TW201542496A - 銅／陶瓷接合體及電源模組用基板 - Google Patents

銅／陶瓷接合體及電源模組用基板 Download PDF

Info

Publication number
TW201542496A
TW201542496A TW104104739A TW104104739A TW201542496A TW 201542496 A TW201542496 A TW 201542496A TW 104104739 A TW104104739 A TW 104104739A TW 104104739 A TW104104739 A TW 104104739A TW 201542496 A TW201542496 A TW 201542496A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
copper
ceramic
active element
substrate
layer
Prior art date
Application number
TW104104739A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI567047B (zh
Inventor
Nobuyuki Terasaki
Yoshiyuki Nagatomo
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2014052594A external-priority patent/JP5825380B2/ja
Priority claimed from JP2014136567A external-priority patent/JP5828352B2/ja
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Publication of TW201542496A publication Critical patent/TW201542496A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI567047B publication Critical patent/TWI567047B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4803—Insulating or insulated parts, e.g. mountings, containers, diamond heatsinks
    • H01L21/4807—Ceramic parts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/025—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of glass or ceramic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/003—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating by means of an interlayer consisting of a combination of materials selected from glass, or ceramic material with metals, metal oxides or metal salts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
    • H01L21/4814—Conductive parts
    • H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/142—Metallic substrates having insulating layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/72—Products characterised by the absence or the low content of specific components, e.g. alkali metal free alumina ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04—Ceramic interlayers
    • C04B2237/06—Oxidic interlayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/04—Ceramic interlayers
    • C04B2237/06—Oxidic interlayers
    • C04B2237/068—Oxidic interlayers based on refractory oxides, e.g. zirconia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/121—Metallic interlayers based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/343—Alumina or aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/345—Refractory metal oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/34—Oxidic
    • C04B2237/345—Refractory metal oxides
    • C04B2237/346—Titania or titanates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/366—Aluminium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/368—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/38—Fiber or whisker reinforced
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/60—Forming at the joining interface or in the joining layer specific reaction phases or zones, e.g. diffusion of reactive species from the interlayer to the substrate or from a substrate to the joining interface, carbide forming at the joining interface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/704—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the ceramic layers or articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/706—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the metallic layers or articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29111—Tin [Sn] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/325—Material
    • H01L2224/32505—Material outside the bonding interface, e.g. in the bulk of the layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/15—Ceramic or glass substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/0105—Tin [Sn]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/01—Chemical elements
    • H01L2924/01079—Gold [Au]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/014—Solder alloys

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

本發明之銅/陶瓷接合體係接合有由銅或銅合金所構成之銅構件(22)與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件(11)的銅/陶瓷接合體，於銅構件(22)與陶瓷構件(11)之接合界面形成含有活性元素與氧之活性元素氧化物層(30)，此活性元素氧化物層(30)之厚度t為5nm以上220nm以下之範圍內。

