TW201526171A - 接合體之製造方法及功率模組用基板之製造方法 - Google Patents

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寺伸幸
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Abstract

本發明之製造方法，係由陶瓷所構成之陶瓷構件、及由Cu或Cu合金所構成之Cu構件接合而成的接合體之製造方法，具備：層積工程，將前述陶瓷構件與前述Cu構件，隔著含有P為3mass%以上10mass%以下之Cu-P系硬銲材、以及活性金屬材而層積；及加熱處理工程，將層積的前述陶瓷構件及前述Cu構件做加熱處理。

Description

接合體之製造方法及功率模組用基板之製造方法
本發明係有關陶瓷構件和Cu構件接合而成的接合體之製造方法，及在陶瓷基板的一方之面配設有由Cu或Cu合金所構成的電路層之功率模組用基板之製造方法。
本申請專利基於2013年8月26日於日本申請之特願2013-175003號而主張優先權，並將其內容援用於此。
LED或功率模組等半導體裝置，具備在由導電材料所構成的電路層的上方接合有半導體元件之構造。
用來控制風力發電、電動汽車等電動車輛等之大電力控制用的功率半導體元件，其發熱量大。因此，作為搭載這類功率半導體元件的基板，習知便廣泛使用在例如由AlN(氮化鋁)等所構成的陶瓷基板的一方之面上接合有導電性優良的金屬板以作為電路層而成之功率模組用基板。此外，有時亦會在陶瓷基板的另一方之面上，接合金 屬板以作為金屬層。
舉例來說，專利文獻1所示之功率模組用基板，是設計成在陶瓷基板(陶瓷構件)的一方之面上接合Cu板(Cu構件)，藉此形成電路層之構造。該功率模組用基板中，在陶瓷基板的一方之面上，於隔著Cu-Mg-Ti硬銲材(brazing material)而配置Cu板的狀態下，進行加熱處理，藉此接合Cu板。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特許第4375730號公報
不過，若如專利文獻1所揭示般，隔著Cu-Mg-Ti硬銲材將陶瓷基板與Cu板接合來形成電路層，那麼在陶瓷基板與硬銲材之接合界面，會形成厚而含有Cu、Mg、或Ti之金屬間化合物層。
由於在該陶瓷基板與硬銲材的接合界面形成之金屬間化合物層相當硬，因此恐會導致陶瓷基板與電路層的接合率惡化，而無法良好地接合陶瓷基板與電路層。
本發明係有鑑於前述事態而研發，目的在於提供一種能夠良好地接合陶瓷構件與Cu構件之接合體之製造方法，及功率模組用基板之製造方法。
為解決前述問題，本發明第一態樣之接合體之製造方法，係由陶瓷所構成之陶瓷構件、及由Cu或Cu合金所構成之Cu構件接合而成的接合體之製造方法，具備：層積工程，將前述陶瓷構件與前述Cu構件，隔著含有P為3mass%以上10mass%以下之Cu-P系硬銲材、以及活性金屬材而層積；及加熱處理工程，將層積的前述陶瓷構件及前述Cu構件做加熱處理。
按照本發明第一態樣之接合體之製造方法，由於具備：層積工程，將前述陶瓷構件與前述Cu構件，隔著含有P為3mass%以上10mass%以下之Cu-P系硬銲材、以及活性金屬材而層積；及加熱處理工程，將層積的前述陶瓷構件及前述Cu構件做加熱處理；故加熱處理工程中，Cu-P系硬銲材中含有的P會與活性金屬材中含有的活性元素鍵結，而形成含有P之金屬間化合物，P會被攝入該金屬間化合物，藉此便會在陶瓷構件側形成Cu層。此時，由於在陶瓷構件與Cu層的接合界面不會形成硬的金屬間化合物層，故陶瓷構件與Cu構件的接合率會提升，能良好地接合陶瓷構件與Cu構件。
此外，含有P為3mass%以上10mass%以下之Cu-P系硬銲材，由於熔點低，故能以相對較低溫將陶瓷構件與Cu構件接合。其結果，於接合時能夠減輕施加在陶瓷構件的熱負荷。
此處，活性金屬材，例如訂為含有Ti、Zr、Nb、Hf這類活性元素的其中1種或2種以上者。此外，活性金屬材的形狀，例如訂為箔或粉末等。
此外，較佳是，在前述陶瓷構件側配置前述Cu-P系硬銲材，在前述Cu構件側配置前述活性金屬材。
該構成中，藉由將Cu構件與活性金屬材做加熱處理，便能將Cu構件與活性金屬材以固相擴散來接合。是故，藉由Cu-P系硬銲材的熔液凝固，便可確實地將陶瓷構件與Cu構件接合。
此外，較佳是，前述Cu-P系硬銲材，訂為由Cu-P硬銲材、Cu-P-Sn硬銲材、Cu-P-Sn-Ni硬銲材、Cu-P-Zn硬銲材當中選擇之其中1種。
當使用這樣的硬銲材的情形下，由於硬銲材的熔點低，故即使在低溫條件下仍能確實地進行陶瓷構件與Cu構件之接合。此外，於陶瓷構件與Cu構件接合時，硬銲材中含有的P等，會與活性金屬材中含有的元素鍵結而形成金屬間化合物，而在陶瓷構件側能夠確實地形成Cu層，該Cu層中不存在含有P之金屬間化合物或含有P之金屬間化合物非常少量。
此外，較佳是，上述接合體之製造方法中，前述活性金屬材含有Ti。
在此情形下，加熱處理工程中，Ti與Cu-P系硬銲材中含有的P會鍵結，而形成含有P及Ti之金屬間化合物，P會被攝入該金屬間化合物，藉此便會在陶瓷構件側 確實地形成Cu層。是故，能夠確實地抑制在陶瓷構件與Cu層的接合界面形成硬的金屬間化合物層，而提升陶瓷構件與Cu構件的接合率，良好地接合陶瓷構件與Cu構件。
本發明第二態樣之功率模組用基板之製造方 法，係在陶瓷基板的第一面配設有由Cu或Cu合金所構成的電路層之功率模組用基板之製造方法，其特徵為：將前述陶瓷基板與前述電路層，藉由上述接合體之製造方法來接合。
按照本發明第二態樣之功率模組用基板之製造方法，加熱處理工程中，活性金屬材與P會鍵結而形成含有P之金屬間化合物，P會被攝入該金屬間化合物，藉此便會在陶瓷基板側形成Cu層。此時，由於在陶瓷基板與Cu層的接合界面不會形成硬的金屬間化合物層，故陶瓷基板與電路層的接合率會提升，能良好地接合陶瓷基板與電路層。
此外，由於Cu-P系硬銲材的熔點低，能以相對較低溫在陶瓷基板的第一面形成電路層，故於電路層形成時能夠抑制陶瓷基板熱劣化。
此外，本發明第三態樣之功率模組用基板之 製造方法，係在陶瓷基板的第一面配設有由Cu或Cu合金所構成的電路層，在第二面配設有由Cu或Cu合金所構成的金屬層之功率模組用基板之製造方法，其亦可構成為，將前述陶瓷基板與前述電路層、及前述陶瓷基板與前 述金屬層，藉由上述接合體之製造方法來接合。
該構成中，在陶瓷基板的第一面及第二面，活性金屬材與Cu-P系硬銲材中含有的P會鍵結，而形成含有P之金屬間化合物，藉此會形成Cu層，而不會在陶瓷基板與Cu層的接合界面形成硬的金屬間化合物層。因此，陶瓷基板與電路層的接合率、及陶瓷基板與金屬層的接合率會提升，能夠良好地接合陶瓷基板與電路層、及陶瓷基板與金屬層。
此外，能以相對較低溫在陶瓷基板的第一面形成電路層，在第二面形成金屬層，故能夠抑制陶瓷基板熱劣化。
此外，該功率模組用基板之製造方法中，能夠同時在陶瓷基板的第一面形成電路層，在第二面形成金屬層。其結果，可減低施加在陶瓷基板的熱負荷，且亦可減低製造成本。
