des peripheren Teilbereichs des Kupferelements und des mittleren Teilbereichs des Kupferelements, und das Auftreten von Brüchen in dem Keramikelement während der Beaufschlagung mit einem thermischen Zyklus kann unterdrückt werden, und die thermische Zykluszuverlässigkeit ist ausgezeichnet.
  • In dem Kupfer/Keramik-Aufbau gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass eine Dicke t1A der aktiven Metallnitridschicht, die in dem peripheren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, und eine Dicke t1B der aktiven Metallnitridschicht, die in dem mittleren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,05 um oder mehr und 0,8 um oder weniger liegen, und ein Dickenverhältnis t1A/t1B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  • In diesem Fall liegen die Dicke t1A der im peripheren Teilbereich des Kupferblattes ausgebildeten aktiven Metallnitridschicht und die Dicke t1B der im mittleren Teilbereich des Kupferblattes ausgebildeten aktiven Metallnitridschicht in einem Bereich von 0,05 um oder mehr und 0,8 um oder weniger. Dadurch verbindet das aktive Metall zuverlässig und fest das Keramikelement und das Kupferelement, und gleichzeitig wird die Verhärtung der verbundenen Grenzfläche unterdrückt.
  • Ferner, da das Dickenverhältnis t1A/t1B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt, gibt es keinen signifikanten Unterschied in der Härte der verbundenen Grenzfläche im peripheren Teilbereich und im mittleren Teilbereich des Kupferelements, und das Auftreten von Brüchen im Keramikelement während der Beaufschlagung mit einem thermischen Zyklus kann weiter unterdrückt werden.
  • Darüber hinaus ist es bei dem Kupfer/Keramik-Aufbau gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass an der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramikelement und dem Kupferelement eine Ag-Cu-Legierungsschicht auf der Seite des Kupferelements ausgebildet ist, und eine Dicke t2A der Ag-Cu-Legierungsschicht, die in dem peripheren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, und eine Dicke t2B der Ag-Cu-Legierungsschicht, die in dem mittleren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, in einem Bereich von 1 um oder mehr und 30 um oder weniger liegen, und ein Dickenverhältnis t2A/t2B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  • In diesem Fall liegen die Dicke t2A der im peripheren Teilbereich des Kupferelements ausgebildeten Ag-Cu-Legierungsschicht und die Dicke t2B der im mittleren Teilbereich des Kupferelements ausgebildeten Ag-Cu-Legierungsschicht in einem Bereich von 1 um oder mehr und 30 um oder weniger. Dadurch reagiert das Ag des Verbindungsmaterials ausreichend mit dem Kupferelement, um das Keramikelement und das Kupferelement zuverlässig und fest zu verbinden, und gleichzeitig wird die Verhärtung der verbundenen Grenzfläche unterdrückt.
  • Ferner gibt es, da das Dickenverhältnis t2A/t2B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt, keinen signifikanten Unterschied in der Härte der verbundenen Grenzfläche im peripheren Teilbereich und im mittleren Teilbereich des Kupferelements, und das Auftreten von Brüchen im Keramikelement während der Belastung durch einen thermischen Zyklus kann weiter unterdrückt werden.
  • Die isolierende Schaltungsplatte gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein isolierendes Schaltungssubstrat, das durch Verbinden eines aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Kupferblatts mit einer Oberfläche eines aus Siliziumnitrid bestehenden Keramiksubstrats erhalten wird, wobei an einer verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kupferblatt eine aktive Metallnitridschicht auf einer Seite des Keramiksubstrats ausgebildet ist, in einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht in Richtung einer Seite des Kupferblattes erstreckt, ein Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, 10 % oder weniger beträgt, und ein Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferblattes zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferblattes in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  • Es kann auch gesagt werden, dass das isolierende Schaltungssubstrat das Keramiksubstrat und das Kupferblatt aufweist, und das Kupferblatt mit der Oberfläche des Keramiksubstrats verbunden ist.
  • Gemäß dem isolierenden Schaltungssubstrat eines Aspekts der vorliegenden Erfindung beträgt an der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kupferblatt, das mit mindestens einer Oberfläche des Keramiksubstrats verbunden ist, ein Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, 10 % oder weniger in einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht in Richtung einer Seite des Kupferblatts erstreckt. Dadurch wird das unnötige Aushärten der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kupferblatt verhindert.
  • Darüber hinaus liegt das Verhältnis PA/PB des Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferblatts zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferblatts in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger. Dadurch gibt es keinen signifikanten Unterschied in der Härte des peripheren Teilbereichs des Kupferblatts und des mittleren Teilbereichs des Kupferblatts, und das Auftreten von Brüchen im Keramiksubstrat während der Belastung durch einen thermischen Zyklus kann unterdrückt werden, und die thermische Zykluszuverlässigkeit ist ausgezeichnet.
  • In dem isolierenden Schaltungssubstrat gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass eine Dicke t1A der aktiven Metallnitridschicht, die in dem peripheren Teilbereich des Kupferblatts ausgebildet ist, und eine Dicke t1B der aktiven Metallnitridschicht, die in dem mittleren Teilbereich des Kupferblatts ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,05 um oder mehr und 0,8 um oder weniger liegen, und ein Dickenverhältnis t1A/t1B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  • In diesem Fall liegt die Dicke t1A der aktiven Metallnitridschicht, die im peripheren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, und die Dicke t1B der aktiven Metallnitridschicht, die im mittleren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,05 um oder mehr und 0,8 um oder weniger. Dadurch verbindet das aktive Metall zuverlässig und fest das Keramiksubstrat und das Kupferblatt, und gleichzeitig wird die Verhärtung der verbundenen Grenzfläche unterdrückt.
  • Ferner gibt es, da das Dickenverhältnis t1A/t1B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt, keinen signifikanten Unterschied in der Härte der verbundenen Grenzfläche im peripheren Teilbereich und im mittleren Teilbereich des Kupferblatts, und das Auftreten von Brüchen im Keramiksubstrat während der Belastung durch einen thermischen Zyklus kann weiter unterdrückt werden.
  • Darüber hinaus ist es bei dem isolierenden Schaltungssubstrat gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass an der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kupferblatt eine Ag-Cu-Legierungsschicht auf der Seite des Kupferblatts ausgebildet ist, und eine Dicke t2A der Ag-Cu-Legierungsschicht, die in dem peripheren Teilbereich des Kupferblattes ausgebildet ist, und eine Dicke t2B der Ag-Cu-Legierungsschicht, die in dem mittleren Teilbereich des Kupferblattes ausgebildet ist, in einem Bereich von 1 um oder mehr und 30 um oder weniger liegen, und ein Dickenverhältnis t2A/t2B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  • In diesem Fall liegen die Dicke t2A der im peripheren Teilbereich des Kupferblatts ausgebildeten Ag-Cu-Legierungsschicht und die Dicke t2B der im mittleren Teilbereich des Kupferblatts ausgebildeten Ag-Cu-Legierungsschicht in einem Bereich von 1 um oder mehr und 30 um oder weniger. Dadurch reagiert das Ag des Verbindungsmaterials ausreichend mit dem Kupferblatt, um das Keramiksubstrat und das Kupferblatt zuverlässig und fest zu verbinden, und gleichzeitig wird die Verhärtung der verbundenen Grenzfläche unterdrückt.
