TWI569914B - 接合體及功率模組用基板 - Google Patents

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寺伸幸
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Description

接合體及功率模組用基板
本發明係關於陶瓷構件與Cu構件相接合的接合體、及在陶瓷基板的其中一面形成有電路層的功率模組用基板。
本案係根據2013年8月26日日本申請的特願2013-175001號、及2014年7月15日日本申請的特願2014-145115號主張優先權，在此沿用其內容。
LED或功率模組等半導體裝置係具備有在由導電材料所成之電路層之上接合有半導體元件的構造。
被使用在用以控制風力發電、電動車等電動車輛等的大電力控制用的功率半導體元件係發熱量多。因此，以裝載如上所示之功率半導體元件的基板而言，自以往以來廣為使用例如在由AlN(氮化鋁)等所成之陶瓷基板的其中一面，接合導電性優異的金屬板作為電路層的功率模組用基板。此外，亦有在陶瓷基板的另一面接合金屬板作為金屬層的情形。
例如，專利文獻1所示之功率模組用基板係形成為在陶瓷基板(陶瓷構件)的其中一面接合Cu板(Cu構件)，藉此形成有電路層的構造。該功率模組用基板係在陶瓷基板的其中一面介在Cu-Mg-Ti硬焊材配置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]日本專利第4375730號公報
但是，如專利文獻1之揭示，若透過Cu-Mg-Ti硬焊材將陶瓷基板與Cu板相接合時，在陶瓷基板的近傍係形成有含有Cu、Mg、或Ti的金屬間化合物。
形成在該陶瓷基板近傍的金屬間化合物由於較硬，因此當在功率模組用基板被負荷冷熱循環時，在陶瓷基板發生的熱應力會變大，會有容易在陶瓷基板發生裂痕的問題。
此外，當將陶瓷基板與電路層接合時，若在陶瓷基板的近傍形成較硬的金屬間化合物時，陶瓷基板與電路層的接合率降低，有無法將該等良好接合之虞。
本發明係鑑於前述情形而研創者，目的在提供陶瓷構件與Cu構件被良好接合，而且當被負荷冷熱循 環時，可抑制在陶瓷構件發生裂痕的接合體、及功率模組用基板。
為解決前述課題，本發明之第一態樣之接合體係由陶瓷所成之陶瓷構件、及由Cu或Cu合金所成之Cu構件透過Cu-P-Sn系硬焊材及Ti材而相接合的接合體，其在前述陶瓷構件與前述Cu構件的接合界面係形成有：位於前述陶瓷構件側，Sn固溶在Cu中的Cu-Sn層；及位於前述Cu構件與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的金屬間化合物層。
藉由本發明之第一態樣之接合體，在陶瓷構件與Cu構件的接合界面，Cu-P-Sn系硬焊材所含有的P被取入在形成於Cu構件側的金屬間化合物層。藉此，未具有含有P的金屬間化合物或含有P的金屬間化合物為非常少的Cu-Sn層被形成在陶瓷構件側。亦即，由於在陶瓷構件的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此可減低當被負荷冷熱循環時在陶瓷構件產生的熱應力。結果，可抑制在陶瓷構件發生裂痕。
此外，在陶瓷構件與Cu構件的接合界面，由於在陶瓷構件的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此陶瓷構件與Cu構件的接合率提升，陶瓷構件與Cu構件被良好接合。
此外，較佳為前述金屬間化合物層形成為由 前述陶瓷構件與前述Cu-Sn層的界面為0.1μm以上、100μm以下的範圍內。
此時，由於金屬間化合物層形成為由陶瓷構件與Cu-Sn層的界面為0.1μm以上、100μm以下的範圍內，因此在陶瓷構件的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，即使被負荷冷熱循環，亦可確實抑制在陶瓷構件產生裂痕。此外，如上所述，由於在陶瓷構件的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此可確實提升陶瓷構件與Cu構件的接合率。
本發明之第二態樣之功率模組用基板係由上述之接合體所構成，具備有：由前述陶瓷構件所成之陶瓷基板；及透過Cu-P-Sn系硬焊材，由前述Cu構件所成之Cu板被接合在該陶瓷基板的第一面所成之電路層，在前述陶瓷基板與前述電路層的接合界面係形成有：位於前述陶瓷基板側，Sn固溶在Cu中的Cu-Sn層；及位於前述電路層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的金屬間化合物層。
藉由本發明之第二態樣之功率模組用基板，在陶瓷基板與電路層的接合界面，Cu-P-Sn系硬焊材所含有的P被取入至形成於電路層側的金屬間化合物層。藉此，未具有含有P的金屬間化合物或含有P的金屬間化合物為非常少的Cu-Sn層被形成在陶瓷基板側。亦即，在陶瓷基板的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此可減低當被負荷冷熱循環時在陶瓷基板產生的熱應力。結果，可抑制在陶瓷基板發生裂痕。