此外，本發明第四態樣之功率模組用基板之製造方法，係在陶瓷基板的第一面配設有由Cu或Cu合金所構成的電路層，在第二面配設有由Al或Al合金所構成的金屬層之功率模組用基板之製造方法，其亦可構成為，將前述陶瓷基板與前述電路層，藉由上述接合體之製造方法來接合。
此外，能以相對較低溫在陶瓷基板的第一面形成電路層，在第二面形成金屬層，故能夠抑制陶瓷基板熱劣化。
本發明第四態樣之功率模組用基板之製造方法中，同樣地，能夠同時在陶瓷基板的第一面形成電路層，在第二 面形成金屬層，可減低施加在陶瓷基板的熱負荷，且亦可減低製造成本。
按照本發明，能提供一種能夠良好地接合陶瓷構件與Cu構件之接合體之製造方法，及功率模組用基板之製造方法。
10、110、210‧‧‧功率模組用基板(接合體)
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12、112、212‧‧‧電路層(Cu構件)
113、213‧‧‧金屬層(Cu構件)
25、125‧‧‧Ti箔(活性金屬材、Ti材)
[圖1]使用本發明第一實施形態之功率模組用基板的功率模組概略說明圖。
[圖2]本發明第一實施形態之功率模組用基板概略說明圖。
[圖3]拍攝圖2所示電路層與陶瓷基板的接合界面之截面而成的電子顯微鏡照片及其概略圖。
[圖4]本發明第一實施形態之功率模組用基板之製造方法及功率模組之製造方法說明流程圖。
[圖5]本發明第一實施形態之功率模組用基板之製造方法及功率模組之製造方法概略說明圖。
[圖6]使用本發明第二實施形態之功率模組用基板的功率模組概略說明圖。
[圖7]本發明第二實施形態之功率模組用基板概略說明圖。
[圖8]拍攝圖7所示電路層與陶瓷基板的接合界面之截面而成的電子顯微鏡照片及其概略圖。
[圖9]圖7所示金屬層與陶瓷基板的接合界面之截面概略圖。
[圖10]本發明第二實施形態之功率模組用基板之製造方法及功率模組之製造方法說明流程圖。
[圖11]本發明第二實施形態之功率模組用基板之製造方法及功率模組之製造方法概略說明圖。
[圖12]使用本發明第三實施形態之功率模組用基板的功率模組概略說明圖。
[圖13]本發明第三實施形態之功率模組用基板概略說明圖。
[圖14]拍攝圖13所示電路層與陶瓷基板的接合界面之截面而成的電子顯微鏡照片及其概略圖。
[圖15]本發明第三實施形態之功率模組用基板之製造方法及功率模組之製造方法說明流程圖。
[圖16]本發明第三實施形態之功率模組用基板之製造方法及功率模組之製造方法概略說明圖。
(第一實施形態)
以下參照所附圖面，說明本發明之實施形態。首先，說明本發明之第一實施形態。
本實施形態之接合體之製造方法，是將陶瓷基板11(陶瓷構件)與電路層12(Cu構件)接合，藉此做成接合體而製造功率模組用基板10。圖1揭示具備本實施形態之功率模組用基板10的功率模組1。
該功率模組1具備：功率模組用基板10，配設有電路層12；及半導體元件3，在電路層12的一方之面(圖1中的上面)隔著接合層2而接合。
功率模組用基板10，如圖2所示，具備：陶 瓷基板11，具有第一面及第二面；及電路層12，配設於該陶瓷基板11的一方之面亦即第一面(圖2中的上面)。
陶瓷基板11，由絕緣性高的AlN(氮化 鋁)、Si3N4(氮化矽)、Al2O3(氧化鋁)等陶瓷所構成。本實施形態中，絕緣基板11是由散熱性優良的AlN(氮化鋁)所構成。此外，陶瓷基板11的厚度設定在0.2~1.5mm的範圍內，本實施形態中是設定為0.635mm。
電路層12，是藉由在陶瓷基板11的第一面， 隔著活性金屬材及Cu-P系硬銲材接合具導電性的Cu或Cu合金之金屬板(Cu板22)而形成。Cu板22例亦可訂為無氧銅(oxygen-free copper)、脫氧銅(deoxidized copper)、精煉銅(tough pitch copper)等，本實施形態中訂為無氧銅。此外，Cu板22的厚度設定在0.1~1.0mm的範圍內，本實施形態中是設定為0.6mm。
此處，本實施形態中，Cu-P系硬銲材的P含有量， 是訂為3mass%以上10mass%以下。以下說明P含有量設定為3mass%以上10mass%以下之理由。
(P：3mass%以上10mass%以下)
P為具有使硬銲材的熔點降低之作用效果的元素。此外，該P為具有下述作用效果的元素，即，藉由因P氧化而產生之P氧化物來覆蓋硬銲材表面，藉此防止硬銲材氧化，且藉由流動性良好之P氧化物來覆蓋熔融的硬銲材之表面，來提升硬銲材的潤濕性。
若P含有量未滿3mass%，則無法充分獲得使硬銲材熔點降低的效果，恐導致硬銲材熔點上昇，或硬銲材流動性不足，造成陶瓷基板11與電路層12的接合性降低。此外，若P含有量超過10mass%，則會形成許多脆的金屬間化合物，恐導致陶瓷基板11與電路層12的接合性或接合可靠性降低。
基於這樣的理由，Cu-P系硬銲材中含有的P含有量係被設定成3mass%以上10mass%以下之範圍內。P含有量的更佳範圍為6mass%以上9mass%以下。
此處，Cu-P系硬銲材中，亦可含有Sn為0.5mass%以上25mass%以下。此外，Cu-P系硬銲材，亦可含有Ni、Cr、Fe、Mn當中的其中1種或2種以上，合計2mass%以上20mass%以下。又，Cu-P系硬銲材，亦可含有Zn為0.5mass%以上50mass%以下。以下說明當含有該些元素的情形下，其含有量設定為上述範圍內之理由。
(Sn：0.5mass%以上25mass%以下)
Sn為具有使硬銲材的熔點降低之作用效果的元素。
若Sn的含有量達0.5mass%以上，能確實地降低硬銲材的熔點。此外，若Sn的含有量在25mass%以下，能夠抑制硬銲材的低溫脆化，能提升陶瓷基板與電路層的接合可靠性。
基於這樣的理由，當使Cu-P系硬銲材中含有Sn的情形下，其含有量係被設定成0.5mass%以上25mass%以下之範圍內。
(Ni、Cr、Fe、Mn：2mass%以上20mass%以下)
Ni、Cr、Fe、Mn為具有抑制在陶瓷基板11與硬銲材的交界面形成含有P的金屬間化合物之作用效果的元素。
若Ni、Cr、Fe、Mn當中的其中1種或2種以上的含有量達合計2mass%以上，便能夠抑制在陶瓷基板11與硬銲材的接合界面形成含有P的金屬間化合物，能提升陶瓷基板11與電路層12的接合可靠性。此外，若Ni、Cr、Fe、Mn當中的其中1種或2種以上的含有量在合計20mass%以下，會抑制硬銲材的熔點上昇，能抑制硬銲材的流動性降低。其結果，能提升陶瓷基板11與電路層12的接合性。
基於這樣的理由，當使Cu-P系硬銲材中含有Ni、Cr、Fe、Mn當中的其中1種或2種以上的情形下，它們 的合計含有量係被設定成2mass%以上20mass%以下之範圍內。
(Zn：0.5mass%以上50mass%以下)
Zn為具有使硬銲材的耐氧化性提升之作用效果的元素。
若Zn的含有量達0.5mass%以上，能夠充分地確保硬銲材的耐氧化性，能提升接合性。此外，若Zn含有量在50mass%以下，則會防止形成許多脆的金屬間化合物，能確保陶瓷基板11與電路層12的接合可靠性。