  • Ferner gibt es, da das Dickenverhältnis t2A/t2B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt, keinen signifikanten Unterschied in der Härte der verbundenen Grenzfläche im peripheren Teilbereich und im mittleren Teilbereich des Kupferblatts, und das Auftreten von Brüchen im Keramiksubstrat während der Belastung durch einen thermischen Zyklus kann weiter unterdrückt werden.
  • VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Kupfer/Keramik-Aufbau mit einer ausgezeichneten thermischen Zykluszuverlässigkeit vorzusehen, der das Auftreten von Brüchen in einem Keramiksubstrat selbst in einem Fall unterdrücken kann, in dem ein schwerer thermischer Zyklus beaufschlagt wird, sowie ein isolierendes Schaltungssubstrat, das aus dem Kupfer/Keramik-Aufbau besteht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine schematische erläuternde Ansicht eines Leistungsmoduls, das ein isolierendes Schaltungssubstrat gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
    • 2 ist eine vergrößerte erläuternde Ansicht einer verbundenen Grenzfläche zwischen einer Schaltungsschicht (einer Metallschicht) und einem Keramiksubstrat des isolierenden Schaltungssubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. (a) ist eine erläuternde Ansicht des peripheren Teilbereichs und des mittleren Teilbereichs der Schaltungsschicht und der Metallschicht, (b) ist eine erläuternde Ansicht des peripheren Teilbereichs, und (c) ist eine erläuternde Ansicht des mittleren Teilbereichs.
    • 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des isolierenden Schaltungssubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist eine schematische erläuternde Ansicht des Verfahrens zur Herstellung des isolierenden Schaltungssubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5 ist eine erläuternde Ansicht eines Schritts des Anordnens des Verbindungsmaterials in dem Verfahren zur Herstellung des isolierenden Schaltungssubstrats gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren zur Berechnung eines Flächenanteils einer aktiven Metallverbindung in Beispielen der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
  • Der Kupfer/Keramik-Aufbau gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein isolierendes Schaltungssubstrat 10, das durch Verbinden eines Kupferblatts 42 (einer Schaltungsschicht 12) und eines Kupferblatts 43 (einer Metallschicht 13) als Kupferelemente aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem Keramiksubstrat 11 als Keramikelement aus Keramik erhalten wird. 1 zeigt ein Leistungsmodul 1, das das isolierende Schaltungssubstrat 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufweist.
  • Das Leistungsmodul 1 weist auf: das isolierende Schaltungssubstrat 10, in dem sowohl die Schaltungsschicht 12 als auch die Metallschicht 13 angeordnet sind; ein Halbleiterelement 3, das mit einer Oberfläche (der oberen Oberfläche in 1) der Schaltungsschicht 12 durch Zwischenlegen einer Verbindungsschicht 2 verbunden ist; und einen Wärmeableiter 5, der auf der anderen Oberfläche (der unteren Oberfläche in 1) der Metallschicht 13 angeordnet ist.
  • Das Halbleiterelement 3 weist ein Halbleitermaterial wie z.B. Si auf. Das Halbleiterelement 3 und die Schaltungsschicht 12 sind miteinander verbunden, wobei die Verbindungsschicht 2 dazwischen angeordnet ist.
  • Die Verbindungsschicht 2 besteht z.B. aus einem Sn-Ag-basierten Lötmaterial, einem Sn-In-basierten Lötmaterial oder einem Sn-Ag-Cu-basierten Lötmaterial.
  • Der Wärmeableiter 5 ist ein Wärmeableiter zur Ableitung von Wärme von dem oben beschriebenen isolierenden Schaltungssubstrat 10. Der Wärmeableiter 5 besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, und in der vorliegenden Ausführungsform besteht er aus phosphordesoxidiertem Kupfer. Der Wärmeableiter 5 weist einen Kanal auf, durch den eine Kühlflüssigkeit fließen kann.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist der Wärmeableiter 5 durch eine Lötschicht 7, die aus einem Lötmaterial besteht, mit der Metallschicht 13 verbunden. Die Lötschicht 7 besteht zum Beispiel aus einem Sn-Ag-basierten Lötmaterial, einem Sn-In-basierten Lötmaterial oder einem Sn-Ag-Cu-basierten Lötmaterial.
  • Darüber hinaus weist das isolierende Schaltungssubstrat 10 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, das Keramiksubstrat 11, die auf einer Oberfläche des Keramiksubstrats 11 (der oberen Oberfläche in 1) angeordnete Schaltungsschicht 12 und die auf der anderen Oberfläche des Keramiksubstrats 11 (der unteren Oberfläche in 1) angeordnete Metallschicht 13 auf.
  • Das Keramiksubstrat 11 besteht aus Siliziumnitrid (Si3N4), das hervorragende Isolationseigenschaften und Wärmeabstrahlung hat. Die Dicke des Keramiksubstrats 11 ist so eingestellt, dass sie beispielsweise in einem Bereich von 0,2 mm oder mehr und 1,5 mm oder weniger liegt, und in der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke 0,32 mm.
  • Wie in 4 dargestellt, wird die Schaltungsschicht 12 durch Verbinden des Kupferblatts 42, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, mit einer Oberfläche (der oberen Oberfläche in 4) des Keramiksubstrats 11 ausgebildet.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Schaltungsschicht 12 durch Verbinden eines gewalzten Blattes aus sauerstofffreiem Kupfer mit dem Keramiksubstrat 11 ausgebildet.
  • Es ist zu beachten, dass die Dicke des Kupferblatts 42, das die Schaltungsschicht 12 sein soll, auf einen Bereich von 0,1 mm oder mehr und 2,0 mm oder weniger gesetzt ist, und die Dicke in der vorliegenden Ausführungsform 0,6 mm beträgt.
  • Wie in 4 gezeigt, wird die Metallschicht 13 durch Verbinden des aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Kupferblatts 43 mit der anderen Oberfläche (der unteren Oberfläche in 4) des Keramiksubstrats 11 ausgebildet.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird die Metallschicht 13 durch Verbinden eines gewalzten Blattes aus sauerstofffreiem Kupfer mit dem Keramiksubstrat 11 ausgebildet.
  • Es ist zu beachten, dass die Dicke des Kupferblatts 43, das die Metallschicht 13 bilden soll, auf einen Bereich von 0,1 mm oder mehr und 2,0 mm oder weniger gesetzt ist, und dass die Dicke in der vorliegenden Ausführungsform 0,6 mm beträgt.
  • An der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13, wie in 2 dargestellt, sind in dieser Reihenfolge von der Seite des Keramiksubstrats 11 aus eine aktive Metallnitridschicht 21 und eine Ag-Cu-Legierungsschicht 22 ausgebildet.
  • Man kann auch sagen, dass die aktive Metallnitridschicht 21 ein Teil des Keramiksubstrats 11 ist. Man kann auch sagen, dass die Ag-Cu-Legierungsschicht 22 jeweils ein Teil der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ist. Aus diesem Grund ist die verbundene Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und der Schaltungsschicht 12 bzw. der Metallschicht 13 (den Kupferblättern 42 und 43) eine Grenzfläche zwischen der aktiven Metallnitridschicht 21 und der Ag-Cu-Legierungsschicht 22. Falls die Ag-Cu-Legierungsschicht 22 nicht vorgesehen ist, ist die verbundene Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 (den Kupferblättern 42 und 43) eine Grenzfläche zwischen der aktiven Metallnitridschicht 21 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 (den Kupferblättern 42 und 43).