此外，在陶瓷基板與電路層的接合界面，在陶瓷基板的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此陶瓷基板與電路層的接合率提升，陶瓷基板與電路層被良好接合。
此外，在本發明之第二態樣之功率模組用基板中，較佳為在前述陶瓷基板的第二面形成有金屬層。
此時，由於在陶瓷基板的第二面形成有金屬層，因此可透過金屬層將陶瓷基板側的熱有效率地散放。
此外，較佳為前述金屬層係在前述陶瓷基板的第二面，透過Cu-P-Sn系硬焊材及Ti材接合由Cu或Cu合金所成之Cu板而成，在前述陶瓷基板與前述金屬層的接合界面係形成有：位於前述陶瓷基板側，Sn固溶在Cu中的Cu-Sn層；及位於前述金屬層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的金屬間化合物層。
此時，在陶瓷基板與金屬層的接合界面，Cu-P-Sn系硬焊材所含有的P被取入至形成於金屬層側的金屬間化合物層。藉此，未具有含有P的金屬間化合物或含有P的金屬間化合物為非常少的Cu-Sn層被形成在陶瓷基板側。亦即，在陶瓷基板的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此可減低當被負荷冷熱循環時在陶瓷基板產生的熱應力。結果，可抑制在陶瓷基板發生裂痕。
此外，在陶瓷基板與金屬層的接合界面，在陶瓷基板的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此陶瓷基板與金屬層的接合率提升，陶瓷基板與金屬層被良好接合。
此外，前述金屬層亦可形成為由Al或Al合 金所成之構成。
此時，由Al或Al合金所成之金屬層由於強度低，因此當被負荷冷熱循環時，可減低在陶瓷基板產生的熱應力。
藉由本發明，可提供陶瓷構件與Cu構件被良好接合，而且當被負荷冷熱循環時，可抑制在陶瓷構件發生裂痕的接合體、及功率模組用基板。
1、101、201、301‧‧‧功率模組
2、232‧‧‧接合層
3‧‧‧半導體元件
10、110、210、310‧‧‧功率模組用基板(接合體)
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12、112、212、312‧‧‧電路層(Cu構件)
14、114‧‧‧Cu-Sn層
17、117、317‧‧‧金屬間化合物層
17a、117a、317a‧‧‧P-Ni-Ti相
17b、117b‧‧‧P-Ti相
17c、117c‧‧‧Cu-Ni-Ti相
22、122、123、222、322‧‧‧Cu板(Cu構件)
24‧‧‧Cu-P-Sn-Ni硬焊材
25、325‧‧‧Ti材
113、213、313‧‧‧金屬層
130、230‧‧‧散熱片
131、231‧‧‧流路
132‧‧‧軟焊材層
223、323‧‧‧Al板
227、242、327‧‧‧接合材
圖1係使用本發明之第一實施形態之功率模組用基板的功率模組的概略說明圖。
圖2係本發明之第一實施形態之功率模組用基板的概略說明圖。
圖3係對圖2所示的電路層與陶瓷基板的接合界面中的剖面進行攝影的電子顯微鏡照片及其概略圖。
圖4係說明本發明之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的流程圖。
圖5係本發明之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的概略說明圖。
圖6係使用本發明之第二實施形態之功率模組用基板的功率模組的概略說明圖。
圖7係本發明之第二實施形態之功率模組用基板的概略說明圖。
圖8係圖7所示之金屬層與陶瓷基板的接合界面中的剖面的概略圖。
圖9係說明本發明之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的流程圖。
圖10係本發明之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的概略說明圖。
圖11係使用本發明之第三實施形態之功率模組用基板的功率模組的概略說明圖。
圖12係本發明之第三實施形態之功率模組用基板的概略說明圖。
圖13係說明本發明之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的流程圖。
圖14係本發明之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的概略說明圖。
圖15係使用本發明之第四實施形態之功率模組用基板的功率模組的概略說明圖。
圖16係對本發明之第四實施形態之功率模組用基板的電路層與陶瓷基板的接合界面中的剖面進行攝影的電子顯微鏡照片。
圖17係說明本發明之第四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的流程圖。
圖18係本發明之第四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的概略說明圖。
(第一實施形態)