Description

銅/陶瓷接合體及電源模組用基板
本發明係有關接合由銅或銅合金所構成之銅構件與陶瓷構件所成的銅/陶瓷接合體、由此銅/陶瓷接合體所構成之電源模組用基板。
本案係於2014年2月12日依據日本申請之特願2014-024410號、2014年3月14日之日本申請之特願2014-052594號、及2014年7月2日之日本申請之特願2014-136567號主張優先權，在此引用其內容。
LED或電源模組等半導體裝置係在由導電材料所構成之電路層之上被接合半導體元件的構造。
控制風力發電、電動車、油電混合車等所使用的大電力控制用之功率半導體元件係因發熱量多，因此搭載此功率半導體元件的基板，以往即已廣泛地使用例如具備由AlN(氮化鋁)、Al2O3(氧化鋁)等所構成之陶瓷基板，以及於此陶瓷基板之一面接合導電性優異的金屬板而形成的電路層的電源模組用基板。又，電源模組用基板係提供 於陶瓷基板之另一面接合金屬板，形成金屬層者。
例如，專利文獻1提案構成電路層及金屬層之第一金屬板及第二金屬板為銅板，此銅板藉由DBC(Direct Bonding Copper)法直接接合於陶瓷基板的電源模組用基板。此DBC法係藉由利用銅與銅氧化物的共晶反應，在銅板與陶瓷基板的界面產生液相，接合銅板與陶瓷基板。
此外，專利文獻2提案在陶瓷基板之一面與另一面，藉由接合銅板形成了電路層及金屬層的電源模組用基板。此電源模組用基板係使陶瓷基板之一面及另一面，介於Ag-Cu-Ti系硬焊料(Brazing Materials)中而配置銅板，藉由進行加熱處理使銅板被接合(所謂的活性金屬硬焊法)。此活性金屬硬焊法中，使用含有活性金屬之鈦的硬焊料，因此，提高熔融的硬焊料與陶瓷基板之潤濕性，陶瓷基板與銅板變成良好地接合。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平04-162756號公報
[專利文獻2]日本特許第3211856號公報
然而，如專利文獻1所揭示，藉由DBC法接 合陶瓷基板與銅板時，有必要將接合溫度設定為1065℃以上(銅與銅氧化物之共晶點溫度以上)，因此，在接合時，有陶瓷基板劣化之疑慮。
此外，如專利文獻2所揭示，藉由活性金屬硬焊法接合陶瓷基板與銅板時，接合溫度為900℃以上之比較高的溫度，因此，仍有陶瓷基板劣化的問題。在此，使接合溫度降低時，硬焊料無法與陶瓷基板充分反應，會使陶瓷基板與銅板的界面的接合率降低，變得無法提供可信賴性高的電源模組用基板。
此外，活性金屬硬焊法係在陶瓷基板與銅板之接合界面形成TiN層。此TiN層為硬且脆，故冷熱循環負荷時，陶瓷基板有發生龜裂的疑慮。
又，藉由活性金屬硬焊法，接合由氧化鋁所構成之陶瓷基板與銅板時，在陶瓷基板與銅板之接合界面，形成厚的Ti氧化物層。此Ti氧化物層為硬且脆，故冷熱循環負荷時，陶瓷基板有發生龜裂的疑慮。
本發明之第1態樣係有鑑於前述情形而完成者，以提供由銅或銅合金所構成之銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件確實被接合的銅/陶瓷接合體、及由此銅/陶瓷接合體所構成之電源模組用基板為目的。
本發明之第2態樣係有鑑於前述情形而完成者，以提供由銅或銅合金所構成之銅構件與由氧化鋁所構成之陶瓷構件確實被接合的銅/陶瓷接合體、及由此銅/陶瓷接合體所構成之電源模組用基板為目的。
[第1態樣]
為了解決這種課題、達成前述目的時，本發明之第1態樣之銅/陶瓷接合體係接合有由銅或銅合金所構成之銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件的銅/陶瓷接合體，其特徵係在前述銅構件與前述陶瓷構件之接合界面形成含有活性元素與氧的活性元素氧化物層，此活性元素氧化物層之厚度為5nm以上220nm以下之範圍內。
此構成之銅/陶瓷接合體係由銅或銅合金所構成之銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件的接合界面形成含有活性元素與氧的活性元素氧化物層的構造。第1態樣中，此活性元素氧化物層之厚度為5nm以上，因此，陶瓷構件與銅構件確實被接合，可確保接合強度。此外，活性元素氧化物層之厚度為220nm以下，因此，比較硬且脆的活性元素氧化物層之厚度較薄，可抑制例如因冷熱循環負荷時之熱應力，陶瓷構件產生龜裂。
在此，使介於活性元素，以高溫保持之條件接合銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件時，活性元素與氮化物陶瓷之氮反應，而形成氮化物層。第1態樣係藉由以低溫條件接合銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件，可取代氮化物層而形成活性元素氧化物層。又，上述活性元素氧化物層係藉由介於銅構件與陶瓷構件之間的 活性元素及形成於銅構件或陶瓷構件之表面之氧化物或接合材所含有的氧進行反應而形成。
又，第1態樣中，活性元素可使用Ti，Zr，Hf，Nb等。此外，氮化物陶瓷可使用AlN、Si3N4等。
第1態樣之銅/陶瓷接合體中，前述活性元素氧化物層可含有P。
此時，使P介於接合界面時，此P與活性元素結合，同時與氧反應，可在陶瓷構件之表面容易形成含有P之前述活性元素氧化物層。因此，即使低溫條件也可確實接合銅構件與陶瓷構件。藉此，可抑制接合時陶瓷構件之熱劣化等。
又，第1態樣之銅/陶瓷接合體在前述活性元素氧化物層與前述銅構件之間可形成Cu-Al共晶層。
此時，使Al介於接合界面，即使以低溫條件也可確實接合銅構件與陶瓷構件。此時，藉由Al與Cu反應，可在上述活性元素氧化物層與銅構件之間形成Cu-Al共晶層。
第1態樣之電源模組用基板係於由氮化物陶瓷所構成之陶瓷基板之表面接合有由銅或銅合金所構成之銅板的電源模組用基板，其特徵係以上述銅/陶瓷接合體所構成者。
依據此構成之電源模組用基板時，以上述銅/陶瓷接合體所構成，因此，藉由低溫條件進行接合，可減輕對陶瓷基板之熱負荷，可抑制陶瓷基板之劣化。又，即使以低 溫條件進行接合時，也可確實接合陶瓷基板與銅板，可確保接合信賴性。此外，被接合於陶瓷基板之表面的銅板可作為電路層或金屬層使用。
[第2態樣]
為了解決上述課題、達成前述目的時，本發明之第2態樣之銅/陶瓷接合體係接合有由銅或銅合金所構成之銅構件與由氧化鋁所構成之陶瓷構件的銅/陶瓷接合體，其特徵係在前述銅構件與前述陶瓷構件之接合界面形成含有活性元素、氧、燐的活性元素氧化物層，此活性元素氧化物層之厚度為5nm以上220nm以下之範圍內。
此構成之銅/陶瓷接合體係由銅或銅合金所構成之銅構件與由氧化鋁所構成之陶瓷構件之接合界面形成含有活性元素、氧、燐的活性元素氧化物層的構造。第2態樣中，此活性元素氧化物層之厚度為5nm以上，因此，陶瓷構件與銅構件確實被接合，可確保接合強度。此外，活性元素氧化物層之厚度為220nm以下，因此，比較硬且脆的活性元素氧化物層之厚度較薄，可抑制例如因冷熱循環負荷時之熱應力，陶瓷構件產生龜裂。
在此，使介於活性元素，以高溫保持條件接合銅構件與由氧化鋁所構成之陶瓷構件時，活性元素與氧化鋁的氧反應，形成厚的氧化物層。第2態樣中，藉由以低溫條件接合銅構件與由氧化鋁所構成之陶瓷構件，可形成比較薄的活性元素氧化物層。
又，使燐(P)介於接合界面時，此燐(P)與活性元素結合，同時與氧反應，因此，在陶瓷構件之表面容易形成含有燐(P)的前述活性元素氧化物層。因此，即使低溫條件也可確實接合銅構件與陶瓷構件。藉此，可抑制接合時陶瓷構件之熱劣化等。
第2態樣中，活性金屬可使用Ti，Zr，Hf等。又，氧化鋁可使用92%氧化鋁(Al2O3純度92mass%以上)、96%氧化鋁(Al2O3純度96mass%以上)、98%氧化鋁(Al2O3純度98mass%以上)、二氧化鋯強化氧化鋁等。
第2態樣之銅/陶瓷接合體係前述活性元素氧化物層中之燐濃度可為1.5mass%以上10mass%以下之範圍內。
此時，前述活性元素氧化物層中之燐濃度(P濃度)為1.5mass%以上，因此即使低溫條件也可確實形成前述活性元素氧化物層，可牢固接合銅構件與陶瓷構件。又，前述活性元素氧化物層中之燐濃度(P濃度)為10mass%以下，因此，前述活性元素氧化物層不會變得過硬，可抑制例如因冷熱循環負荷時之熱應力，陶瓷構件產生龜裂。
第2態樣之電源模組用基板係在由氧化鋁所構成之陶瓷基板之表面，接合有由銅或銅合金所構成之銅板的電源模組用基板，其特徵係以上述銅/陶瓷接合體所構成者。
依據此構成之電源模組用基板時，因以上述銅/陶瓷接合體所構成，因此，藉由低溫條件進行接合，可減輕對 陶瓷基板之熱負荷，可抑制陶瓷基板劣化。又，即使以低溫條件接合時，也可確實接合陶瓷基板與銅板，可確保接合信賴性。被接合於陶瓷基板之表面的銅板可作為電路層或金屬層使用。
依據本發明之第1態樣時，可提供由銅或銅合金所構成之銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件被確實接合的銅/陶瓷接合體、及由此銅/陶瓷接合體所構成之電源模組用基板。
依據本發明之第2態樣時，可提供由銅或銅合金所構成之銅構件與氧化鋁所構成之陶瓷構件被確實接合的銅/陶瓷接合體、及由此銅/陶瓷接合體所構成之電源模組用基板。