基於這樣的理由，當使Cu-P系硬銲材中含有Zn的情形下，其含有量係被設定成0.5mass%以上50mass%以下之範圍內。
作為Cu-P系硬銲材，具體而言可舉出Cu-P硬銲材、Cu-P-Sn系硬銲材、Cu-P-Sn-Ni系硬銲材、Cu-P-Zn系硬銲材、Cu-P-Sn-Mn系硬銲材、Cu-P-Sn-Cr系硬銲材、Cu-P-Sn-Fe系硬銲材等。本實施形態中，使用Cu-P-Sn-Ni硬銲材24。
此外，本實施形態中使用之Cu-P-Sn-Ni硬銲材24的組成，具體而言是訂為Cu-7mass% P-15mass% Sn-10mass% Ni。此處，Cu-P-Sn-Ni硬銲材24為箔狀，其厚度訂為5μm以上150μm以下。
活性金屬材，例如訂為含有Ti、Zr、Nb、Hf這類活性元素的其中1種或2種以上者。此外，活性金屬 材的形狀訂為箔或粉末等。
第一實施形態中，作為活性金屬材是使用Ti箔25，Ti箔25的厚度訂為6μm以上25μm以下。此外，Ti箔25亦可做成純度99.4%以上，本實施形態中是使用純度99.8%的Ti箔。
也就是說，第一實施形態中，電路層12，是在陶瓷基板11的第一面將Cu-P-Sn-Ni硬銲材24、Ti箔25、由無氧銅所構成之Cu板22予以層積的狀態下，將它們做加熱處理，藉此接合Cu板22，而形成(參照圖5)。
另，電路層12的厚度設定在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，本實施形態中是設定為0.6mm。
圖3揭示陶瓷基板11與電路層12的接合界面之電子顯微鏡照片及其概略圖。在陶瓷基板11與電路層12的接合界面，如圖3所示，形成有位於陶瓷基板11側之Cu-Sn層14(Cu層)、及位於電路層12與Cu-Sn層14之間之Ti層15。
又，在電路層12與Ti層15之間，形成有由Cu與Ti所構成之第一金屬間化合物層16。此外，在Cu-Sn層14與Ti層15之間，形成有含有P及Ni之第二金屬間化合物層17。
Cu-Sn層14，為Sn固溶於Cu中而成之層。該Cu-Sn層14，是藉由Cu-P-Sn-Ni硬銲材24中含有的P及Ni，被攝入至形成於Ti層15側的第二金屬間化合物層17中而形成之層。
Ti層15如上述般，是藉由將陶瓷基板11與Cu板22隔著Cu-P-Sn-Ni硬銲材24及Ti箔25予以接合而形成之層。
第一金屬間化合物層16，是藉由電路層12的Cu及Ti層15的Ti相互擴散而形成之層。此處，Cu與Ti的擴散，係訂為固相擴散。
第二金屬間化合物層17，是藉由Cu-P-Sn-Ni硬銲材24中含有的P及Ni，與Ti箔25中含有的Ti鍵結而形成。本實施形態中，第二金屬間化合物層17如圖3所示，具有Cu-Sn層14側依序形成之，P-Ni-Ti層17a、及P-Ti層17b、及Cu-Ni-Ti層17c。
半導體元件3是由Si等半導體材料所構成。該半導體元件3與電路層12，是隔著接合層2而接合。
接合層2，例如是訂為Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系之銲料材。
接下來，參照圖4之流程圖及圖5，說明本實施形態之功率模組用基板10、及功率模組1的製造方法。
首先，如圖5所示，在陶瓷基板11的一方之面亦即第一面(圖5中的上面)，依序層積Cu-P-Sn-Ni硬銲材24、Ti箔25、及欲作為電路層12之Cu板22(層積工程S01)。也就是說，在陶瓷基板11與Cu板22之間，於陶瓷基板11側配置Cu-P-Sn-Ni硬銲材24，於Cu板22側配置Ti箔25。
另，本實施形態中，是使用厚度20μm的Cu-P-Sn-Ni硬銲材24，及厚度7μm、純度99.8%的Ti箔25。
接下來，在將陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni硬銲 材24、Ti箔25、及Cu板22於層積方向加壓(壓力1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下))的狀態下，裝入真空加熱爐內並加熱(加熱處理工程S02)。此處，本實施形態中，是將真空加熱爐內的壓力設定為10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定為600℃以上650℃以下的範圍內，加熱時間設定為30分鐘以上360分鐘以下的範圍內。
該加熱處理工程S02中，Ti箔25與Cu板22 因固相擴散而接合，且Cu-P-Sn-Ni硬銲材24熔融而形成液相，藉由該液相凝固，陶瓷基板11與Ti箔25被接合。此時，在Cu板22(電路層12)與Ti箔25(Ti層15)的接合界面，形成由Ti與Cu所構成之第一金屬間化合物層16。此外，Cu-P-Sn-Ni硬銲材24中含有的P及Ni，會與Ti箔25的Ti鍵結，而形成第二金屬間化合物層17，且在陶瓷基板11側，會形成不含有P及Ni或者是P及Ni非常少量之Cu-Sn層14。此處，被固相擴散接合的Ti箔25與Cu板22的接合面，是事先做成平滑的面。
如此一來，便在陶瓷基板11的第一面形成電路層12，製造出本實施形態之功率模組用基板10。
接下來，在功率模組用基板10的電路層12 的上面，隔著銲料材將半導體元件3接合(半導體元件接合工程S03)。
像這樣，便製造出本實施形態之功率模組1。
做成以上般構成之本實施形態之功率模組用基板10的製造方法，係具備：層積工程S01，隔著Ti箔25(活性金屬材)及Cu-Sn-Ni-P硬銲材24(Cu-P系硬銲材)，將陶瓷基板11與Cu板22層積；及加熱處理工程S02，將層積的陶瓷基板11及Cu板22做加熱處理。因此，加熱處理工程S02中，Ti箔25會與Cu-Sn-Ni-P硬銲材24中含有的P及Ni鍵結，而在電路層12側形成第二金屬間化合物層17，而P會被攝入該第二金屬間化合物層17。其結果，在陶瓷基板11側會形成Cu-Sn層14(Cu層)。也就是說，由於在陶瓷基板11與Cu-Sn層14的接合界面不會形成硬的金屬間化合物層，故陶瓷基板11與電路層12的接合率會提升，能良好地接合陶瓷基板11與電路層12。
此外，隔著Cu-Sn-Ni-P硬銲材24將陶瓷基板11與電路層12接合。該Cu-Sn-Ni-P硬銲材24由於熔點低，故能夠相對較低溫將陶瓷基板11與電路層12接合。其結果，於接合時能夠減輕施加在陶瓷基板11的熱負荷。
此外，加熱處理工程S02中，當加熱溫度為600℃以上的情形下，在陶瓷基板11與Cu板22的接合界面，能夠使Cu-P-Sn-Ni硬銲材24確實地熔融。同時，能 將Ti箔25與Cu板22充分地固相擴散接合，故可將陶瓷基板11與Cu板22確實地接合。此外，當加熱溫度為650℃以下的情形下，能夠抑制陶瓷基板11熱劣化。同時，能夠減低在陶瓷基板11產生的熱應力。基於這樣的理由，本實施形態中，加熱溫度是被設定為600℃以上650℃以下之範圍內。另，加熱溫度亦可被設定為630℃以上650℃以下之範圍內。