  • Darüber hinaus ist in dem isolierenden Schaltungssubstrat 10 der vorliegenden Ausführungsform, wie in 2(a) gezeigt, eine Grenzflächenstruktur in einem peripheren Teilbereich A und einem mittleren Teilbereich B jeder der Schaltungsschichten 12 und der Metallschicht 13 wie folgt definiert.
  • Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform der periphere Teilbereich A sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13, wie in 2(a) gezeigt, ein Bereich ist, beginnend von einer Position bei 20 um einwärts von einem Endabschnitt sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 in einer Breitenrichtung bis zu einer Position bei 200 um einwärts in der Breitenrichtung davon in einem Querschnitt entlang der Laminierungsrichtung, in der sowohl die Schaltungsschicht 12 als auch die Metallschicht 13 mit dem Keramiksubstrat 11 laminiert ist.
  • Darüber hinaus ist, wie in 2(a) gezeigt, der mittlere Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ein Bereich von 200 um in der Breitenrichtung, der die Mitte sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 in der Breitenrichtung in einem Querschnitt entlang der Laminierungsrichtung einschließt, in der sowohl die Schaltungsschicht 12 als auch die Metallschicht 13 mit dem Keramiksubstrat 11 laminiert ist.
  • Wie in 2(b) gezeigt, beträgt im peripheren Teilbereich A der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ein Flächenanteil PA einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall (Ti in der vorliegenden Ausführungsform) enthält, 10 % oder weniger in einem Bereich EA von 10 um von der Grenzfläche der aktiven Metallnitridschicht 21 auf der Seite der Schaltungsschicht 12 (Metallschicht 13) (der Grenzfläche zwischen der aktiven Metallnitridschicht 21 und der Ag-Cu-Legierungsschicht 22) zur Seite der Schaltungsschicht 12 (Metallschicht 13).
  • Außerdem ist, wie in 2(c) gezeigt, im mittleren Teilbereich B der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ein Flächenanteil PB einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall (Ti in der vorliegenden Ausführungsform) enthält, 10 % oder weniger in einem Bereich EB von 10 um von der Grenzfläche der aktiven Metallnitridschicht 21 auf der Seite der Schaltungsschicht 12 (Metallschicht 13) (der Grenzfläche zwischen der aktiven Metallnitridschicht 21 und der Ag-Cu-Legierungsschicht 22) bis zur Seite der Schaltungsschicht 12 (Metallschicht 13) beträgt.
  • Darüber hinaus liegt in der vorliegenden Ausführungsform ein Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung im peripheren Teilbereich A der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und der Schaltungsschicht 12 bzw. der Metallschicht 13 zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung im mittleren Teilbereich B der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und der Schaltungsschicht 12 bzw. der Metallschicht 13 in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger.
  • Es ist zu beachten, dass Beispiele für die intermetallische Verbindung (eine aktive Metallverbindung), die Si und ein aktives Metall (Ti) enthält, TiSi2, TiSi, Ti5Si4, Ti5Si3 und Ti5Si miteinschließen, und in der vorliegenden Ausführungsform wird Ti5Si3 verwendet.
  • Darüber hinaus liegen in der vorliegenden Ausführungsform eine Dicke t1A einer aktiven Metallnitridschicht 21A, die in dem peripheren Teilbereich A der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, und eine Dicke t1B einer aktiven Metallnitridschicht 21B, die in dem mittleren Teilbereich B der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,05 um oder mehr und 0,8 um oder weniger liegt, und es ist bevorzugt, dass das Dickenverhältnis t1A/t1B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt. Die aktive Metallnitridschicht 21 (21A und 21B) wird durch Aggregation von aktiven Metallnitridteilchen ausgebildet. Die durchschnittliche Teilchengröße dieser Teilchen beträgt 10 nm oder mehr und 100 nm oder weniger.
  • Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform, da ein Verbindungsmaterial 45 Ti als aktives Metall enthält und das Keramiksubstrat 11 aus Siliziumnitrid besteht, die aktive Metallnitridschicht 21 (21A und 21B) aus Titannitrid (TiN) besteht. Das heißt, die aktive Metallnitridschicht 21 (21A und 21B) wird durch Aggregation von Teilchen aus Titannitrid (TiN) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 nm oder mehr und 100 nm oder weniger ausgebildet.
  • Ferner ist es in der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt, dass ein Verhältnis t2A/t2B einer Dicke t2A einer Ag-Cu-Legierungsschicht 22A, die in dem peripheren Teilbereich A der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, zu einer Dicke t2B einer Ag-Cu-Legierungsschicht 22B, die in dem mittleren Teilbereich B der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  • Darüber hinaus beträgt die Dicke der Ag-Cu-Legierungsschicht 22 (22A und 22B) vorzugsweise 1 um oder mehr und 30 um oder weniger.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des isolierenden Schaltungssubstrats 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.
  • (Verbindungsmaterial-Anordnungsschritt S01)
  • Das Kupferblatt 42, das die Schaltungsschicht 12 sein soll, und das Kupferblatt 43, das die Metallschicht 13 sein soll, werden vorbereitet.
  • Dann wird das Verbindungsmaterial 45 auf die Oberfläche des Kupferblatts 42, das die Schaltungsschicht 12 sein soll, und die Oberfläche des Kupferblatts 43, das die Metallschicht 13 sein soll, aufgetragen und getrocknet. Die Beschichtungsdicke des pastösen Verbindungsmaterials 45 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 um oder mehr und 50 um oder weniger nach dem Trocknen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird das pastöse Verbindungsmaterial 45 im Siebdruckverfahren aufgebracht.
  • Das Verbindungsmaterial 45 ist ein Verbindungsmaterial, das Ag und ein aktives Metall (eines oder mehrere ausgewählt aus Ti, Zr, Nb oder Hf) enthält. In der vorliegenden Ausführungsform wird als Verbindungsmaterial 45 ein Hartlötmaterial auf Ag-Ti-Basis (ein Hartlötmaterial auf Ag-Cu-Ti-Basis) verwendet. Als Hartlot auf Ag-Ti-Basis (Ag-Cu-Ti-Hartlot) wird vorzugsweise ein Hartlot verwendet, das z.B. enthält: Cu in einer Menge von 0 Gewichts-% oder mehr und 45 Gewichts-% oder weniger; und Ti, das ein aktives Metall ist, in einer Menge von 0,5 Gewichts-% oder mehr und 20 Gewichts-% oder weniger, mit einem Rest von Ag und unvermeidlichen Verunreinigungen.
  • Die spezifische Oberfläche des im Verbindungsmaterial 45 enthaltenen Ag-Pulvers beträgt vorzugsweise 0,15 m2/g oder mehr, besonders bevorzugt 0,25 m2/g oder mehr und noch bevorzugter 0,40 m2/g oder mehr. Andererseits beträgt die spezifische Oberfläche des im Verbindungsmaterial 45 enthaltenen Ag-Pulvers vorzugsweise 1,40 m2/g oder weniger, besonders bevorzugt 1,00 m2/g oder weniger, und noch bevorzugter 0,75 m2/g oder weniger.