以下參照所附圖示，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係接合作為陶瓷構件的陶瓷基板11、與作為Cu構件的Cu板22(電路層12)而成的功率模組用基板10。在圖1中顯示具備有作為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係具備有：配設有電路層12的功率模組用基板10；及透過接合層2而被接合在電路層12的其中一面(圖1中為上面)的半導體元件3。
功率模組用基板10係如圖2所示，具備有：具有第一面及第二面的陶瓷基板11；及被配設在該陶瓷基板11的其中一面亦即第一面(圖2中為上面)的電路層12。
陶瓷基板11係由絕緣性高的AlN(氮化鋁)、Si3N4(氮化矽)、Al2O3(氧化鋁)等陶瓷所構成。在本實施形態中，陶瓷基板11係由放熱性優異的AlN(氮化鋁)所構成。此外，陶瓷基板11的厚度係被設定在0.2~1.5mm的範圍內，在本實施形態中係被設定為0.635mm。
電路層12係藉由將具有導電性的Cu或Cu合 金的金屬板(Cu板22)，透過Cu-P-Sn系的硬焊材及Ti材，接合在陶瓷基板11的第一面而形成。Cu板22係可形成為例如無氧銅、脫氧銅、精煉銅等，在本實施形態中係被設為無氧銅。此外，Cu板22的厚度較佳為被設為0.1~1.0mm的範圍，在本實施形態中係被設定為0.6mm。
以Cu-P-Sn系的硬焊材而言，具體而言列舉有：Cu-P-Sn硬焊材、Cu-P-Sn-Ni系硬焊材、Cu-P-Sn-Zn系硬焊材、Cu-P-Sn-Mn系硬焊材、Cu-P-Sn-Cr系硬焊材等。在Cu-P-Sn系的硬焊材較佳為含有P為3mass%以上、10mass%以下、Sn為0.5mass%以上、25mass%以下。在本實施形態中係使用Cu-P-Sn-Ni硬焊材24作為Cu-P-Sn系的硬焊材。其中，Cu-P-Sn系硬焊材的熔點為710℃以下，本實施形態中所使用的Cu-P-Sn-Ni硬焊材24的熔點為580℃。其中，在本實施形態中，將Cu-P-Sn系硬焊材的固相線溫度設為熔點。
在本實施形態中，電路層12係在陶瓷基板11的第一面積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材25、及由無氧銅所成之Cu板22的狀態下，將該等加熱處理來將Cu板22接合而形成(參照圖5)。
在此，在電路層12中，陶瓷基板11側係形成為Sn擴散在Cu中的構造。
其中，電路層12的厚度係被設定在0.1mm以上、1.0mm以下的範圍內，在本實施形態中係被設定為0.6mm。
在圖3中顯示陶瓷基板11與電路層12的接 合界面的電子顯微鏡照片及其概略說明圖。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側的Cu-Sn層14、及位於電路層12與Cu-Sn層14之間且含有P、Ni、及Ti的金屬間化合物層17。
Cu-Sn層14係Sn固溶在Cu中之層。該Cu-Sn層14係藉由Cu-P-Sn-Ni硬焊材24所含有的P及Ni被取入至形成在電路層12側的金屬間化合物層17所形成之層。亦可將Cu-Sn層14的厚度設定在0.1μm以上、140μm以下的範圍。
金屬間化合物層17係藉由Cu-P-Sn-Ni硬焊材24所含有的P及Ni與Ti材25所含有的Ti相結合所形成。該金屬間化合物層17係具有：P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b、Cu-Ni-Ti相17c的任一種以上。在本實施形態中，金屬間化合物層17係如圖3所示，具有：P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b、及Cu-Ni-Ti相17c。
亦即，藉由該等P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b、及Cu-Ni-Ti相17c，以層狀形成有金屬間化合物層17。
在此，金屬間化合物層17係形成在由陶瓷基板11與Cu-Sn層14的界面為0.1μm以上、100μm以下的範圍內。此外，金屬間化合物層17較佳為形成在由陶瓷基板11與Cu-Sn層14的界面為1.0μm以上、50μm以下的範圍內。此外，亦可將金屬間化合物層17的厚度形成為0.5μm以上、6μm以下。
半導體元件3係由Si等半導體材料所構成。 該半導體元件3與電路層12係透過接合層2而相接合。
接合層2係被形成為例如Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系的軟焊材。
接著，參照圖4的流程圖及圖5，說明本實施形態之功率模組用基板10、及功率模組1之製造方法。
首先，如圖5所示，在陶瓷基板11的其中一面亦即第一面(圖5中為上面)，依序積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材25、及成為電路層12的Cu板22(積層工程S01)。亦即，在陶瓷基板11與Cu板22之間，在陶瓷基板11側配置Cu-P-Sn-Ni硬焊材24，在Cu板22側配置Ti材25作為Ti材。