此外，加熱處理工程S02中，當對層積的陶 瓷基板11等施加之壓力達1kgf/cm2(0.10MPa)以上的情形下，能夠使陶瓷基板11與Cu-P-Sn-Ni硬銲材24的液相密合，故能將陶瓷基板11與Cu-Sn層14良好地接合。又，當施加之壓力達1kgf/cm2以上的情形下，會抑制在Ti箔25與Cu板22之間產生間隙，而能夠固相擴散接合。此外，當施加之壓力在35kgf/cm2(3.43MPa)以下的情形下，能夠抑制在陶瓷基板11發生破裂。基於這樣的理由，本實施形態中，對層積的陶瓷基板11等施加之壓力是被設定為1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下)之範圍內。另，該壓力亦可被設定為3kgf/cm2以上18kgf/cm2以下(0.29MPa以上1.77MPa以下)。
又，加熱處理工程S02中，當加熱時間達30 分鐘以上的情形下，在陶瓷基板11與Cu板22的接合界面，便會充分地確保熔融之Cu-P-Sn-Ni硬銲材24中含有的P與Ti箔中含有的Ti鍵結之時間，而可在陶瓷基板11 側確實地形成Cu-Sn層。此外，當加熱時間達30分鐘以上的情形下，能將Ti箔25與Cu板22充分地固相擴散接合，故可將陶瓷基板11與Cu板22確實地接合。此外，即使加熱時間超過360分鐘，也不會比加熱時間為360分鐘時更提升陶瓷基板11與電路層12的接合性。此外，若加熱時間超過360分鐘，則生產性會降低。基於這樣的理由，本實施形態中，加熱時間是被設定為30分鐘以上360分鐘以下之範圍內。另，亦可將加熱時間訂為30分鐘以上150分鐘以下。
此外，Ti箔25與Cu板22的被接合之面，是事先做成平滑的面，故能夠抑制在接合界面產生間隙，能將Ti箔25與Cu板22確實地接合。
此外，依本實施形態之方法製造出的功率模 組用基板10及功率模組1，是在陶瓷基板11的第一面形成有由Cu板22所構成之電路層12，故能將來自半導體元件3的熱擴散而逸散至陶瓷基板11側。此外，由於Cu板22的抗形變性(deformation resistance)大，故當負載熱循環時，會抑制電路層12的變形。其結果，能夠抑制將半導體元件3與電路層12接合之接合層2的變形，能提升接合可靠性。
(第二實施形態)
接下來，說明本發明之第二實施形態。另，有關與第一實施形態同樣之構成，係標注同一符號並省略詳細說 明。
圖6揭示具備第二實施形態之功率模組用基板110的功率模組101。
該功率模組101具備：功率模組用基板110，在陶瓷基板11的第一面上配設有電路層112；及半導體元件3，在電路層112的一方之面(圖6中的上面)隔著接合層2而接合；及散熱座130，配置於功率模組用基板110的另一方側(圖6中的下側)。
功率模組用基板110，如圖7所示，具備：陶瓷基板11；及電路層112(Cu構件)，配設於該陶瓷基板11的一方之面亦即第一面(圖7中的上面)；及金屬層113(Cu構件)，配設於陶瓷基板11的另一方之面亦即第二面(圖7中的下面)。
電路層112，如同第一實施形態般，是在陶瓷基板11的第一面將Cu-P-Sn-Ni硬銲材24(Cu-P系硬銲材)、Ti箔125(活性金屬材)、由無氧銅所構成之Cu板122予以依序層積的狀態下，將它們做加熱處理，藉此接合Cu板122，而形成(參照圖11)。此處，第二實施形態中，Ti箔125的厚度係訂為0.5μm以上5μm以下。
另，電路層112的厚度設定在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，第二實施形態中是設定為0.6mm。
圖8揭示陶瓷基板11與電路層112的接合界面之電子顯微鏡照片及其概略圖。在陶瓷基板11與電路層112的接合界面，如圖8所示，形成有位於陶瓷基板11 側之Cu-Sn層114、及位於電路層112與Cu-Sn層114之間且含有P、Ni、及Ti之金屬間化合物層117。
Cu-Sn層114，為Sn固溶於Cu中而成之層。 該Cu-Sn層114，是藉由Cu-P-Sn-Ni硬銲材24中含有的P及Ni，被攝入至形成於電路層112側的金屬間化合物層117中而形成之層。
金屬間化合物層117，是藉由Cu-P-Sn-Ni硬 銲材24中含有的P及Ni，與Ti箔125中含有的Ti鍵結而形成。金屬間化合物層117，具有P-Ni-Ti相117a、及P-Ti相117b、及Cu-Ni-Ti相117c的其中一種以上。
本實施形態中，金屬間化合物層117如圖8所示，具有P-Ni-Ti相117a、及P-Ti相117b、及Cu-Ni-Ti相117c。
也就是說，本實施形態中，由於Ti箔125比第一實施形態來得薄，故實質上並未形成第一實施形態中所形成之Ti層。因此，金屬間化合物層117中，會交雜有P-Ni-Ti相117a、及P-Ti相117b、及Cu-Ni-Ti相117c當中的一種以上的相。
金屬層113，是藉由在陶瓷基板11的第二 面，隔著Cu-P系硬銲材接合Cu或Cu合金之金屬板而形成。第二實施形態中，金屬層113，是在陶瓷基板11的第二面將Cu-P-Sn-Ni硬銲材24、Ti箔125、純度99.99質量%以上之Cu板123予以層積的狀態下，將它們做加熱處理，藉此接合Cu板123，而形成(參照圖11)。
該金屬層113的厚度設定在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，本實施形態中是設定為0.6mm。
圖9揭示陶瓷基板11與金屬層113的接合界 面之概略圖。本實施形態中，在陶瓷基板11與金屬層113的接合界面，如圖9所示，形成有位於陶瓷基板11側之Cu-Sn層114、及位於金屬層113與Cu-Sn層114之間且含有P、Ni、及Ti之金屬間化合物層117。該金屬間化合物層117，具有P-Ni-Ti相117a、及P-Ti相117b、及Cu-Ni-Ti相117c。
也就是說，該陶瓷基板11與金屬層113的接合界面，和上述陶瓷基板11與電路層112的接合界面是成為同樣的構造。
散熱座130係用來使來自前述功率模組用基 板110的熱逸散。該散熱座130由Cu或Cu合金所構成，本實施形態中是由無氧銅所構成。在該散熱座130，設有用來讓冷卻用流體流通之通路131。另，本實施形態中，散熱座130與金屬層113，是藉由由銲料材所構成之銲料層132而接合。
接下來，參照圖10之流程圖及圖11，說明本 實施形態之功率模組101的製造方法。
首先，如圖11所示，在陶瓷基板11的第一面(圖11中的上面)，依序層積Cu-P-Sn-Ni硬銲材24、Ti箔125、及欲作為電路層112之Cu板122(第一層積工程S11)，且在陶瓷基板11的第二面(圖11中的下面)， 依序層積Cu-P-Sn-Ni硬銲材24、Ti箔125、及欲作為金屬層113之Cu板123(第二層積工程S12)。也就是說，在陶瓷基板11與Cu板122、123之間，於陶瓷基板11側配置Cu-P-Sn-Ni硬銲材24，於Cu板122、123側配置Ti箔125。另，本實施形態中，Cu-P-Sn-Ni硬銲材24的組成是訂為Cu-7mass% P-15mass% Sn-10mass% Ni，厚度訂為20μm。此外，作為Ti箔125是使用厚度1μm、純度99.8%的Ti箔。