  • Hinsichtlich des Teilchendurchmessers des in dem pastösen Verbindungsmaterial 45 enthaltenen Ag-Pulvers ist es bevorzugt, dass D10 in einem Bereich von 0,7 um oder mehr und 3,5 um oder weniger liegt und D100 4,5 um oder mehr und 23 um oder weniger beträgt. D10 ist ein Partikeldurchmesser, bei dem die kumulative Häufigkeit 10 % auf Volumenbasis in einer Partikelgrößenverteilung beträgt, die nach einem Laserbeugungsstreuungstyp-Partikelgrößenverteilungsmessverfahren gemessen wurde, und D100 ist ein Partikeldurchmesser, bei dem die kumulative Häufigkeit 100 % auf Volumenbasis beträgt.
  • In einem später beschriebenen Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt S03 wird eine erzeugte flüssige Phase aus dem mittleren Teil der Kupferblätter 42 und 43 zur Seite des peripheren Teils ausgeschlossen, indem ein Druck in der Laminierungsrichtung ausgeübt wird; und dadurch ist eine relativ große Menge der aktiven Metallkomponente in dem peripheren Teil jedes der Kupferblätter 42 und 43 vorhanden.
  • Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 5 gezeigt, das Verbindungsmaterial 45 so aufgetragen, dass eine Beschichtungsdicke eines Verbindungsmaterials 45A auf dem peripheren Teil jedes der Kupferblätter 42, die die Schaltungsschicht 12 sein sollen, und des Kupferblatts 43, das die Metallschicht 13 sein soll, dünner ist als eine Beschichtungsdicke eines Verbindungsmaterials 45A auf dem mittleren Teil jedes der Kupferblätter 42, welche die Schaltungsschicht 12 sein sollen, und des Kupferblatts 43, das die Metallschicht 13 sein soll.
  • Es ist zu beachten, dass ein Unterschied zwischen der Beschichtungsdicke eines Verbindungsmaterials 45A auf dem peripheren Teil sowohl des Kupferblatts 42, das die Schaltungsschicht 12 sein soll, als auch des Kupferblatts 43, das die Metallschicht 13 sein soll, und der Beschichtungsdicke des Verbindungsmaterials 45B in dem mittleren Teil vorzugsweise in einem Bereich von 5 um oder mehr und 15 um oder weniger liegt.
  • Der periphere Abschnitt, auf den das Verbindungsmaterial 45A aufgebracht wird, ist ein peripherer Abschnitt, der einen peripheren Teilbereich aufweist und eine Fläche von 1,5 % bis 10 % der Oberfläche jedes der Kupferblätter 42 und 43 hat, wobei die Linienbreite des peripheren Abschnitts höchstens 1 mm beträgt. Der mittlere Abschnitt, auf den das Verbindungsmaterial 45B aufgebracht wird, ist ein mittlerer Abschnitt, der einen mittleren Teilbereich aufweist und eine Fläche von 90 % bis 98,5 % der Oberfläche jedes der Kupferblätter 42 und 43 hat.
  • (Laminierschritt S02)
  • Als nächstes wird das Kupferblatt 42, das die Schaltungsschicht 12 sein soll, auf eine Oberfläche (die obere Oberfläche in 4) des Keramiksubstrats 11 laminiert, während das Verbindungsmaterial 45 dazwischen gelegt wird, und gleichzeitig wird das Kupferblatt 43, das die Metallschicht 13 sein soll, auf die andere Oberfläche (die untere Oberfläche in 4) des Keramiksubstrats 11 laminiert, während das Verbindungsmaterial 45 dazwischen gelegt wird.
  • (Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt S03)
  • Als nächstes werden das Kupferblatt 42, das Keramiksubstrat 11 und das Kupferblatt 43 unter Druck in einem Heizofen in einer Vakuumatmosphäre erhitzt und das Verbindungsmaterial 45 wird geschmolzen.
  • Die Heiztemperatur im Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt S03 wird vorzugsweise so gesetzt, dass sie in einem Bereich von 800°C oder höher und 850°C oder niedriger liegt. Vorzugsweise wird die Summe der Temperaturintegralwerte im Temperaturerhöhungsschritt von 780°C auf die Heiztemperatur und im Halteschritt bei der Heiztemperatur so gesetzt, dass sie in einem Bereich von 7°C·h oder mehr und 120°C·h oder weniger liegt.
  • Außerdem wird die Druckbelastung im Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt S03 vorzugsweise so eingestellt, dass sie in einem Bereich von 0,029 MPa oder mehr und 2,94 MPa oder weniger liegt.
  • Ferner wird der Grad des Vakuums im Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt S03 vorzugsweise so gesetzt, dass er in einem Bereich von 1 × 10-6 Pa oder mehr und 5 × 10-2 Pa oder weniger liegt.
  • (Abkühlungsschritt S04)
  • Nach dem Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt S03 wird eine Abkühlung durchgeführt, um das geschmolzene Verbindungsmaterial 45 zu verfestigen; und dadurch wird das Kupferblatt 42, das die Schaltungsschicht 12 sein soll, mit dem Keramiksubstrat 11 verbunden, und das Kupferblatt 43, das die Metallschicht 13 sein soll, wird mit dem Keramiksubstrat 11 verbunden.
  • Es ist zu beachten, dass die Abkühlungsrate im Abkühlungsschritt S04 vorzugsweise so gesetzt wird, dass sie in einem Bereich von 2°C/min oder mehr und 20°C/min oder weniger liegt. Es ist zu beachten, dass die Abkühlungsrate eine Abkühlungsrate von der Heiztemperatur auf 780°C ist, was eine eutektische Ag-Cu-Temperatur ist.
  • Wie oben beschrieben, wird das isolierende Schaltungssubstrat 10, das die vorliegende Ausführungsform ist, durch den Verbindungsmaterial-Anordnungsschritt S01, den Laminierschritt S02, den Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt S03 und den Abkühlungsschritt S04 hergestellt.
  • (Wärmeableiter-Verbindungsschritt S05)
  • Als nächstes wird der Wärmeableiter 5 mit der anderen Seite der Oberfläche der Metallschicht 13 des isolierenden Schaltungssubstrats 10 verbunden.
  • Das isolierende Schaltungssubstrat 10 und der Wärmeableiter 5 werden mit einem dazwischen liegenden Lötmaterial laminiert und in einen Heizofen geladen, und das isolierende Schaltungssubstrat 10 und der Wärmeableiter 5 werden einem Lötverbinden mit der dazwischen liegenden Lötschicht 7 unterzogen.
  • (Halbleiterelement-Verbindungsschritt S06)
  • Als nächstes wird das Halbleiterelement 3 durch Löten mit einer Oberfläche der Schaltungsschicht 12 des isolierenden Schaltungssubstrats 10 verbunden.
  • Das in 1 dargestellte Leistungsmodul 1 wird durch die oben beschriebenen Schritte hergestellt.
  • Gemäß dem isolierenden Schaltungssubstrat 10 (Kupfer/Keramik-Aufbau) gemäß der vorliegenden Ausführungsform, das die oben beschriebene Ausgestaltung aufweist, beträgt im peripheren Teilbereich A der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13, ein Flächenanteil PA einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall (Ti in der vorliegenden Ausführungsform) enthält, 10 % oder weniger in einem Bereich EA, der sich um 10 um von der Grenzfläche der aktiven Metallnitridschicht 21 auf der Seite der Schaltungsschicht 12 (Metallschicht 13) (der Grenzfläche zwischen der aktiven Metallnitridschicht 21 und der Ag-Cu-Legierungsschicht 22) zur Seite der Schaltungsschicht 12 (Metallschicht 13) hin erstreckt, und gleichzeitig beträgt in dem mittleren Teilbereich B der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ein Flächenanteil PB einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall (Ti in der vorliegenden Ausführungsform) enthält, 10 % oder weniger in einem Bereich EB, der sich um 10 um von der Grenzfläche der aktiven Metallnitridschicht 21 auf der Seite der Schaltungsschicht 12 (Metallschicht 13) (der Grenzfläche zwischen der aktiven Metallnitridschicht 21 und der Ag-Cu-Legierungsschicht 22) in Richtung der Seite der Schaltungsschicht 12 (Metallschicht 13) erstreckt. Dadurch wird die unnötige Verhärtung der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und der Schaltungsschicht 12 und der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallschicht 13 verhindert.