10、210‧‧‧電源模組用基板
11、211‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
22‧‧‧銅板
24、224‧‧‧Cu-P系硬焊料
25、225‧‧‧Ti箔
30、130、230‧‧‧活性元素氧化物層
131‧‧‧Cu-Al共晶層
[圖1]使用本發明之第一實施形態之電源模組用基板之電源模組的概略說明圖。
[圖2]本發明之第一實施形態之電源模組用基板之電路層(銅構件)與陶瓷基板(陶瓷構件)之接合界面的模式圖。
[圖3]表示本發明之第一實施形態之電源模組用基板之製造方法的流程圖。
[圖4]表示本發明之第一實施形態之電源模組用基板之製造方法的說明圖。
[圖5]本發明之第二實施形態之電源模組用基板之電路層(銅構件)與陶瓷基板(陶瓷構件)之接合界面的模式圖。
[圖6]本發明例A1之銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)中之接合界面之觀察相片。
[圖7]本發明例A13之銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)中之接合界面之觀察相片。
[圖8]使用本發明之第三實施形態之電源模組用基板之電源模組的概略說明圖。
[圖9]本發明之第三實施形態之電源模組用基板之電路層(銅構件)與陶瓷基板(陶瓷構件)之接合界面的模式圖。
[圖10]表示本發明之第三實施形態之電源模組用基板之製造方法的說明圖。
[圖11]本發明例B2之銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)中之接合界面之觀察相片。
[第1態樣] [第一實施形態]
以下，參照附圖說明本發明之第1態樣的第一實施形 態。
本發明之第一實施形態之銅/陶瓷接合體係具備作為由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件的陶瓷基板11與作為由銅或銅合金所構成之銅構件的銅板22(電路層12)被接合所構成的電源模組用基板10。
圖1顯示本發明之第一實施形態之電源模組用基板10及使用此電源模組用基板10之電源模組1。
此電源模組1具備：電源模組用基板10，於此電源模組用基板10之一側(於圖1中上側)的面，介於焊錫層2被接合的半導體元件3及被配置於電源模組用基板10之另一側(於圖1中下側)的散熱器51。
在此，焊錫層2，例如為Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系之焊錫材。
電源模組用基板10具備：陶瓷基板11、被配設於此陶瓷基板11之一面(於圖1中上面)的電路層12、被配設於陶瓷基板11之另一面(於圖1中下面)的金屬層13。
陶瓷基板11係防止電路層12與金屬層13之間的電氣連接者，第一實施形態之陶瓷基板11係以氮化物陶瓷之1種、即AlN(氮化鋁)所構成。在此，陶瓷基板11之厚度設置在0.2~1.5mm之範圍內為佳，第一實施形態中，被設定為0.635mm。
電路層12如圖4所示，藉由在陶瓷基板11之一面被接合由銅或銅合金所構成的銅板22而形成。第 一實施形態中，使用無氧銅之壓延板作為構成電路層12的銅板22。此電路層12形成有電路圖型，其一面(於圖1中上面)為被搭載半導體元件3的搭載面。此處，電路層12的厚度被設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內為佳，第一實施形態中，被設定為0.6mm。
金屬層13如圖4所示，藉由在陶瓷基板11之另一面被接合鋁板23而形成。第一實施形態中，金屬層13係藉由以純度為99.99mass%以上的鋁(所謂的4N鋁)之壓延板所構成的鋁板23被接合於陶瓷基板11而形成。
又，此鋁板23係0.2%耐力為30N/mm2以下為佳。此處，金屬層13(鋁板23)的厚度被設定為0.5mm以上6mm以下之範圍內較佳，第一實施形態中，被設定為2.0mm。
散熱器51係用於冷卻前述電源模組用基板10者，具備與電源模組用基板10接合的頂板部52與流通冷卻媒體(例如冷卻水)用的流路53。散熱器51(頂板部52)係以熱傳導性良好的材質構成為佳，第一實施形態係以A6063(鋁合金)構成。
此散熱器51(頂板部52)於第一實施形態中，藉由焊接直接接合於電源模組用基板10的金屬層13。
在此，如圖2所示，在陶瓷基板11與電路層12(銅板22)之接合界面，形成含有活性元素與氧的活性元素氧化物層30。第一實施形態中，此活性元素氧化 物層30之厚度t為5nm以上220nm以下之範圍內。活性元素氧化物層30之厚度t為10nm以上220nm以下較佳，更佳為10nm以上50nm以下。又，活性元素氧化物層30中之活性元素之濃度為35at%~70at%之範圍內。此活性元素之濃度係將活性元素與P與O之合計量設定為100時的濃度。
第一實施形態係具有Ti作為活性元素，上述活性元素氧化物層30係含有Ti與氧的Ti-O層。
又，第一實施形態如後述，使用含有P之Cu-P系硬焊料24，接合陶瓷基板11與電路層12(銅板22)，因此，活性元素氧化物層30中含有P。第一實施形態中，活性元素氧化物層30中之P的含量，較佳為1.5mass%以上10mass%以下之範圍內、更佳為3mass%以上8mass%以下之範圍內。在此之P的含量係Ti與P與O之合計量為100時的含量。
P之含量為1.5mass%以上，因此，可確實形成活性元素氧化物層30，可確實接合陶瓷基板11與電路層12。又，P之含量為10mass%以下，因此，活性元素氧化物層30不會變得過硬，可減低例如以冷熱循環負荷時之熱應力對陶瓷基板之負荷，可防止接合界面之信賴性降低。
而不使用含有P之Cu-P系硬焊料24，接合陶瓷基板11與電路層12(銅板22)時，硬焊料24可使用後述的Cu-Al硬焊料等。
活性元素氧化物層30之厚度t係使用透過型電子顯 微鏡，以倍率20萬倍觀察接合界面，活性元素之濃度為35at%~70at%之範圍內之處視為活性元素氧化物層30，可測量其厚度。活性元素之濃度(at%)係以透過型電子顯微鏡附屬之EDS(能量分散形X線分光器)測量，作為P濃度、活性元素濃度及O濃度之合計為100時的活性元素之濃度。活性元素氧化物層之厚度係5視野(visual field)之平均值。
活性元素氧化物層30之P的含量(mass%)係以透過型電子顯微鏡附屬之EDS測量活性元素氧化物層30中之P濃度(mass%)、Ti濃度(mass%)及O濃度(mass%)，可算出P濃度、Ti濃度及O濃度之合計為100時的P濃度(mass%)。P之含量(mass%)係測量點為5點，作為其平均值。
其次，參照圖3及圖4說明上述第一實施形態之電源模組用基板10的製造方法。
首先，如圖4所示，在陶瓷基板11之一面(圖4中上面)依序層合Cu-P系硬焊料24、Ti材25(活性元素材)、及成為電路層12的銅板22(第1層合步驟S01)，同時在陶瓷基板11之另一面(圖4中下面)介於接合材27依序層合成為金屬層13之Al板23(第2層合步驟S02)。
在此，第一實施形態中，較佳為使用Cu-P系硬焊料24為在3mass%以上10mass%以下之範圍含有P，在7mass%以上50mass%以下之範圍含有低熔點元素的 Sn，此外，在2mass%以上15mass%以下之範圍含有Ni的Cu-P-Sn-Ni硬焊料。Cu-P系硬焊料24之厚度，較佳為5μm以上50μm以下之範圍。
Cu-P系硬焊料24除上述外，也可使用Cu-P-Zn硬焊料等。
又，第一實施形態中，Ti材25之厚度較佳為0.1μm以上25μm以下之範圍內，第一實施形態係使用厚度12μm之Ti箔。Ti材25之厚度為0.1μm以上0.5μm以下時，藉由蒸鍍或濺鍍成膜較佳，厚度為0.5μm以上時，使用箔材為佳。
此外，第一實施形態中，將鋁板23與陶瓷基板11接合的接合材27，較佳為使用含有熔點降下元素之Si的Al-Si系硬焊料(例如Al-7.5mass%Si硬焊料)。
接合材27除上述，也可使用Al-Cu硬焊料或Cu等。接合材27使用Cu(例如黏著量為0.08mg/cm2以上2.7mg/cm2以下)時，可藉由所謂的過渡液相接合法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding、TLP)接合。
其次，將陶瓷基板11、Cu-P系硬焊料24、Ti箔25、銅板22、接合材27、Al板23在層合方向加壓(壓力1~35kgf/cm2)的狀態下，裝入真空加熱爐內進行加熱(加熱處理步驟S03)。第一實施形態中，真空加熱爐內之壓力設定為10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內，加熱溫度設定為600℃以上650℃以下之範圍內，保持時間 設定為30分鐘以上360分鐘以下之範圍內。
藉由以上的步驟S01~S03，製造第一實施形態的電源模組用基板10。
接著，在電源模組用基板10之金屬層13之另一面側接合散熱器51(散熱器接合步驟S04)。