接下來，在將陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni硬銲 材24、Ti箔125、及Cu板122、123於層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10MPa以上3.43MPa以下))的狀態下，裝入真空加熱爐內並加熱(加熱處理工程S13)。此處，第二實施形態中，是將真空加熱爐內的壓力設定為10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定為600℃以上650℃以下的範圍內，加熱時間設定為30分鐘以上360分鐘以下的範圍內。
該加熱處理工程S13中，Cu-P-Sn-Ni硬銲材 24熔融而形成液相，該液相會溶入Ti箔125，藉由該液相凝固，陶瓷基板11與Cu板122、123被接合。此時，Cu-P-Sn-Ni硬銲材24中含有的P及Ni，會與Ti箔125的Ti鍵結，而形成金屬間化合物層117。同時，在陶瓷基板11側，會形成不含有P及Ni或者是P及Ni非常少量之Cu-Sn層14。
如此一來，便在陶瓷基板11的第一面形成電路層 112，在第二面形成金屬層113，製造出本實施形態之功率模組用基板110。
接著，在功率模組用基板110的金屬層113 的下面，隔著銲料材將散熱座130接合(散熱座接合工程S14)。
接下來，在功率模組用基板110的電路層112的上面，隔著銲料材將半導體元件3接合(半導體元件接合工程S15)。
像這樣，便製造出本實施形態之功率模組101。
按照做成以上般構成之本實施形態之功率模組用基板110的製造方法，如同第一實施形態所說明般，在陶瓷基板11與電路層112的接合界面、及陶瓷基板11與金屬層113的接合界面，不會於陶瓷基板11與Cu-Sn層114的接合界面形成硬的金屬間化合物層。因此，陶瓷基板11與電路層112、及陶瓷基板11與金屬層113的接合率會提升，能將陶瓷基板11與電路層112、及陶瓷基板11與金屬層113良好地接合。
此外，能夠在陶瓷基板11的第一面將電路層112、在第二面將金屬層113同時接合，故能減低製造成本。
此外，功率模組用基板110中，在陶瓷基板11的第二面形成有由Cu板123所構成之金屬層113，故能使來自半導體元件3的熱，經由金屬層113有效率地逸散。
此外，第二實施形態之功率模組用基板110中，在金 屬層113接合有散熱座130，故能從散熱座130有效率地將熱逸散。
(第三實施形態)
接下來，說明本發明之第三實施形態。另，有關與第一實施形態同樣之構成者，係標注同一符號並省略詳細說明。
圖12揭示具備第三實施形態之功率模組用基板210的功率模組201。
該功率模組201具備：功率模組用基板210，在陶瓷基板11的第一面上配設有電路層212；及半導體元件3，在電路層212的一方之面(圖12中的上面)隔著接合層2而接合；及散熱座230，在功率模組用基板210的另一方側(圖12中的下側)隔著接合層232而接合。
功率模組用基板210，如圖13所示，具備： 陶瓷基板11；及電路層212(Cu構件)，配設於該陶瓷基板11的一方之面亦即第一面(圖13中的上面)；及金屬層213(Al構件)，配設於陶瓷基板11的另一方之面亦即第二面(圖13中的下面)。
電路層212，是在陶瓷基板11的第一面將 Cu-P-Sn-Ni硬銲材24(Cu-P系硬銲材)、Ti膏225、由無氧銅所構成之Cu板222予以依序層積的狀態下，將它們做加熱處理，藉此接合Cu板222，而形成(參照圖16)。此處，Ti膏225例如為含有Ti粉末(活性金屬 材)、樹脂、及溶劑之膏。
作為樹脂，例如能夠使用乙基纖維素(ethyl cellulose)、甲基纖維素(methyl cellulose)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)、丙烯酸樹脂(acryl resin)、醇酸樹脂(alkyd resin)等。此外，作為溶劑，例如能夠使用甲基賽珞蘇(methyl cellosolve)、乙基賽珞蘇(ethyl cellosolve)、萜品醇(terpineol)、甲苯(toluene)、Texanol®酯醇、檸檬酸三乙酯(triethyl citrate)等。
此外，Ti粉末亦可訂為純度99.4%以上，本實施形態中是訂為純度99.7%。
另，電路層212的厚度設定在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，第三實施形態中是設定為0.3mm。
又，在陶瓷基板11與電路層212的接合界 面，如圖14所示，形成有Cu-Sn層214(Cu層)。又，在該Cu-Sn層214中，散佈著含有P、Ni、及Ti之金屬間化合物217。
Cu-Sn層214，為Sn固溶於Cu中而成之層。 該Cu-Sn層214，是藉由Cu-P-Sn-Ni硬銲材24中含有的P及Ni，被攝入至金屬間化合物217中而形成之層。
金屬間化合物217，是藉由Cu-P-Sn-Ni硬銲 材24中含有的P及Ni，與Ti粉末的Ti鍵結而形成。本實施形態中，金屬間化合物217如圖14所示，具有Cu-Ni-Ti相217c、P-Ti相217b、P-Ni-Ti相217a。該些相， 是Cu-Ni-Ti相217c、P-Ti相217b、及P-Ni-Ti相217a以包圍存在於Cu-Sn層214中的Ti粒子218之方式，從內側依序形成為年輪狀。另，亦有不存在該Ti粒子218，而僅有金屬間化合物217形成為年輪狀者。
此外，構成該形成為年輪狀的金屬間化合物217之Cu-Ni-Ti相217c、P-Ti相217b、及P-Ni-Ti相217a，亦可能呈部份消失而不連續。
金屬層213，是藉由在陶瓷基板11的第二 面，接合Al或Al合金之金屬板而形成。第三實施形態中，金屬層213，是藉由在陶瓷基板11的第二面接合純度99.99質量%以上之Al板223而形成(參照圖16)。
該金屬層213的厚度設定在0.1mm以上3.0mm以下的範圍內，本實施形態中是設定為1.6mm。
散熱座230由Al或Al合金所構成，本實施 形態中是由A6063(Al合金)所構成。在該散熱座230，設有用來讓冷卻用流體流通之通路231。另，該散熱座230與金屬層213，是藉由Al-Si系硬銲材而接合。
接下來，參照圖15之流程圖及圖16，說明本 實施形態之功率模組201的製造方法。
首先，如圖16所示，在欲作為電路層212之 Cu板222的下面(接合面)，藉由網版印刷法塗布Ti膏225後，使其乾燥。在陶瓷基板11的第一面(圖16中的上面)，依序層積Cu-P-Sn-Ni硬銲材24、Cu板222(第一層積工程S21)，且在陶瓷基板11的第二面(圖16中 的下面)，隔著接合材227依序層積欲作為金屬層213之Al板223(第二層積工程S22)。然後，又在Al板223的下側，隔著接合材242層積散熱座230(第三層積工程S23)。此處，第一層積工程S21中，在Cu板222上塗布及乾燥之Ti膏225是與Cu-P-Sn-Ni硬銲材24以重疊之方式配置。