  • Ferner ist zu beachten, dass, um die unnötige Verhärtung der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und der Schaltungsschicht 12 und der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat 11 und der Metallschicht 13 weiter zu unterdrücken, die oben beschriebenen Flächenanteile PA und PB der aktiven Metallverbindung vorzugsweise 8 % oder weniger, noch bevorzugter 7 % oder weniger und noch bevorzugter 5 % oder weniger betragen. Darüber hinaus betragen die Flächenanteile PA und PB der aktiven Metallverbindung vorzugsweise 1,5 % oder mehr, mehr bevorzugt 2 % oder mehr und noch bevorzugter 3 % oder mehr.
  • Darüber hinaus liegt ein Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich A sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger. Dadurch gibt es keinen signifikanten Unterschied in der Härte zwischen dem peripheren Teilbereich A sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 und dem mittleren Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13; es ist möglich, das Auftreten von Brüchen im Keramiksubstrat 11 während der Belastung eines thermischen Zyklus zu unterdrücken, und die thermische Zykluszuverlässigkeit ist ausgezeichnet.
  • Um die thermische Zykluszuverlässigkeit weiter zu verbessern, ist zu beachten, dass ein Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich A sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 vorzugsweise in einem Bereich von 0,8 oder mehr und 1,2 oder weniger und noch bevorzugter in einem Bereich von 0,9 oder mehr und 1,1 oder weniger liegt.
  • Darüber hinaus sind in der vorliegenden Ausführungsform in einem Fall, in dem eine Dicke t1A einer aktiven Metallnitridschicht 21A, die in dem peripheren Teilbereich A jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, und eine Dicke t1B einer aktiven Metallnitridschicht 21B, die in dem mittleren Teilbereich B jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, in einem Bereich von 0. 05 um oder mehr und 0,8 um oder weniger liegt, sowohl die Schaltungsschicht 12 als auch die Metallschicht 13 durch das aktive Metall zuverlässig und fest mit dem Keramiksubstrat 11 verbunden, und gleichzeitig wird die Verhärtung der verbundenen Grenzfläche weiter unterdrückt.
  • Es ist zu beachten dass, um die Schaltungsschicht 12 und die Metallschicht 13 fester mit dem Keramiksubstrat 11 zu verbinden, eine Dicke t1A einer aktiven Metallnitridschicht 21A, die in dem peripheren Teilbereich A sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, und eine Dicke t1B einer aktiven Metallnitridschicht 21B, die in dem mittleren Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, vorzugsweise 0,08 um oder mehr und noch bevorzugter 0,15 um oder mehr betragen.
  • Ferner betragen, um die unnötige Verhärtung der verbundenen Grenzfläche zu unterdrücken, eine Dicke t1A einer aktiven Metallnitridschicht 21A, die in dem peripheren Teilbereich A sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, und eine Dicke t1B einer aktiven Metallnitridschicht 21B, die in dem mittleren Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, vorzugsweise 0,6 um oder weniger und besonders bevorzugt 0,4 um oder weniger.
  • Ferner gibt es in der vorliegenden Ausführungsform in einem Fall, in dem ein Verhältnis t1A/t1B einer Dicke t1A einer aktiven Metallnitridschicht 21A, die in dem peripheren Teilbereich A sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, zu einer Dicke t1B einer aktiven Metallnitridschicht 21B, die in dem mittleren Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt, keinen signifikanten Unterschied in der Härte der verbundenen Grenzfläche in dem peripheren Teilbereich A und dem mittleren Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13, und es ist möglich, das Auftreten von Brüchen in dem Keramiksubstrat 11 während der Belastung durch einen thermischen Zyklus weiter zu unterdrücken.
  • Es ist zu beachten, dass zur weiteren Unterdrückung des Auftretens von Brüchen in dem Keramiksubstrat 11 während der Belastung eines thermischen Zyklus ein Verhältnis t1A/t1B einer Dicke t1A einer aktiven Metallnitridschicht 21A, die in dem peripheren Teilbereich A jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, zu einer Dicke t1B einer aktiven Metallnitridschicht 21B, die in dem mittleren Teilbereich B jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, vorzugsweise in einem Bereich von 0,8 oder mehr und 1,2 oder weniger und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,9 oder mehr und 1,1 oder weniger.
  • In der vorliegenden Ausführungsform reagiert darüber hinaus in einem Fall, in dem die Dicke t2A der im peripheren Teilbereich A jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildeten Ag-Cu-Legierungsschicht 22A und die Dicke t2B der im mittleren Teilbereich B jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildeten Ag-Cu-Legierungsschicht 22B in einem Bereich von 1 um oder mehr und 30 um oder weniger liegen, Ag des später beschriebenen Verbindungsmaterials 45 ausreichend mit sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13, das Keramiksubstrat 11 und sowohl die Schaltungsschicht 12 als auch die Metallschicht 13 sind zuverlässig und fest miteinander verbunden, und gleichzeitig wird die Verhärtung der verbundenen Grenzfläche unterdrückt.
  • Es ist zu beachten, dass, um die Schaltungsschicht 12 und die Metallschicht 13 fester mit dem Keramiksubstrat 11 zu verbinden, die Dicke t2A der Ag-Cu-Legierungsschicht 22A, die in dem peripheren Teilbereich A jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, und die Dicke t2B der Ag-Cu-Legierungsschicht 22B, die in dem mittleren Teilbereich B jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, vorzugsweise 3 um oder mehr und noch bevorzugter 5 um oder mehr beträgt.
  • Ferner, um die unnötige Verhärtung der verbundenen Grenzfläche weiter zu unterdrücken, sind die Dicke t2A der Ag-Cu-Legierungsschicht 22A, die in dem peripheren Teilbereich A jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, und die Dicke t2B der Ag-Cu-Legierungsschicht 22B, die in dem mittleren Teilbereich B jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, vorzugsweise 25 um oder weniger und mehr bevorzugt 15 um oder weniger.
  • Ferner gibt es in der vorliegenden Ausführungsform in einem Fall, in dem das Verhältnis t2A/t2B der Dicke t2A der Ag-Cu-Legierungsschicht 22A, die in dem peripheren Teilbereich A jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, zu der Dicke t2B der Ag-Cu-Legierungsschicht 22B, die in dem mittleren Teilbereich B jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13 ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt, keinen signifikanten Unterschied in der Härte der verbundenen Grenzfläche in dem peripheren Teilbereich A und dem mittleren Teilbereich B von jeder der Schaltungsschicht 12 und der Metallschicht 13, und es ist möglich, das Auftreten von Brüchen in dem Schaltungssubstrat während der Belastung eines thermischen Zyklus weiter zu unterdrücken.