使電源模組用基板10與散熱器51介於硬焊料28進行層合，加壓於層合方向，同時裝入真空爐內進行硬焊。藉此，接合電源模組用基板10之金屬層13與散熱器51之頂板部52。此時，硬焊料28可使用例如厚度20~110μm之Al-Si系硬焊料箔(例如Al-10mass%Si硬焊料箔)，硬焊溫度設定為比加熱處理步驟S03中之溫度條件低溫。
其次，在電源模組用基板10之電路層12之一面藉由焊接，接合半導體元件3(半導體元件搭載步驟S05)。
藉由以上步驟S01~S05製造圖1所示之電源模組1。
在此，加熱處理步驟S03係在陶瓷基板11與銅板22之接合界面，Ti箔25之Ti與Cu-P系硬焊料24之P與存在於陶瓷基板11或Cu-P系硬焊料24等的氧進行反應，形成含有P的活性元素氧化物層30(Ti-O層)。又，存在於陶瓷基板11或Cu-P系硬焊料24等的氧，例如有存在於陶瓷基板11之表面的氧化物、Ti箔25或Cu-P系硬焊料24所含的氧化物等。
依據如以上構成的第一實施形態之銅/陶瓷接合體(電源模組用基板10)時，由無氧銅所構成之銅板22(電路層12)與由AlN所構成之陶瓷基板11，介於Cu-P系硬焊料24及Ti箔25來接合，在陶瓷基板11與銅板22(電路層12)之接合界面，形成活性元素氧化物層30(Ti-O層)，因此，陶瓷基板11與電路層12被牢固接合。
第一實施形態中，活性元素氧化物層30(Ti-O層)之厚度t為5nm以上，因此，陶瓷基板11與銅板22(電路層12)被確實接合，可確保此等之接合強度。此外，活性元素氧化物層30(Ti-O層)之厚度t為220nm以下，因此，可抑制因冷熱循環負荷時之熱應力，陶瓷基板11產生龜裂。
又，為了達成上述作用效果時，活性元素氧化物層30(Ti-O層)之厚度t較佳為10nm以上、220nm以下。
又，活性元素氧化物層30中之活性元素(第一實施形態中，Ti)之濃度為35at%~70at%之範圍內。此活性元素之濃度係活性元素(第一實施形態中，Ti)與P與O之合計量為100時的濃度。
此外，第一實施形態中，使用Cu-P系硬焊料24進行接合，因此，Cu-P系硬焊料24之P與Ti箔25之Ti進行反應，再與氧反應，確實形成含有P之活性元素氧化物層30(Ti-O層)。藉此，可確實接合陶瓷基板11與銅板22(電路層12)。亦即，使容易與活性元素的Ti 反應，且也容易與氧反應之元素的P介於界面，促進形成上述活性元素氧化物層30(Ti-O層)，即使低溫條件，陶瓷基板11與銅板22也確實被接合。
又，由AlN所構成之陶瓷基板11與銅板22介於Ti，保持高溫時，(例如790℃~850℃)，陶瓷基板11中之氮與Ti反應，形成TiN，但是第一實施形態係在加熱處理步驟S03中，為低溫條件(600℃以上650℃以下之範圍)，因此，未形成TiN，而形成活性元素氧化物層30(Ti-O層)。
此外，第一實施形態如上述，陶瓷基板11與銅板22可以低溫條件接合，因此，第一實施形態在加熱處理步驟S03中，同時接合陶瓷基板11與銅板22、及陶瓷基板11與鋁板23。故大幅提高電源模組用基板10之製造效率，可刪減製造成本。又，於陶瓷基板11之兩面同時接合銅板22及鋁板23，因此，可抑制接合時之陶瓷基板11之翹曲發生。
[第二實施形態]
其次，參照附圖說明本發明之第1態樣之第二實施形態。
本發明之第二實施形態之銅/陶瓷接合體係與第一實施形態同樣，藉由接合作為由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件的陶瓷基板11與作為由銅或銅合金所構成之銅構件的銅板22(電路層12)所構成的電源模組用基板，圖1所 示之電源模組用基板之中，陶瓷基板11與銅板22(電路層12)之接合界面的構造不同。
圖5顯示本發明之第二實施形態之陶瓷基板11與銅板22(電路層12)之接合界面的構造。
第二實施形態如圖5所示，陶瓷基板11與電路層12(銅板22)之接合界面，被層合配置含有活性元素與氧的活性元素氧化物層130與Cu-Al共晶層131。亦即，活性元素氧化物層130與銅板22(電路層12)之間形成Cu-Al共晶層131。
在此，第二實施形態中，活性元素氧化物層130之厚度t為5nm以上220nm以下之範圍內，較佳為10nm以上220nm以下之範圍內，更佳為10nm以上50nm以下之範圍內。又，第二實施形態中，具有作為活性元素的Ti，上述活性元素氧化物層130係含有Ti與氧的Ti-O層。
又，第二實施形態中，Cu-Al共晶層131之厚度te較佳為10μm以上60μm以下之範圍內，更佳為10μm以上30μm以下之範圍內。又，Cu-Al共晶層131可在活性元素氧化物層130側具備活性元素(第二實施形態中，Ti)經濃化(thicken)的活性元素濃化層131a。
活性元素氧化物層130中之活性元素之濃度為35at%~70at%之範圍內。
Cu-Al共晶層係指組成為Cu濃度與Al濃度合計為100at%時之Cu濃度為60at%~90at%之處。
活性元素濃化層131a中之活性元素的濃度，較佳為40at%~60at%之範圍內，更佳為50at%~60at%之範圍內。活性元素濃化層131a之厚度，較佳為10nm以上200nm以下之範圍內，更佳為10nm以上50nm以下之範圍內。
活性元素氧化物層130之活性元素的濃度及厚度，使用與第一實施形態之活性元素氧化物層30之活性元素之濃度及厚度同樣的方法測量。
Cu-Al共晶層之厚度係使用透過型電子顯微鏡附屬之EDS，將組成為Cu濃度與Al濃度合計為100at%時之Cu濃度為60at%~90at%之處的厚度，測量5處，求其平均值。
活性元素濃化層131a之組成係使用透過型電子顯微鏡附屬之EDS測量。
第二實施形態之電源模組用基板的製造方法，相對於第一實施形態之電源模組用基板之製造方法，在使用Cu-Al系硬焊料，取代Cu-P系硬焊料24方面不同。
第二實施形態中，Cu-Al系硬焊料為使用含有45mass%以上95mass%以下之範圍的Al的Cu-Al硬焊料。又，Cu-Al系硬焊料之厚度，較佳為5μm以上50μm以下之範圍。
接合時之加熱溫度較佳為580℃以上650℃以下。
第二實施形態係使用含有Al之Cu-Al系硬焊料，接 合陶瓷基板11與電路層12(銅板22)，此Cu-Al系硬焊料中之Al與Cu產生共晶反應，在低溫條件下產生液相，形成上述Cu-Al共晶層131。
依據如以上構成之第二實施形態之銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)時，在陶瓷基板11與銅板22(電路層12)之接合界面，形成活性元素氧化物層130(Ti-O層)，因此，陶瓷基板11與電路層12被牢固接合。
又，活性元素氧化物層130與銅板22(電路層12)之間，形成Cu-Al共晶層131，因此，藉由共晶反應，低溫條件下產生液相，可確實接合陶瓷基板11與電路層12。
在此，Cu-Al共晶層131之厚度te為10μm以上，故如上述，充分形成液相，可確實接合陶瓷基板11與電路層12。又，Cu-Al共晶層131之厚度te為60μm以下，故可抑制接合界面附近變脆，可確保高的冷熱循環信賴性。
以上說明本發明之第1態樣之第一及第二實施形態，但是本發明不限於此等，在不超脫本發明之技術思想的範圍，可適宜變更。
例如舉以作為銅構件之銅板(電路層)與作為陶瓷構件之陶瓷基板進行接合的電源模組用基板為例來說明，但是不限於此，只要是由銅或銅合金所構成之銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件經接合的銅/陶瓷接合體即可。
又，藉由接合銅板形成電路層來說明，但是不限於此，藉由接合銅板也可形成金屬層。
此外，將銅板作為無氧銅或精煉銅(Tough-Pitch Copper)之壓延板來說明，但是不限於此，也可為以其他之銅或銅合金所構成者。
又，將構成金屬層之鋁板作為純度99.99mass%之純鋁的壓延板來說明，但是不限於此，也可為以純度99mass%之鋁(2N鋁)等、其他的鋁或鋁合金所構成者。
此外，金屬層不限於以鋁板所構成者，也可為以其他金屬所構成者。
又，氮化物陶瓷舉AlN為例來說明，但是不限於此，也可使用Si3N4等之其他的氮化物陶瓷。
此外，活性元素舉Ti為例來說明，但是不限於此，也可使用Zr，Hf，Nb等之其他的活性元素。
又，本發明之第一及第二實施形態係以形成於接合界面之活性元素氧化物層含有P者來說明，但是不限於此。
又，本發明之第一及第二實施形態係以使用Cu-P-Sn-Ni系硬焊料及Cu-Al系硬焊料，接合陶瓷基板與銅板者來說明，但是不限於此，可使用其他的硬焊料。
又，本發明之第一及第二實施形態係在陶瓷基板與銅板之間，介於Cu-P-Sn-Ni系硬焊料及Cu-Al系硬焊料、Ti箔者來說明，但是不限於此，也可介於Cu-P-Sn-Ni膏及Cu-Al膏、Ti膏等。
此外，上述第一及第二實施形態係介於Ti箔 者來說明，但是不限於此，可使用氫化Ti。此時，可使用直接介於氫化Ti之粉末的方法或塗佈氫化Ti膏的方法。又，不僅氫化Ti，也可使用Zr，Hf，Nb等之其他的活性元素之氫化物。
散熱器不限於本發明之第一及第二實施形態所例示者，且散熱器之構造無特別限定。