本實施形態中，該Ti膏225中含有的Ti粉的粒徑係訂為5μm以上40μm以下。此外，Ti膏225中的Ti粉的含有量較佳是訂為40質量%以上90質量%以下。
此外，Ti膏225，理想是以Ti量成為2mg/cm2以上10mg/cm2以下之方式來塗布。
此外，乾燥較佳是在120℃以上150℃以下，以10分鐘以上30分鐘以下的範圍來進行。
另，接合材227、242，在本實施形態中是訂為含有熔點降低元素亦即Si之Al-Si系硬銲材，第三實施形態中是使用Al-7.5mass% Si硬銲材。
此外，本實施形態中，Cu-P-Sn-Ni硬銲材24的組成是訂為Cu-7mass% P-15mass% Sn-10mass% Ni，厚度為20μm。
接下來，在將陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni硬銲材24、Ti膏225、Cu板222、接合材227、Al板223、接合材242、及散熱座230於層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10MPa以上3.43MPa以下))的狀態下，裝入真空加熱爐內並加熱(加熱處理工程S24)。此處，第 三實施形態中，是將真空加熱爐內的壓力設定為10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定為600℃以上650℃以下的範圍內，加熱時間設定為30分鐘以上360分鐘以下的範圍內。
該加熱處理工程S24中，Cu-P-Sn-Ni硬銲材 24熔融而形成液相，該液相會溶入Ti膏225並凝固，藉此陶瓷基板11與Cu板222被接合。此外，加熱處理工程S24中，接合材227熔融而形成液相，藉由該液相凝固，陶瓷基板11與Al板223隔著接合材227被接合。又，加熱處理工程S24中，接合材242熔融而形成液相，藉由該液相凝固，Al板223與散熱座230隔著接合材242被接合。
如此一來，便製造出第三實施形態之功率模組用基板210。
接下來，在功率模組用基板210的電路層212的上面，隔著銲料材將半導體元件3接合(半導體元件接合工程S25)。
像這樣，便製造出第三實施形態之功率模組201。
做成以上般構成之第三實施形態之功率模組用基板210的製造方法，係具備：第一層積工程S21，隔著含有Ti粉末(活性金屬材)之Ti膏225及Cu-Sn-Ni-P硬銲材24，將陶瓷基板11與Cu板222層積；及加熱處理工程S24，將層積的陶瓷基板11及Cu板222做加熱處理。因此，加熱處理工程S24中，Ti粉末的Ti會與Cu- Sn-Ni-P硬銲材24中含有的P及Ni鍵結而形成金屬間化合物217，而P會被攝入該金屬間化合物217，藉此形成Cu-Sn層214。此時，金屬間化合物217散佈於Cu-Sn層214中，在陶瓷基板11與Cu-Sn層214的接合界面不會形成硬的金屬間化合物層，故陶瓷基板11與電路層212的接合率會提升，能良好地接合陶瓷基板11與電路層212。
此外，由於是做成在陶瓷基板11的第一面將 電路層212、在第二面將金屬層213同時接合，且亦將散熱座230同時接合至金屬層213，故會簡化製造工程且縮短製造所需時間，能減低製造成本。又，藉由一次的加熱處理便能將Cu板222與Al板223接合，故相較於將Cu板222與Al板223分別接合之情形，能夠減低對陶瓷基板11施加之熱負荷。因此，可減小陶瓷基板11的翹曲，或抑制陶瓷基板11的破裂發生。
此外，第三實施形態之功率模組用基板210 中，由於Al的抗形變性相對較低，故當負載冷熱循環時，在功率模組用基板210與散熱座230之間產生的熱應力會被金屬層213吸收，而能抑制在陶瓷基板11發生破裂。
此外，由於在陶瓷基板11的第二面形成有由Al板223所構成之金屬層213，故當負載熱循環時，在功率模組用基板210與散熱座230之間產生的熱應力會被金屬層213吸收，而能抑制在陶瓷基板11發生破裂。
以上已說明本發明之實施形態，但本發明並 非限定於此，在不脫離其發明之技術思想範圍內可適當變更。
另，第三實施形態中，係說明在塗布Ti膏時 使用網版印刷法之情形，但還能採用平版印刷法(offset printing)、感光性製程等種種手段。
此外，第三實施形態中，係說明將Ti膏225配置於Cu板222側，將Cu-P-Sn-Ni硬銲材24配置於陶瓷基板11側之情形，但亦可構成為將Ti膏225配置於陶瓷基板11側，將Cu-P-Sn-Ni硬銲材24配置於Cu板222側。
此外，第三實施形態中，係說明將Ti膏與Cu-P-Sn-Ni硬銲材，配置於陶瓷基板與Cu板之間之情形，但並不限定於Ti膏，例如亦可構成為將Ti粉末(活性金屬材)與Cu-P-Sn系硬銲材配置於陶瓷基板與Cu板之間。此外，亦能使用氫化Ti粉來取代Ti粉。當為運用氫化Ti粉末的Ti膏的情形下，其塗布量理想是以TiH2量成為0.04mg/cm2以上8mg/cm2以下之方式來塗布。此外，更佳是訂為0.5mg/cm2以上7mg/cm2以下。所使用的氫化Ti粉末的粒徑較佳為15μm以下，又，更佳為5μm以下。
此外，第三實施形態中，是使用箔狀的硬銲材來作為Cu-P-Sn-Ni系硬銲材，但亦可使用運用Cu-P-Sn-Ni系硬銲材粉末的硬銲材膏。該硬銲材膏，能夠藉由在上述Ti膏中，使用Cu-P-Sn-Ni系硬銲材粉末來取代Ti粉，而製作出來。
此外，第三實施形態中，亦能使用將前述硬銲材膏與Ti膏混合而成之膏(硬銲材-Ti膏)。在此情形下，硬銲材-Ti膏可塗布於陶瓷基板與Cu板的至少其中一方。
又，第三實施形態中，於第一層積工程S21，亦能進行Ti膏的脫脂。在此情形下，Ti膏中含有的樹脂的殘渣量會減少，接合性會進一步提升。
另，上述實施形態中，係說明將陶瓷基板與Al板隔著作為接合材之Al-Si系硬銲材而接合之情形，但並不限定於此，例如亦可應用暫態液相擴散接合(Transient Liquid Phase Bonding、TLP)來接合。依照暫態液相擴散接合，能夠在Al板當中與陶瓷基板之接合面上，藉由濺鍍法等將Si、Cu等添加元素予以固著而形成固著層後，再將陶瓷基板與Al板層積，於層積方向加壓，進行加熱處理，藉此將陶瓷基板與Al板接合。也就是說，依照暫態液相擴散接合，能夠將陶瓷基板與Al板隔著作為接合材之固著層而層積，而將Cu板與Al板同時接合。
暫態液相擴散接合中，於層積方向加壓時的壓力，訂為1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下)。此外，加熱處理中的加熱溫度及加熱時間，訂為600℃以上650℃以下、30分鐘以上360分鐘以下。