  • Es ist zu beachten, dass zur weiteren Unterdrückung des Auftretens von Brüchen in dem Keramiksubstrat 11 während der Belastung eines thermischen Zyklus das Verhältnis t2A/t2B der Dicke t2A der Ag-Cu-Legierungsschicht 22A, die in dem peripheren Teilbereich A sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, zu der Dicke t2B der Ag-Cu-Legierungsschicht 22B, die in dem mittleren Teilbereich B sowohl der Schaltungsschicht 12 als auch der Metallschicht 13 ausgebildet ist, vorzugsweise in einem Bereich von 0,8 oder mehr und 1,2 oder weniger und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,9 oder mehr und 1,1 oder weniger liegt.
  • Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und entsprechende Abwandlungen sind in einem Bereich möglich, der nicht von den technischen Merkmalen der Erfindung abweicht.
  • Zum Beispiel wurde die vorliegende Ausführungsform so beschrieben, dass ein Halbleiterelement auf einem isolierenden Schaltungssubstrat montiert ist, um ein Leistungsmodul zu bilden; jedoch ist die vorliegende Ausführungsform nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein LED-Element auf eine Schaltungsschicht eines isolierenden Schaltungssubstrats montiert werden, um ein LED-Modul zu bilden, oder ein thermoelektrisches Element kann auf eine Schaltungsschicht eines isolierenden Schaltungssubstrats montiert werden, um ein thermoelektrisches Modul zu bilden.
  • Ferner wurde in der vorliegenden Ausführungsform die Beschreibung unter Verwendung von Ti als Beispiel für das im Verbindungsmaterial enthaltene aktive Metall vorgenommen. Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht darauf beschränkt, und irgendeines oder zwei oder mehr aktive Metalle, ausgewählt aus Ti, Zr, Hf und Nb, können enthalten sein. Es ist zu beachten, dass diese aktiven Metalle als Hydride enthalten sein können.
  • Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, dass der Flächenanteil PA der aktiven Metallverbindung im peripheren Teilbereich sowohl der Schaltungsschicht als auch der Metallschicht und der Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung im mittleren Teilbereich sowohl der Schaltungsschicht als auch der Metallschicht durch Einstellen der Beschichtungsdicke des Verbindungsmaterials sowohl im peripheren Teilbereich als auch im mittleren Teilbereich des Kupferblattes gesteuert wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und der Flächenanteil PA der aktiven Metallverbindung im peripheren Teilbereich sowohl der Schaltungsschicht als auch der Metallschicht und der Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung im mittleren Teilbereich sowohl der Schaltungsschicht als auch der Metallschicht können dadurch gesteuert werden, dass ein anderes Verbindungsmaterial verwendet wird, das auf den peripheren Teilbereich und den mittleren Teilbereich des Kupferblatts aufgebracht wird.
  • Zum Beispiel ist es möglich, die oben beschriebenen Flächenanteile PA und PB der aktiven Metallverbindung zu steuern, indem die spezifische Oberfläche (BET-Wert) des im Verbindungsmaterial enthaltenen Ag-Pulvers eingestellt wird. Das heißt, wenn die spezifische Oberfläche des Ag-Pulvers klein ist, erhöht sich die Sinterfähigkeit des pastenartigen Verbindungsmaterials, eine flüssige Phase wird leicht im Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt erzeugt, die Diffusion des aktiven Metalls wird beschleunigt, und der Flächenanteil der oben beschriebenen aktiven Metallverbindung wird hoch. Ist hingegen die spezifische Oberfläche des Ag-Pulvers groß, nimmt die Sinterfähigkeit des pastenartigen Verbindungsmaterials ab, die Bildung einer flüssigen Phase im Druckbeaufschlagungs- und Erwärmungsschritt ist erschwert, die Diffusion des aktiven Metalls wird unterdrückt, und der Flächenanteil der oben beschriebenen aktiven Metallverbindung wird gering.
    Darüber hinaus können Verbindungsmaterialien verwendet werden, die aktive Metalle enthalten, deren Arten oder Mengen sich voneinander unterscheiden, um separat auf den peripheren Teil und den mittleren Teil des Kupferblatts aufgetragen zu werden.
  • Ferner wurde in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, dass die Schaltungsschicht durch Verbinden eines gewalzten Blattes aus sauerstofffreiem Kupfer mit dem Keramiksubstrat ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Schaltungsschicht kann durch Verbinden von Kupferteilen, die durch Stanzen eines Kupferblatts erhalten werden, mit dem Keramiksubstrat in einem Zustand, in dem die Kupferteile in einem Schaltungsmuster angeordnet sind, ausgebildet werden. In diesem Fall ist es ausreichend, dass jedes der Kupferteile eine derartige Grenzflächenstruktur wie oben beschrieben zwischen dem Kupferteil und dem Keramiksubstrat aufweist.
  • Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, dass das Verbindungsmaterial auf der Oberfläche des Kupferblatts angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es ist ausreichend, dass das Verbindungsmaterial zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kupferblatt angeordnet ist, und das Verbindungsmaterial kann auf der Oberfläche des Keramiksubstrats angeordnet sein.
  • BEISPIELE
  • Nachfolgend werden die Ergebnisse von Bestätigungsversuchen beschrieben, die zur Bestätigung der Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden.
  • Zunächst wurde ein Keramiksubstrat (40 mm × 40 mm, Dicke: 0,32 mm), bestehend aus Siliziumnitrid (Si3N4), hergestellt.
  • Darüber hinaus wurde als Kupferblatt, das als Schaltungsschicht dienen sollte, ein Kupferblatt aus sauerstofffreiem Kupfer mit einer Größe von 37 mm × 37 mm und einer Dicke von 0,8 mm hergestellt. Ferner wurde als Kupferblatt, das eine Metallschicht sein sollte, ein Kupferblatt aus sauerstofffreiem Kupfer mit einer Größe von 37 mm × 37 mm und einer Dicke von 0,8 mm hergestellt.
  • Ein Verbindungsmaterial, das ein Ag-Pulver mit dem in Tabelle 1 angegebenen BET-Wert enthält, wurde auf den peripheren Teil des Kupferblatts, das sowohl eine Schaltungsschicht als auch eine Metallschicht sein sollte, aufgebracht, so dass die Zieldicke nach dem Trocknen dem in Tabelle 1 angegebenen Wert entsprach.
    Außerdem wurde ein Verbindungsmaterial, das ein Ag-Pulver mit dem in Tabelle 1 angegebenen BET-Wert enthält, auf den mittleren Teil des Kupferblatts, das sowohl eine Schaltungsschicht als auch eine Metallschicht sein sollte, aufgebracht, so dass die Zieldicke nach dem Trocknen dem in Tabelle 1 angegebenen Wert entsprach.
  • Es ist zu beachten, dass als Verbindungsmaterial ein Pastenmaterial verwendet wurde, und die Mengen an Ag, Cu und dem aktiven Metall waren wie in Tabelle 1 angegeben.
  • Darüber hinaus wurde eine Vakuumentgasung als Vorbehandlung durch Erhitzen auf 150°C für 30 Minuten durchgeführt, und der BET-Wert (spezifische Oberfläche) des Ag-Pulvers wurde mit AUTOSORB-1, hergestellt von QUANTACHROME Corporation, durch ein BET-Mehrpunktverfahren unter den Bedingungen der N2-Adsorption und flüssigem Stickstoff von 77 K gemessen.