又，散熱器之頂板部或散熱板與金屬層之間，可設置由鋁或鋁合金或含鋁之複合材(例如AlSiC等)所構成之緩衝層。
[第2態樣] [第三實施形態]
以下，參照附圖說明本發明之第2態樣的第三實施形態。
對於具有與第一實施形態相同構成的構件，使用相同符號，並省略詳細說明。
第三實施形態之銅/陶瓷接合體係藉由接合作為由氧化鋁所構成之陶瓷構件之陶瓷基板211與作為由銅或銅合金所構成之銅構件的銅板22(電路層12)所構成的電源模組用基板210。
圖8表示本發明之第三實施形態的電源模組用基板210及使用此電源模組用基板210的電源模組201。
此電源模組201具備：電源模組用基板210、在此電源模組用基板210之一側(圖8中，上側)之面介 於焊錫層2被接合的半導體元件3、被配置於電源模組用基板210之另一側(圖8中，下側)的散熱器51。
焊錫層2可使用與第一實施形態同樣之焊錫材。
電源模組用基板210具備：陶瓷基板211、被配設於此陶瓷基板211之一面(圖8中，上面)的電路層12及被配設於陶瓷基板211之另一面(圖8中，下面)的金屬層13。
陶瓷基板211係防止電路層12與金屬層13之間的電氣連接者，第三實施形態之陶瓷基板211係以氧化鋁之1種的98%氧化鋁(Al2O3純度98mass%以上)所構成。在此，陶瓷基板211之厚度，較佳為設定在0.2~1.5mm之範圍內，第三實施形態係設定為0.38mm。
電路層12如圖10所示，藉由在陶瓷基板211之一面被接合由銅或銅合金所構成之銅板22而形成。第三實施形態中，電路層12具有與第一實施形態之電路層12同樣的構成(材料、使用法、厚度等)。
金屬層13如圖10所示，藉由在陶瓷基板211之另一面被接合鋁板23而形成。第三實施形態中，金屬層13係藉由在純度為99.99mass%以上之鋁(所謂的4N鋁)之壓延板所構成之鋁板23被接合陶瓷基板211而形成。
又，此第三實施形態之鋁板23具有與第一實施形態之鋁板23同樣的構成(耐力、厚度等)。
散熱器51係用於冷卻前述電源模組用基板 210者，電源模組用基板10除了為電源模組用基板210外，具有與第一實施形態之散熱器51同樣的構成(構造、材料、對電源模組用基板之金屬層13之接合方法等)。
在此，如圖9所示，在陶瓷基板211與電路層12(銅板22)之接合界面，形成有含有活性元素與氧與燐的活性元素氧化物層230。第三實施形態中，此活性元素氧化物層230之厚度t為5nm以上220nm以下之範圍內。活性元素氧化物層230之厚度t，較佳為10nm以上220nm以下、更佳為10nm以上50nm以下。
第三實施形態具有作為活性元素之Ti，上述活性元素氧化物層230為含有Ti與氧(O)與燐(P)的Ti-P-O層。
作為活性元素使用Zr時，活性元素氧化物層230為Zr-P-O層，使用Nb時，為Nb-P-O層，使用Hf時，為Hf-P-O層。
活性元素氧化物層230中之活性元素之濃度為35at%~70at%之範圍內。在此之活性元素之濃度係活性元素與P與O之合計量為100時的濃度。
又，第三實施形態中，活性元素氧化物層230中之P的含量，較佳為1.5mass%以上10mass%以下之範圍內、更佳為3mass%以上8mass%以下之範圍內。在此之P的含量係活性金屬與P與O之合計量為100的含量。
P之含量為1.5mass%以上，因此，可確實形成活性元 素氧化物層230，可確實接合陶瓷基板211與電路層12。又，P之含量為10mass%以下，因此，活性元素氧化物層230不會變得過硬，可減低例如因冷熱循環負荷時之熱應力對陶瓷基板之負荷，可防止接合界面之信賴性降低。
活性元素氧化物層230之活性元素之濃度及厚度及P含量係與第一實施形態之活性元素氧化物層30之活性元素之濃度及厚度及P含量同樣的方法測量。
其次，參照圖3及圖10說明上述第三實施形態之電源模組用基板210的製造方法。
首先，如圖10所示，在陶瓷基板211之一面(圖10中，上面)依序層合Cu-P系硬焊料224、Ti箔225及成為電路層12的銅板22(第1層合步驟S01)，同時在陶瓷基板211之另一面(圖4中，下面)介於接合材27依序層合成為金屬層13之Al板23(第2層合步驟S02)。
在此，第三實施形態中，較佳為使用Cu-P系硬焊料224為在3mass%以上10mass%以下之範圍含有P，在7mass%以上50mass%以下之範圍含有低熔點元素的Sn，此外，在2mass%以上15mass%以下之範圍含有Ni的Cu-P-Sn-Ni硬焊料。Cu-P系硬焊料224之厚度，較佳為5μm以上50μm以下之範圍。
Cu-P系硬焊料224除上述外，也可使用Cu-P-Zn硬焊料等。
又，第三實施形態中，Ti箔225之厚度較佳 為0.5μm以上25μm以下之範圍內，第三實施形態係使用厚度12μm之Ti箔。
此外，第三實施形態中，將鋁板23與陶瓷基板211接合的接合材27，較佳為使用含有熔點降下元素之Si的Al-Si系硬焊料(例如Al-7.5mass%Si硬焊料)。接合材27除上述，也可使用與第一實施形態所舉之硬焊料相同者。
其次，將陶瓷基板211、Cu-P系硬焊料224、Ti箔225、銅板22、接合材27、Al板23在層合方向加壓(壓力1~35kgf/cm2)的狀態下，裝入真空加熱爐內進行加熱(加熱處理步驟S03)。第三實施形態中，真空加熱爐內之壓力設定為10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內，加熱溫度設定為600℃以上650℃以下之範圍內，保持時間設定為30分鐘以上360分鐘以下之範圍內。
藉由以上的步驟S01~S03，製造第三實施形態的電源模組用基板210。
接著，在電源模組用基板210之金屬層13之另一面側接合散熱器51(散熱器接合步驟S04)。
使電源模組用基板210與散熱器51介於硬焊料28進行層合，加壓於層合方向，同時裝入真空爐內進行硬焊。藉此，接合電源模組用基板210之金屬層13與散熱器51之頂板部52。此時，硬焊料28可使用例如厚度20~110μm之Al-Si系硬焊料箔(例如Al-10mass%Si硬焊料箔)，硬焊溫度設定為比加熱處理步驟S03中之溫度條件 低溫。
其次，在電源模組用基板210之電路層12之一面藉由焊接，接合半導體元件3(半導體元件搭載步驟S05)。
藉由以上步驟S01~S05製造圖8所示之電源模組201。
在此，加熱處理步驟S03係在陶瓷基板211與銅板22之接合界面，Ti箔225之Ti與Cu-P系硬焊料224之P與存在於陶瓷基板211或Cu-P系硬焊料224等的氧進行反應，形成含有P的活性元素氧化物層30(Ti-P-O層)。又，存在於陶瓷基板211或Cu-P系硬焊料224等的氧，例如有存在於陶瓷基板211之表面的氧化物、Ti箔225或Cu-P系硬焊料224所含的氧化物等。又，第三實施形態中，加熱處理步驟S03為以低溫條件實施，因此，構成陶瓷基板211之氧化鋁之分解被抑制，且由氧化鋁之氧之供給被抑制，可形成薄的活性元素氧化物層230。
依據如以上構成的第三實施形態之銅/陶瓷接合體(電源模組用基板210)時，由無氧銅所構成之銅板22(電路層12)與由氧化鋁所構成之陶瓷基板211，介於Cu-P系硬焊料224及Ti箔225來接合，在陶瓷基板211與銅板22(電路層12)之接合界面，形成活性元素氧化物層230(Ti-P-O層)，因此，陶瓷基板211與電路層12被牢固接合。
第三實施形態中，活性元素氧化物層230(Ti-P-O層)之厚度t為5nm以上，因此，陶瓷基板211與銅板22(電路層12)被確實接合，可確保此等之接合強度。此外，活性元素氧化物層230(Ti-P-O層)之厚度t為220nm以下，因此，可抑制因冷熱循環負荷時之熱應力，陶瓷基板211產生龜裂。
又，為了達成上述作用效果時，活性元素氧化物層230(Ti-P-O層)之厚度t較佳為10nm以上、220nm以下。
此外，第三實施形態中，使用Cu-P系硬焊料224進行接合，因此，Cu-P系硬焊料224之P與Ti箔225之Ti進行反應，再與氧反應，確實形成含有P之活性元素氧化物層230(Ti-P-O層)。
藉此，可確實接合陶瓷基板211與銅板22(電路層12)。亦即，使容易與活性元素的Ti反應，且也容易與氧反應之元素的P介於界面，促進形成上述活性元素氧化物層230(Ti-P-O層)，即使低溫條件，陶瓷基板211與銅板22也確實被接合。
又，由氧化鋁所構成之陶瓷基板211與銅板22介於Ti，保持高溫時，(例如790℃~850℃)，陶瓷基板211中之氧與Ti反應，形成厚的Ti氧化物層，但是第三實施形態係在加熱處理步驟S03中，為低溫條件(600℃以上650℃以下之範圍)，因此，形成較薄之上述活性元素氧化物層230(Ti-P-O層)。
此外，第三實施形態如上述，陶瓷基板211與銅板22可以低溫條件接合，因此，第三實施形態在加熱處理步驟S03中，同時接合陶瓷基板211與銅板22、及陶瓷基板211與鋁板23。故大幅提高電源模組用基板210之製造效率，可刪減製造成本。又，於陶瓷基板211之兩面同時接合銅板22及鋁板23，因此，可抑制接合時之陶瓷基板211之翹曲發生。