另，固著層的添加元素，除Si、Cu外，亦可使用Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga、或Li等添加元素。
此外，藉由使用具有金屬粒子及有機物之金 屬膏來作為接合材，亦能將陶瓷基板與Al板接合。作為金屬膏，例如可舉出具有Ag粒子及有機物之Ag膏。具體而言，能夠在陶瓷基板的第二面藉由網版印刷法等塗布Ag膏，然後隔著Ag膏將陶瓷基板與Al板層積並進行加熱處理，藉此將Al板接合至陶瓷基板。當使用Ag膏來接合的情形下，於層積方向加壓時的壓力，訂為1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(0.10MPa以上3.43MPa以下)。此外，加熱處理中的加熱溫度及加熱時間，訂為600℃以上650℃以下、30分鐘以上360分鐘以下。
此外，上述實施形態中，係說明將金屬層與散熱座隔著Al-Si系硬銲材而接合之情形，但並不限定於此，例如亦可應用上述暫態液相擴散接合(TLP)，隔著固著層將金屬層與散熱座接合。此外，亦可隔著具有Ag粒子及有機物之Ag膏將金屬層與散熱座接合。
此外，第二實施形態及第三實施形態中，係說明在陶瓷基板的第一面將電路層、在第二面將金屬層同時接合之情形，但亦可將電路層與金屬層分別接合。
此外，第一實施形態及第二實施形態中，係說明使用Ti箔之情形，但亦能使用在Cu構件的一方之面配設有活性金屬材之Cu構件/活性金屬鎧裝(clad)材。此外，亦能在Cu構件上藉由蒸鍍等配設活性金屬來使用。
又，亦能使用在活性金屬材的一方之面配設有Cu-P-Sn系硬銲材之活性金屬材/硬銲材鎧裝材，或使用依序層積有Cu構件、活性金屬材、Cu-P-Sn系硬銲材而成之Cu 構件/活性金屬材/硬銲材鎧裝。
又，作為散熱座係說明具有冷卻用通路者，但散熱座的構造並無特別限定，例如亦可為空冷方式的散熱座。此外，散熱座亦可具有散熱鰭片。
此外，上述實施形態中，係說明在功率模組用基板的另一方之面將散熱座接合之情形，但散熱座亦可不被接合。
此外，上述實施形態中，係說明將功率模組用基板與散熱座藉由銲料材或硬銲材來接合之情形，但亦可在功率模組用基板與散熱座之間塗布潤滑脂而藉由螺固等來將它們固定。
[實施例] (實施例1)
以下說明為確認本發明之實施形態的效果而進行之確認實驗(實施例1)的結果。
在表1及表2記載之陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面，層積具有表1及表2所示厚度之活性金屬材(37mm×37mm)、Cu-P系硬銲材箔(37mm×37mm×厚度40μm)、由無氧銅所構成之Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。另，當陶瓷基板的材質為AlN的情形下訂為厚度0.635mm，當材質為Si3N4的情形下訂為0.32mm。
另，當活性金屬材的種類為粉末的情形下，將含有該 活性金屬粉末之膏藉由網版印刷法塗布於陶瓷基板或Cu板並層積。此處，膏係訂為含有粒徑5~40μm之活性金屬材粉末(純度99.8%的Ti粉末)、及丙烯酸樹脂、及Texanol®酯醇者。塗布量訂為表2記載之量。此外，活性金屬材與Cu-P系硬銲材的配置，是訂為表1及表2所示配置。
另，有關比較例1，是構成為在陶瓷基板與Cu板之間並不介有活性金屬材，而僅介有Cu-P系硬銲材。
然後，於層積方向以壓力15kgf/cm2(1.47MPa)加壓的狀態下裝入真空加熱爐內，並藉由加熱將Cu板接合至陶瓷基板的第一面，形成電路層。此處，將真空加熱爐內的壓力訂為10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度及加熱時間設定為表1及表2的條件。另，當Cu-P系硬銲材中含有Zn的情形下，不以真空加熱爐加熱，而是在氮氣環境進行加熱。
如此，得到本發明例1~32、比較例1~3之功率模組用基板。
對於如上述般得到的功率模組用基板，評估電路層與陶瓷基板的初始接合率。此外，針對本發明例1~21、比較例1~3之功率模組用基板，確認在電路層與陶瓷基板的接合界面有無活性金屬層。接合率的評估方法、及有無活性金屬層的確認方法說明如下。
(接合率評估)
對於功率模組用基板，針對陶瓷基板與電路層的交界面接合率，利用超音波探傷裝置(日立電力解決方案公司製FineSAT200)來評估，由以下式子算出接合率。
此處，所謂初始接合面積，係指接合前的應接合面積，本實施例中是訂為電路層的面積(37mm×37mm)。對超音波探傷像做二值化(binarization)處理而得之圖像中，剝離係以接合部內的白色部分表示，故將該白色部面積作為剝離面積。
(接合率(%))={(初始接合面積)-(剝離面積)}/(初始接合面積)×100
(有無活性金屬層之確認方法)
此外，在電路層與陶瓷基板的接合界面(平行於層積方向之截面)，以EPMA(electron probe micro analyser；電子探針顯微分析儀，日本電子公司製JXA-8530F)取得活性金屬材的元素映射，確認有無活性金屬層。
如表1及表2所示，針對本發明例1~32，是介著Cu-P系硬銲材及活性金屬材來將陶瓷基板與Cu板接合，因此陶瓷基板與電路層的初始接合率高，證實其被良好地接合。
另一方面，比較例1中，將陶瓷基板與Cu板接合時並未介著活性金屬材來進行接合，因此無法將陶瓷基板與Cu板(電路層)接合。
此外，比較例2及比較例3中，Cu-P系硬銲材中含有的P含有量落在本發明範圍外，因此陶瓷基板與電路層的接合率較本發明例來得差。
(實施例2)
接下來，說明為確認本發明之實施形態的效果而進行之確認實驗(實施例2)的結果。
在表3及表4記載之陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面及第二面，層積具有表3及表4所示厚度之活性金屬材(37mm×37mm)、Cu-P系硬銲材箔(37mm×37mm×厚度40μm)、由無氧銅所構成之Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。當陶瓷基板的材質為AlN的情形下訂為厚度0.635mm，當材質為Si3N4的情形下訂為0.32mm。另，當活性金屬材的種類為粉末的情形下，如同實施例1般，將含有該活性金屬粉末之膏藉由網版印刷法塗布於陶瓷基板或Cu板並層積。活性金屬材與Cu-P系硬銲材的配置，是訂為表3及表4所示配置。
然後，於層積方向以壓力15kgf/cm2(1.47 MPa)加壓的狀態下裝入真空加熱爐內，並藉由加熱將Cu板接合至陶瓷基板的第一面及第二面，形成電路層及金屬層。此處，將真空加熱爐內的壓力訂為10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度及加熱時間訂為表3及表4所示條件。另，當Cu-P系硬銲材中含有Zn的情形下，不以真空加熱爐加熱，而是在氮氣環境進行加熱。
如此，得到本發明例41~60之功率模組用基板。