  • Ein Kupferblatt, das eine Schaltungsschicht sein sollte, wurde auf eine Oberfläche des Keramiksubstrats laminiert. Außerdem wurde auf die andere Oberfläche des Keramiksubstrats ein Kupferblatt laminiert, das eine Metallschicht sein sollte.
  • Dieses Laminat wurde in einem Zustand erhitzt, in dem es in Laminierungsrichtung unter Druck stand, um eine flüssige Ag-Cu-Phase zu erzeugen. In diesem Fall wurde die Druckbelastung auf 0,294 MPa gesetzt, und der Temperaturintegralwert war wie in Tabelle 2 gezeigt.
  • Dann wurde das erhitzte Laminat abgekühlt, um das Kupferblatt, das die Schaltungsschicht sein sollte, das Keramiksubstrat, und das Metallblatt, das die Metallschicht sein sollte, miteinander zu verbinden; und dadurch wurde ein isolierendes Schaltungssubstrat (Kupfer/Keramik-Aufbau) erhalten.
  • In Bezug auf das erhaltene isolierende Schaltungssubstrat (Kupfer/Keramik-Aufbau) wurden der Flächenanteil der aktiven Metallverbindung, die aktive Metallnitridschicht, die Ag-Cu-Legierungsschicht und die thermische Zykluszuverlässigkeit wie folgt ausgewertet.
  • (Flächenanteil der aktiven Metallverbindung)
  • Ein Querschnitt der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und sowohl der Schaltungsschicht als auch der Metallschicht wurde mit einer EPMA-Einrichtung beobachtet, und eine Elementkarte (Breite 50 µm × Höhe 30 µm) des aktiven Metalls und des Si im peripheren Teilbereich und im mittleren Teilbereich sowohl der Schaltungsschicht als auch der Metallschicht wurde für fünf Sichtfelder erfasst.
  • Dann wurde, wie in 6 gezeigt, in einem Bereich von der aktiven Metallnitridschicht bis zu 10 um in Richtung der Oberfläche der Schaltungsschicht (Metallschicht) ein Abschnitt, in dem Si und das aktive Metall überlappen, als ein Bereich der aktiven Metallverbindung betrachtet, der Si und das aktive Metall enthält, und der Flächenanteil der aktiven Metallverbindung wurde berechnet. Der Flächenanteil war ein Wert für den Fall, dass eine Fläche von 50 µm × 10 µm auf 100 % gesetzt wurde. Es ist zu beachten, dass in Tabelle 2 die Durchschnittswerte aus den beiden fünf Sichtfeldern, d. h. insgesamt zehn Sichtfeldern, angegeben sind.
  • (Aktive Metallnitridschicht)
  • Ein Querschnitt der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und sowohl der Schaltungsschicht als auch der Metallschicht wurde einer Messung bei einer 30000-fachen Vergrößerung unter Verwendung eines Elektronenrastermikroskops (ULTRA55 von Carl Zeiss NTS, LLC, Beschleunigungsspannung: 1,8 kV) unterzogen, und es wurde eine Elementkartierung von N und dem aktiven Metallelement durchgeführt, um die Elementkarten davon für beide der fünf Sichtfelder gemäß dem Verfahren der energiedispersiven Röntgenanalyse zu erfassen. Es wurde bestimmt, dass die aktive Metallnitridschicht in dem Fall vorhanden war, in dem das aktive Metallelement und N in der gleichen Region vorhanden waren.
  • Die Beobachtung wurde in beiden fünf Sichtfeldern durchgeführt, d. h. in insgesamt zehn Sichtfeldern, und der Durchschnittswert, der durch Division der Fläche, in der das aktive Metallelement und N in demselben Bereich vorhanden waren, durch die gemessene Breite erhalten wurde, wurde als die „Dicke der aktiven Metallnitridschicht“ definiert.
  • (Ag-Cu-Legierungsschicht)
  • In Querschnitten der verbundenen Grenzfläche zwischen der Schaltungsschicht und dem Keramiksubstrat und der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und der Metallschicht wurde eine Elementkartierung von Ag, Cu und dem aktiven Metall durchgeführt, um die Elementkarten davon mit Hilfe einer EPMA-Einrichtung zu erfassen. Die Elementkartierung wurde durchgeführt, um die Elementkarte jedes Elements in beiden fünf Sichtfeldern zu erfassen.
  • Dann wurde ein Bereich, in dem die Ag-Konzentration 15 Gewichts-% oder mehr betrug, als die Ag-Cu-Legierungsschicht in einem Fall definiert, in dem Ag + Cu + aktives Metall auf 100 Gewichts-% gesetzt wurde, und eine Fläche davon wurde gemessen, um einen Wert zu bestimmen, der durch Teilen der Fläche durch eine Breite des Messbereichs (Fläche/Breite des Messbereichs) erhalten wurde. Der Durchschnitt der Werte ist in Tabelle 2 als Dicke der Ag-Cu-Legierungsschicht angegeben.
  • (Thermische Zykluszuverlässigkeit)
  • Das oben beschriebene isolierende Schaltungssubstrat wurde mit einem thermischen Zyklus von 40°C × 5 min ↔ 150°C × 5 min belastet, eine SAT-Prüfung (Ultraschallprüfung) wurde bis zu 2000 Zyklen alle 100 Zyklen durchgeführt, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Keramikbrüchen zu überprüfen, und die Anzahl der Zyklen, die zu Keramikbrüchen führen, wurde bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 1
    Verbindungsmaterial im peripheren Teil eines Kupferblattes Verbindungsmaterial im mittleren Teil des Kupferblattes
    Ag Cu Gew. % Aktives Element BET-Wert des Ag-Pulvers m2/g Beschich tungsdic ke µm Ag Cu Gew. -% Aktives Element BET-Wert des Ag-pulvers m2/g Beschichtu ngsdicke µm
    Element Gew.-% Element: Gew. -%
    Erfindung sbeispiel 1 Balance - Ti 2,1 0,56 35 Balance 24,5 Ti 3,5 1,03 45
    2 Balance 42,7 Ti 0,8 0,16 10 Balance - Ti 8,3 15,00 25
    3 Balance - Ti 2,3 1,03 20 Balance - Zr 5,7 0,56 30
    4 Balance - Zr 1,5 0,16 10 Balance - Zr 5,7 1,03 15
    5 Balance 29,0 Nb 1,0 0,22 15 Balance - Ti 4,5 0,56 30
    6 Balance - Hf 4,5 1,38 10 Balance - Hf 4,5 1,38 25
    7 Balance - Zr 2,6 0,56 10 Balance 26,5 Zr 2,5 0,22 30
    8 Balance 34,5 Ti 0,5 0,22 15 Balance 26,5 Ti 1,5 0,22 35
    Vergleich sbeispiel 1 Balance - Zr 5,7 0,44 35 Balance - Zr 5,7 0,16 45
    2 Balance - Zr 3,3 0,16 15 Balance - Zr 5,7 1,38 45
    3 Balance 34,5 Ti 2,5 0,56 40 Balance - Ti 4,5 1,03 35
    Tabelle 2
    Druckbeaufschlagu ngs- und Aktive Metallverbindung Aktive Metallnitridschicht Ag-Cu-Legierungsschicht Thermische Zyklus zuverlässig keit
    Erwärmungsschritt Flächenanteil (s) PA/ PB Dicke (µm) t1A/t 1B Dicke (µm) t2A/t 2B
    Temperatur Integralwert °C·h Periphere r Teilberei ch PA Mittlerer Teilberei ch PB Periphere r Teilberei ch t1A Mittlerer Teilberei ch t1B Periphere r Teilberei ch t2A Mittlerer Teilberei ch t2B Auftritt von Brüchen (Anzahl der Zyklen)
    Erfindun gs beispiel 1 119,4 10 8 1,3 0,79 0,67 1,18 28 22 1,27 1600.