以上，說明本發明之第三實施形態，但是本發明不限於此等，在不超脫本發明之技術思想的範圍，可適宜變更。
例如，舉以作為銅構件之銅板(電路層)與作為陶瓷構件之陶瓷基板進行接合的電源模組用基板為例來說明，但是不限於此，只要是由銅或銅合金所構成之銅構件與由氧化鋁所構成之陶瓷構件經接合的銅/陶瓷接合體即可。
又，藉由接合銅板形成電路層來說明，但是不限於此，藉由接合銅板也可形成金屬層。
此外，將銅板作為無氧銅或精煉銅之壓延板來說明，但是不限於此，也可為以其他之銅或銅合金所構成者。
又，將構成金屬層之鋁板作為純度99.99mass%以上之純鋁的壓延板來說明，但是不限於此，也可為以純度99mass%以上之鋁(2N鋁)等、其他的鋁或鋁合金所構成者。
此外，金屬層不限於以鋁板所構成者，也可為以其他金屬所構成者。
又，氮化物陶瓷舉98%氧化鋁(Al2O3純度98mass%以上)為例來說明，但是不限於此，也可使用92%氧化鋁(Al2O3純度92mass%以上)、96%氧化鋁(Al2O3純度96mass%以上)、二氧化鋯強化氧化鋁等之其他的氧化鋁。
此外，活性元素舉Ti為例來說明，但是不限於此，也可使用Zr，Hf等之其他的活性元素。
又，第三實施形態係以使用Cu-P-Sn-Ni系硬焊料，接合陶瓷基板與銅板者來說明，但是不限於此，可使用其他的硬焊料。
又，第三實施形態係在陶瓷基板與銅板之間，介於Cu-P-Sn-Ni系硬焊料、Ti箔者來說明，但是不限於此，也可介於Cu-P-Sn-Ni膏、Ti膏等。
此外，散熱器不限於第三實施形態所例示者，且散熱器之構造無特別限定。
又，散熱器之頂板部或散熱板與金屬層之間，可設置由鋁或鋁合金或含鋁之複合材(例如AlSiC等)所構成之緩衝層。
[實施例]
以下說明為了確認本發明之第一實施形態及第二實施形態之有效性所進行之確認實驗。
<實施例1>
使用表1所示之陶瓷基板、硬焊料、活性元素、銅板，形成銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)。
詳細而言，在40mm正方，厚度0.635mm之陶瓷基板之一面及另一面，介於表1所示之硬焊料及活性元素，層合38mm正方之厚度0.3mm之銅板(無氧銅之壓延板)，將此等在層合方向以壓力6kgf/cm2加壓的狀態下，裝入真空加熱爐內(真空度5×10-4Pa)，藉由加熱製作電源模組用基板。又，加熱處理步驟之條件表2所示。
又，本發明例A4係將由Cu-7mass%P-15mass%Sn-10mass%Ni粉末與Ti粉末所構成之膏作為硬焊料及活性元素使用。膏之塗佈厚為85μm。
對於如上述所得之電源模組用基板，觀察電路層(銅板)與陶瓷基板之接合界面，同時評價初期接合率、冷熱循環後之接合率。
(接合界面觀察)
使用透過型電子顯微鏡(日本電子股份公司製JEM-2010F)，觀察銅板與陶瓷基板之接合界面。
本發明例A1之界面觀察結果及元素分佈分析(elemental mapping)如圖6所示。
活性元素氧化物層之厚度係以倍率20萬倍觀察接合界面，活性元素之濃度為35at%~70at%之範圍內之處視為活性元素氧化物層，測量其厚度。又，活性元素之濃度(at%)係以透過型電子顯微鏡附屬之EDS測量P濃度 (at%)、活性元素濃度(at%)及O濃度(at%)，作為P濃度、活性元素濃度及O濃度之合計為100時的活性元素之濃度。活性元素氧化物層之厚度係5視野之平均值。
P濃度(mass%)係以透過型電子顯微鏡附屬之EDS測量活性元素氧化物層中之P濃度(mass%)、Ti濃度(mass%)及O濃度(mass%)，算出P濃度、Ti濃度及O濃度之合計為100時的P濃度，作為活性元素氧化物層中之P濃度。P濃度係測量點為5點，作為其平均值。
結果如表2所示。
(冷熱循環試驗)
冷熱循環試驗係使用冷熱衝擊試驗機ESPEC公司製TSB-51，對於電源模組用基板以液相(氟系惰性液體)狀態，實施-40℃×5分鐘←→150℃×5分鐘之2000循環。
(接合率)
銅板與陶瓷基板之接合率係使用超音波檢測裝置，以下式求得。此處，初期接合面積係指接合前之應該接合的面積，亦即銅板的面積。超音波檢測影像中，剝離係以接合部內的白色部顯示，故此白色部的面積為剝離面積。
(接合率)={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積)
使用Ag-Cu-Ti硬焊料，以低溫條件接合銅板與陶瓷基板的以往例A1，未被接合。
活性元素氧化物層之厚度未達5nm的比較例A1為初期接合率低且接合不足。
活性元素氧化物層之厚度超過220nm之比較例A2，在冷熱循環後，陶瓷基板產生龜裂。推測在接合界面因形成了厚的活性元素氧化物層，因此，對陶瓷基板施加的熱應力增加的緣故。
然而，活性元素氧化物層之厚度為5nm以上220nm以下的本發明例A1-本發明例A13，即使以比較低溫的條件，初期接合率仍高，且陶瓷基板與銅板也被確實接合。又，冷熱循環後之接合率高，提高了接合信賴性。
<實施例2>
使用表3所示之陶瓷基板、硬焊料、活性元素、銅板，形成銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)。
詳細而言，在40mm正方，厚度0.635mm之陶瓷基板之一面及另一面，介於表1所示之硬焊料及活性元素，層合38mm正方之厚度0.3mm之銅板(無氧銅之壓延板)，將此等在層合方向以壓力6kgf/cm2加壓的狀態下，裝入真空加熱爐內(真空度5×10-4Pa)，藉由加熱製作電源模組用基板。又，加熱處理步驟之條件表4所示。
對於上述所得之電源模組用基板，觀察電路層(銅板)與陶瓷基板之接合界面，同時評價初期接合 率、冷熱循環後之接合率。評價方法與實施例1同樣。
接合界面觀察係以透過型電子顯微鏡附屬之EDS測量活性元素氧化物層之厚度及Cu-Al共晶層之厚度及組成分析。
Cu-Al共晶層係組成為Cu濃度與Al濃度合計為100at%時之Cu濃度為60at%~90at%之處，視為Cu-Al共晶層，測量其厚度。
又，Cu-Al共晶層之組成係測量點為5點，作為其平均值。觀察結果如圖7所示。又，評價結果如表4所示。
使用Cu-Al系硬焊料，活性元素氧化物層之厚度為5nm以上220nm以下的本發明例A14-本發明例A22，即使以比較低溫的條件，初期接合率仍高，且陶瓷基板與銅板也被確實接合。特別是Cu-Al共晶層之厚度為10μm以上60μm以下的本發明例A15-本發明例A17及本發明例A19-本發明例A22，可得到冷熱循環後之接合率高、接合信賴性高的電源模組用基板。
由以上結果確認，依據本發明時，可提供由銅或銅合金所構成之銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件，即使低溫條件也被確實接合之銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)。
<實施例3>
以下說明為了確認本發明之第三實施形態之有效性所進行之確認實驗。
使用表5所示之陶瓷基板(股份有限公司MARUWA公司製)、硬焊料、活性元素、銅板，形成銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)。
詳細而言，在40mm正方，厚度0.38mm之陶瓷基板之一面及另一面，介於表5所示之硬焊料及活性元素，層合38mm正方之厚度0.3mm之銅板(無氧銅之壓延板)，將此等在層合方向以壓力7kgf/cm2加壓的狀態下，裝入真空加熱爐內(真空度5×10-4Pa)，藉由加熱製作電源模組用基板。又，加熱處理步驟之條件表6所示。
又，本發明例B4係將由Cu-7mass%P-15mass%Sn-10mass%Ni粉末與Ti粉末所構成之膏作為硬焊料及活性元素使用。膏之塗佈厚為80μm。
對於上述所得之電源模組用基板，觀察電路層(銅板)與陶瓷基板之接合界面，同時評價初期接合率、冷熱循環後之接合率。表6之接合界面所示之各層為活性元素氧化物層。評價方法係與實施例1同樣。
評價結果如表6所示。本發明例B2之界面觀察結果如圖11所示。
使用Ag-Cu-Ti硬焊料，以低溫條件接合銅板與陶瓷基板的以往例B1，未被接合。
活性元素氧化物層之厚度未達5nm的比較例B1為初期接合率低且接合不足。
活性元素氧化物層之厚度超過220nm之比較例B2，在冷熱循環後，陶瓷基板產生龜裂。推測在接合界面因形成了厚的活性元素氧化物層，因此，對陶瓷基板施加的熱應力增加的緣故。
然而，活性元素氧化物層之厚度為5nm以上220nm以下的本發明例B1-本發明例B11，即使以比較低溫的條件，初期接合率仍高，且陶瓷基板與銅板也被確實接合。又，活性元素氧化物層中之燐濃度為1.5mass%以上10mass%以下之範圍內的本發明例B1-B6及B9-B11，冷熱循環後之接合率高為90%以上，且提高了接合信賴性。
由以上結果確認，依據本發明時，可提供由銅或銅合金所構成之銅構件與由氧化鋁所構成之陶瓷構件，即使低溫條件也被確實接合之銅/陶瓷接合體(電源模組用基板)。
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
22‧‧‧銅板
30‧‧‧活性元素氧化物層