對於如上述般得到的功率模組用基板，測定電路層與陶瓷基板的初始接合率，及冷熱循環試驗後的接合率。又，冷熱循環試驗中，測定直到在功率模組用基板的陶瓷基板發生破裂為止的次數。此外，針對本發明例41~49之功率模組用基板，確認在電路層與陶瓷基板的接合界面有無活性金屬層。
另，接合率的評估、及有無活性金屬層的確認，是如同實施例1般進行。此外，冷熱循環試驗是以下述方式進行。
(冷熱循環試驗)
冷熱循環試驗，是使用espec公司製TSB-51冷熱衝撃試驗機，對功率模組用基板，在液相(FluorinertTM)下，以-40℃下5分鐘及150℃下5分鐘的循環作為1次循環，並實施2000次循環。另，針對冷熱循環試驗進行2000次循環後仍未在陶瓷基板發生破裂的功率模組用基 板，於表3、4中記載「>2000」。
以上評估結果如表3及表4所示。
如表3及表4所示，針對本發明例41~60， 是介著Cu-P系硬銲材及活性金屬材來將陶瓷基板與Cu板接合。因此，陶瓷基板與電路層的初始接合率高，證實其被良好地接合。此外，本發明例41~60中，冷熱循環試驗後的接合率亦高，證實其接合可靠性高。又，本發明例41~60中，於冷熱循環試驗中，直到在陶瓷基板發生破裂為止的循環次數較多，亦證實難以在陶瓷基板發生破裂。
(實施例3)
接下來，說明為確認本發明之實施形態的效果而進行之確認實驗(實施例3)的結果。
在表5及表6記載之陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面，層積具有表5及表6所示厚度或組成之活性金屬材(37mm×37mm)、Cu-P系硬銲材箔(37mm×37mm×厚度40μm)、由無氧銅所構成之Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。另，當陶瓷基板的材質為AlN的情形下訂為厚度0.635mm，當材質為Si3N4的情形下訂為0.32mm。此外，在陶瓷基板的第二面，隔著Al-Si系硬銲材層積由純度99.99%的Al所構成之Al板(37mm×37mm×厚度1.6mm)。另，當活性金屬材的種類為粉末的情形下，如同實施例1般，將含有該活性金屬粉末之膏藉由網版印刷法塗布於陶瓷基板或Cu板並層積。活性金屬材與Cu-P系 硬銲材的配置，是訂為表5及表6所示配置。
然後，於層積方向以壓力15kgf/cm2(1.47 MPa)加壓的狀態下裝入真空加熱爐內，並藉由加熱將Cu板接合至陶瓷基板的第一面而形成電路層，將Al板接合至第二面而形成金屬層。此處，將真空加熱爐內的壓力訂為10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度及加熱時間訂為表5及表6所示條件。另，當Cu-P系硬銲材中含有Zn的情形下，不以真空加熱爐加熱，而是在氮氣環境進行加熱。
另，當Cu-P系硬銲材的溫度超過Al板的熔點的情形下，是先於陶瓷基板的第一面形成電路層後，再於陶瓷基板的第二面形成金屬層。
如以上般，得到本發明例61~82之功率模組用基板。
對於如上述般得到的功率模組用基板，測定電路層與陶瓷基板的初始接合率，及冷熱循環試驗後的接合率。又，冷熱循環試驗中，測定直到在功率模組用基板的陶瓷基板發生破裂為止的次數。此外，針對本發明例61~69之功率模組用基板，確認在電路層與陶瓷基板的接合界面有無活性金屬層。另，接合率的評估、冷熱循環試驗、及有無活性金屬層的確認，是如同實施例2般實施。
以上評估結果如表5及表6所示。
如表5及表6所示，針對本發明例61~82， 是介著Cu-P系硬銲材及活性金屬材來將陶瓷基板與Cu板接合。因此，陶瓷基板與電路層的初始接合率高，證實其被良好地接合。此外，本發明例61~82中，冷熱循環試驗後的接合率亦高，證實其接合可靠性高。又，本發明例61~82中，於冷熱循環試驗中，直到在陶瓷基板發生破裂為止的循環次數較多，亦證實難以在陶瓷基板發生破裂。
[產業利用性]
按照本發明之接合體之製造方法，及功率模組用基板之製造方法，能夠良好地接合陶瓷構件與Cu構件。因此，按照本發明之接合體之製造方法，及功率模組用基板之製造方法，能夠製造用來控制風力發電、電動汽車等電動車輛等之大電力控制用的功率半導體元件這類適於使用環境嚴苛的功率模組之接合體及功率模組用基板。
1‧‧‧功率模組
2‧‧‧接合層
3‧‧‧半導體元件
10‧‧‧功率模組用基板(接合體)
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12‧‧‧電路層(Cu構件)

Claims (7)

  1. 一種接合體之製造方法，係由陶瓷所構成之陶瓷構件、及由Cu或Cu合金所構成之Cu構件接合而成的接合體之製造方法，其特徵為，具備：層積工程，將前述陶瓷構件與前述Cu構件，隔著含有P為3mass%以上10mass%以下之Cu-P系硬銲材、以及活性金屬材而層積；及加熱處理工程，將層積的前述陶瓷構件及前述Cu構件做加熱處理。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之接合體之製造方法，其中，前述層積工程中，在前述陶瓷構件側配置前述Cu-P系硬銲材，在前述Cu構件側配置前述活性金屬材。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之接合體之製造方法，其中，前述Cu-P系硬銲材，為由Cu-P硬銲材、Cu-P-Sn硬銲材、Cu-P-Sn-Ni硬銲材、Cu-P-Zn硬銲材當中選擇之其中1種。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之接合體之製造方法，其中，前述活性金屬材含有Ti。
  5. 一種功率模組用基板之製造方法，係在陶瓷基板的第一面配設有由Cu或Cu合金所構成的電路層之功率模組用基板之製造方法，其特徵為：將前述陶瓷基板與前述電路層，藉由申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之接合體之製造方法來接合。
  6. 一種功率模組用基板之製造方法，係在陶瓷基板的 第一面配設有由Cu或Cu合金所構成的電路層，在第二面配設有由Cu或Cu合金所構成的金屬層之功率模組用基板之製造方法，其特徵為：將前述陶瓷基板與前述電路層、及前述陶瓷基板與前述金屬層，藉由申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之接合體之製造方法來接合。
  7. 一種功率模組用基板之製造方法，係在陶瓷基板的第一面配設有由Cu或Cu合金所構成的電路層，在第二面配設有由Al或Al合金所構成的金屬層之功率模組用基板之製造方法，其亦可構成為，將前述陶瓷基板與前述電路層，藉由申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之接合體之製造方法來接合。
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