    2 21,5 2 3 0,7 0,13 0,17 0,76 8 10 0,80 1600.
    96, 0 8 6 1,4 0,62 0,45 1,38 18 13 1,38 1500.
    4 7,5 2 2 0,9 0,07 0,09 0,75 3 4 0,75 1800.
    5 98,7 8 6 1,2 0,44 0,41 1,08 11 9 1,22 1900.
    6 32,5 4 3 1,1 0,30 0,29 1,03 13 12 1,08 > 2000.
    7 61,2 6 6 0,9 0,39 0,43 0,91 5 7 0,71 2000.
    8 18,4 3 3 1,1 0,25 0,23 1,09 17 16 1,06 > 2000.
    Vergleic hs beispiel 1 148,2 15 13 1,1 1,19 1,16 1,02 24 20 1,20 1100.
    2 59,7 6 9 0,6 0,47 0,59 0,79 14 18 0,78 1300.
    3 51,4 8 5 1,5 0,53 0,34 1,53 21 13 1,62 1200.
  • In Vergleichsbeispiel 1 betrug in einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht in Richtung einer Seite des Kupferblatts erstreckt, der Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, mehr als 10 %, und im thermischen Zyklustest betrug die Anzahl der Zyklen, die zum Auftreten eines Bruchs führten, 1100 Zyklen.
  • In Vergleichsbeispiel 2 betrug das Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferblatts zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferblatts 0,6, und im thermischen Zyklustest betrug die Anzahl der Zyklen, die zum Auftreten eines Bruchs führten, 1300 Zyklen.
  • In Vergleichsbeispiel 3 betrug das Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferblatts zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferblatts 1,5, und im thermischen Zyklustest betrug die Anzahl der Zyklen, die zum Auftreten eines Bruchs führten, 1200 Zyklen.
  • Andererseits betrug in den Erfindungsbeispielen 1 bis 8 in einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht in Richtung einer Seite des Kupferblatts erstreckt, ein Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, 10 % oder weniger, und gleichzeitig betrug ein Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferblatts zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferblatts 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger, und in dem thermischen Zyklustest betrug die Anzahl der Zyklen, die zum Auftreten eines Bruchs führten, 1500 bis mehr als 2000 Zyklen, und die thermische Zykluszuverlässigkeit war ausgezeichnet.
  • Aus den Ergebnissen der oben beschriebenen Prüfversuche gemäß den erfindungsgemäßen Beispielen wurde bestätigt, dass es möglich ist, ein isolierendes Schaltungssubstrat (einen Kupfer/Keramik-Aufbau) mit einer ausgezeichneten thermischen Zykluszuverlässigkeit vorzusehen, welches das Auftreten von Brüchen in einem Keramikelement selbst in einem Fall unterdrücken kann, in dem ein schwerer thermischer Zyklus beaufschlagt wird.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Der Kupfer/Keramik-Aufbau und das isolierende Schaltungssubstrat gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind für Leistungsmodule, LED-Module und thermoelektrische Module geeignet.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Isolierendes Schaltungssubstrat (Kupfer/Keramik-Aufbau)
    11
    Keramiksubstrat (Keramikelement)
    12
    Schaltungsschicht (Kupferelement)
    13
    Metallschicht (Kupferelement)
    21 (21A, 21B)
    Aktive Metallnitridschicht
    22 (22A, 22B)
    Ag-Cu-Legierungsschicht
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2021117950 [0002]
    • JP 3211856 [0009]
    • JP 2018008869 [0009]

Claims (6)

  1. Kupfer/Keramik-Aufbau, erhalten durch Verbinden eines Kupferelements, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, und eines Keramikelements, das aus Siliziumnitrid besteht, wobei an einer verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramikelement und dem Kupferelement eine aktive Metallnitridschicht auf einer Seite des Keramikelements ausgebildet ist, in einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht in Richtung einer Seite des Kupferelements erstreckt, ein Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, 10 % oder weniger beträgt, und ein Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferelements zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferelements in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  2. Kupfer/Keramik-Aufbau nach Anspruch 1, wobei eine Dicke t1A der aktiven Metallnitridschicht, die im peripheren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, und eine Dicke t1B der aktiven Metallnitridschicht, die im mittleren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,05 um oder mehr und 0,8 um oder weniger liegen, und ein Dickenverhältnis t1A/t1B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  3. Kupfer/Keramik-Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, wobei an der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramikelement und dem Kupferelement eine Ag-Cu-Legierungsschicht auf der Seite des Kupferelements ausgebildet ist, und eine Dicke t2A der Ag-Cu-Legierungsschicht, die in dem peripheren Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, und eine Dicke t2B der Ag-Cu-Legierungsschicht, die in dem mittigen Teilbereich des Kupferelements ausgebildet ist, in einem Bereich von 1 um oder mehr und 30 um oder weniger liegen, und ein Dickenverhältnis t2A/t2B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  4. Isolierendes Schaltungssubstrat, erhalten durch Verbinden eines Kupferblattes, das aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, mit einer Oberfläche eines Keramiksubstrats, das aus Siliziumnitrid besteht, wobei an einer verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kupferblatt eine aktive Metallnitridschicht auf einer Seite des Keramiksubstrats ausgebildet ist, in einem Bereich, der sich um 10 um von der aktiven Metallnitridschicht in Richtung einer Seite des Kupferblattes erstreckt, ein Flächenanteil einer aktiven Metallverbindung, die Si und ein aktives Metall enthält, 10 % oder weniger beträgt, und ein Verhältnis PA/PB eines Flächenanteils PA der aktiven Metallverbindung in einem peripheren Teilbereich des Kupferblattes zu einem Flächenanteil PB der aktiven Metallverbindung in einem mittleren Teilbereich des Kupferblattes in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  5. Isolierendes Schaltungssubstrat nach Anspruch 4, wobei eine Dicke t1A der aktiven Metallnitridschicht, die in dem peripheren Teilbereich des Kupferblatts ausgebildet ist, und eine Dicke t1B der aktiven Metallnitridschicht, die in dem mittleren Teilbereich des Kupferblatts ausgebildet ist, in einem Bereich von 0,05 um oder mehr und 0,8 um oder weniger liegen und ein Dickenverhältnis t1A/t1B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
  6. Isolierendes Schaltungssubstrat nach Anspruch 4 oder 5, wobei an der verbundenen Grenzfläche zwischen dem Keramiksubstrat und dem Kupferblatt eine Ag-Cu-Legierungsschicht auf der Seite des Kupferblattes ausgebildet ist, und eine Dicke t2A der Ag-Cu-Legierungsschicht, die in dem peripheren Teilbereich des Kupferblatts ausgebildet ist, und eine Dicke t2B der Ag-Cu-Legierungsschicht, die in dem mittleren Teilbereich des Kupferblatts ausgebildet ist, in einem Bereich von 1 um oder mehr und 30 um oder weniger liegen, und ein Dickenverhältnis t2A/t2B in einem Bereich von 0,7 oder mehr und 1,4 oder weniger liegt.
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