Claims (7)

  1. 一種銅/陶瓷接合體，其係接合有由銅或銅合金所構成之銅構件與由氮化物陶瓷所構成之陶瓷構件的銅/陶瓷接合體，在前述銅構件與前述陶瓷構件之接合界面形成含有活性元素與氧的活性元素氧化物層，此活性元素氧化物層之厚度為5nm以上220nm以下之範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項之銅/陶瓷接合體，其中前述活性元素氧化物層含有P。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之銅/陶瓷接合體，其中在前述活性元素氧化物層與前述銅構件之間形成Cu-Al共晶層。
  4. 一種電源模組用基板，其係於由氮化物陶瓷所構成之陶瓷基板之表面接合有由銅或銅合金所構成之銅板的電源模組用基板，以如申請專利範圍第1~3項中任一項之銅/陶瓷接合體所構成者。
  5. 一種銅/陶瓷接合體，其係接合有由銅或銅合金所構成之銅構件與由氧化鋁所構成之陶瓷構件的銅/陶瓷接合體，在前述銅構件與前述陶瓷構件之接合界面形成含有活性元素、氧、燐的活性元素氧化物層，此活性元素氧化物層之厚度為5nm以上220nm以下 之範圍內。
  6. 如申請專利範圍第5項之銅/陶瓷接合體，其中前述活性元素氧化物層中之燐濃度為1.5mass%以上10mass%以下之範圍內。
  7. 一種電源模組用基板，其係於由氧化鋁所構成之陶瓷基板之表面接合有由銅或銅合金所構成之銅板的電源模組用基板，其係以如申請專利範圍第5或6項之銅/陶瓷接合體所構成者。
TW104104739A 2014-02-12 2015-02-12 銅／陶瓷接合體及電源模組用基板 TWI567047B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014024410 2014-02-12
JP2014052594A JP5825380B2 (ja) 2014-03-14 2014-03-14 銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板
JP2014136567A JP5828352B2 (ja) 2014-02-12 2014-07-02 銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201542496A true TW201542496A (zh) 2015-11-16
TWI567047B TWI567047B (zh) 2017-01-21

Family

ID=55220811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104104739A TWI567047B (zh) 2014-02-12 2015-02-12 銅／陶瓷接合體及電源模組用基板

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10103035B2 (zh)
EP (1) EP3106447B1 (zh)
KR (1) KR101758586B1 (zh)
CN (1) CN105980334B (zh)
TW (1) TWI567047B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI738948B (zh) * 2016-12-20 2021-09-11 德商羅伯特博斯奇股份有限公司 包括分級配置的殼體的電源模組
TWI813593B (zh) * 2017-11-02 2023-09-01 日商三菱綜合材料股份有限公司 接合體及絕緣電路基板
US11881439B2 (en) 2019-08-21 2024-01-23 Mitsubishi Materials Corporation Copper/ceramic joined body, insulating circuit substrate, copper/ceramic joined body production method, and insulating circuit substrate production method

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017114893B4 (de) * 2017-07-04 2023-11-23 Rogers Germany Gmbh Lötmaterial zum Aktivlöten und Verfahren zum Aktivlöten
CN108191449B (zh) * 2018-01-03 2021-04-27 上海富乐华半导体科技有限公司 一种铜-氧化铝陶瓷基板及其制备方法
WO2020044594A1 (ja) * 2018-08-28 2020-03-05 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法
WO2020044590A1 (ja) 2018-08-28 2020-03-05 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法
WO2020044593A1 (ja) * 2018-08-28 2020-03-05 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法
JP7410872B2 (ja) * 2018-11-22 2024-01-10 デンカ株式会社 セラミックス－銅複合体、セラミックス－銅複合体の製造方法、セラミックス回路基板およびパワーモジュール
CN114728857B (zh) * 2019-12-02 2023-03-17 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板、铜-陶瓷接合体的制造方法及绝缘电路基板的制造方法
EP4079711A4 (en) * 2019-12-19 2024-02-28 Mitsubishi Materials Corporation COPPER/CERAMIC COMPOSITE BODY AND INSULATING CIRCUIT BOARD
CN111403347B (zh) * 2020-03-03 2022-02-25 江苏富乐华半导体科技股份有限公司 一种高可靠性氮化硅覆铜陶瓷基板的铜瓷界面结构及其制备方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63239166A (ja) 1987-03-27 1988-10-05 株式会社東芝 セラミツクス接合体
JPH04162756A (ja) 1990-10-26 1992-06-08 Toshiba Corp 半導体モジュール
JPH04295065A (ja) 1991-03-22 1992-10-20 Murata Mfg Co Ltd セラミック−金属接合体の製造方法
JPH0570259A (ja) 1991-09-13 1993-03-23 Ngk Spark Plug Co Ltd 金属と非金属の接合体の製造方法
JPH05218229A (ja) 1992-01-28 1993-08-27 Toshiba Corp セラミック回路基板
DE4210900A1 (de) * 1992-04-02 1993-10-14 Hoechst Ag Verfahren zur Herstellung eines haftfesten Verbundes zwischen Kupferschichten und Keramik
JP3495051B2 (ja) 1992-07-03 2004-02-09 株式会社東芝 セラミックス−金属接合体
JP3211856B2 (ja) * 1994-11-02 2001-09-25 電気化学工業株式会社 回路基板
CN1052674C (zh) 1995-09-27 2000-05-24 中国科学院金属研究所 焊接陶瓷的锡基活性钎料
JP2001148451A (ja) * 1999-03-24 2001-05-29 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板
JP2006240955A (ja) 2005-03-07 2006-09-14 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品。
US8609993B2 (en) 2008-05-16 2013-12-17 Mitsubishi Materials Corporation Power module substrate, power module, and method for manufacturing power module substrate
JP5359936B2 (ja) 2010-03-03 2013-12-04 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
US9478668B2 (en) * 2011-04-13 2016-10-25 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Oxide semiconductor film and semiconductor device
WO2013024829A1 (ja) * 2011-08-12 2013-02-21 日立化成工業株式会社 はんだ接着体、はんだ接着体の製造方法、素子、太陽電池、素子の製造方法および太陽電池の製造方法
JP2013049589A (ja) 2011-08-30 2013-03-14 Kyocera Corp セラミック体と金属体との接合体
JP5935292B2 (ja) 2011-11-01 2016-06-15 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI738948B (zh) * 2016-12-20 2021-09-11 德商羅伯特博斯奇股份有限公司 包括分級配置的殼體的電源模組
TWI813593B (zh) * 2017-11-02 2023-09-01 日商三菱綜合材料股份有限公司 接合體及絕緣電路基板
US11881439B2 (en) 2019-08-21 2024-01-23 Mitsubishi Materials Corporation Copper/ceramic joined body, insulating circuit substrate, copper/ceramic joined body production method, and insulating circuit substrate production method

Also Published As

Publication number Publication date
EP3106447A4 (en) 2017-12-06
TWI567047B (zh) 2017-01-21
CN105980334A (zh) 2016-09-28
EP3106447A1 (en) 2016-12-21
CN105980334B (zh) 2017-10-31
KR101758586B1 (ko) 2017-07-14
US20160358791A1 (en) 2016-12-08
EP3106447B1 (en) 2019-04-24
KR20160120285A (ko) 2016-10-17
US10103035B2 (en) 2018-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI567047B (zh) 銅／陶瓷接合體及電源模組用基板
TWI572582B (zh) 銅／陶瓷接合體，銅／陶瓷接合體之製造方法及電力模組用基板
TWI641300B (zh) 接合體及功率模組用基板
JP6822247B2 (ja) ヒートシンク付絶縁回路基板の製造方法
TWI609461B (zh) 接合體之製造方法及功率模組用基板之製造方法
WO2015141295A1 (ja) 接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法
TWI813747B (zh) 銅／陶瓷接合體、絕緣電路基板、及銅／陶瓷接合體之製造方法、及絕緣電路基板之製造方法
JP2019127432A (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
TWI569914B (zh) 接合體及功率模組用基板
TW201841871A (zh) 銅／陶瓷接合體，絕緣電路基板，及銅／陶瓷接合體的製造方法，絕緣電路基板的製造方法
WO2019146464A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
TW202016051A (zh) 銅／陶瓷接合體、絕緣電路基板、及銅／陶瓷接合體之製造方法、及絕緣電路基板之製造方法
TWI642645B (zh) 接合體之製造方法、功率模組用基板之製造方法
TWI711141B (zh) 半導體裝置
WO2015122446A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板
JP5828352B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板
TWI708753B (zh) 接合體，電源模組用基板，接合體的製造方法及電源模組用基板的製造方法
JP6645368B2 (ja) 接合体、パワーモジュール用基板、接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板の製造方法
JP5825380B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板
TWI780113B (zh) 陶瓷／鋁－碳化矽複合材料接合體之製造方法、及附散熱塊之功率模組用基板之製造方法
TWI708754B (zh) 接合體，電源模組用基板，電源模組，接合體的製造方法及電源模組用基板的製造方法
TW202021055A (zh) 銅／陶瓷接合體、絕緣電路基板、及銅／陶瓷接合體之製造方法、及絕緣電路基板之製造方法
WO2017126641A1 (ja) 接合体、パワーモジュール用基板、接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法
JP2018032731A (ja) ヒートシンク付パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法