在本實施形態中，Cu-P-Sn-Ni硬焊材24的組成係被設為Cu-7mass%P-15mass%Sn-10mass%Ni。此外，Cu-P-Sn-Ni硬焊材24係使用箔材，將其厚度設在5μm以上、150μm以下的範圍內。
此外，Ti材25的厚度被設在0.1μm以上、5μm以下的範圍內。在此，Ti材25若厚度為0.1μm以上、未達0.5μm時，係以藉由蒸鍍或濺鍍進行成膜為佳，若厚度為0.5μm以上、5μm以下時，係以使用箔材為佳。其中，Ti材25的較佳厚度為0.5μm以上、5μm以下的範圍內，甚至為1.0μm以上、4.0μm以下的範圍內。Ti材25係被形成為純度99.4%以上。在本實施形態中，係使用厚度2.0μm、純度99.8%的Ti箔，作為Ti材25。
接著，在將陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni硬焊材 24、Ti材25、及Cu板22朝積層方向進行加壓(壓力1kgf/cm2以上、35kgf/cm2以下(0.10MPa以上、3.43MPa以下))的狀態下，裝入在真空加熱爐內進行加熱(加熱處理工程S02)。在此，在本實施形態中，將真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，將加熱溫度設定在600℃以上、650℃以下的範圍內，將加熱時間設定在30分鐘以上、360分鐘以下的範圍內。
在該加熱處理工程S02中，Cu-P-Sn-Ni硬焊材24熔融而形成液相，Ti材25熔入至該液相，因液相凝固，陶瓷基板11與Cu板22被接合。此時，Cu-P-Sn-Ni硬焊材24中所含有的P及Ni係與Ti材25的Ti相結合，形成由P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b、Cu-Ni-Ti相17c之中至少一種以上所成之金屬間化合物層17，並且在陶瓷基板11側係形成有未具有含有P及Ni的金屬間化合物或含有P及Ni的金屬間化合物為非常少的Cu-Sn層14。
此外，在接合時，Sn係相較於金屬間化合物層17，較為擴散至電路層12側，因此在電路層12中，金屬間化合物層17的近傍係形成為Sn擴散至Cu中的構造。
其中，在本實施形態中，Ti材25的厚度被形成為0.1μm以上、5μm以下的範圍內，被設定為較薄，因此Ti材25熔入至Cu-P-Sn-Ni硬焊材24的液相中。因此，在陶瓷基板11與電路層12的接合界面，並不殘留Ti材25。
藉此，在陶瓷基板11的第一面形成電路層12，製造 作為本實施形態的功率模組用基板10。
接著，在功率模組用基板10的電路層12的上面，透過軟焊材接合半導體元件3(半導體元件接合工程S03)。
如上所示，製造本實施形態之功率模組1。
藉由形成為如以上所示之構成之本實施形態之功率模組用基板10，在陶瓷基板11與電路層12的接合界面，Cu-P-Sn-Ni硬焊材24所含有的P及Ni被取入至形成在電路層12側的金屬間化合物層17，藉此在陶瓷基板11側形成有未具有含有P及Ni的金屬間化合物的Cu-Sn層14。亦即，由於在陶瓷基板11的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此可減低當被負荷冷熱循環時在陶瓷基板11產生的熱應力，且抑制在陶瓷基板11發生裂痕。
此外，在陶瓷基板11與電路層12的接合界面，如上所述由於在陶瓷基板11的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此當將陶瓷基板11與電路層12接合時，陶瓷基板11與電路層12的接合率提升，陶瓷基板與金屬層被良好接合。
此外，金屬間化合物層17被形成在由陶瓷基板11與Cu-Sn層14的界面為0.1μm以上、100μm以下的範圍內，因此在陶瓷基板11的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，即使被負荷冷熱循環，亦可確實抑制在陶瓷基板11發生裂痕。
此外，陶瓷基板11與電路層12被接合時，由於Cu-P-Sn-Ni硬焊材24的液相與Cu板22直接接觸，因此Cu-P-Sn-Ni硬焊材24的液相凝固所形成的Cu-Sn層14及金屬間化合物層17、及電路層12被強固接合。此外，Sn係比金屬間化合物層17更擴散至電路層12側，在電路層12中，在金屬間化合物層17的近傍係形成為Sn擴散至Cu中的構造，因此陶瓷基板11與電路層12的接合強度會提升。
此外，Ti材25的厚度被形成為0.1μm以上，較佳為0.5μm以上，更佳為1.0μm以上，因此使Cu-P-Sn-Ni硬焊材24所含有的P及Ni確實地與Ti相結合而形成金屬間化合物層17，可形成未具有含有P及Ni的金屬間化合物或非常少的Cu-Sn層14。此外，Ti材25的厚度被形成為5μm以下，因此當陶瓷基板11與電路層12相接合時，Ti材25會熔入在Cu-P-Sn-Ni硬焊材24的液相中，在接合界面未形成相較強度較高的Ti層。因此，當被負荷冷熱循環時，可抑制在陶瓷基板11發生裂痕。此外，與由Cu板22所成之電路層12相比，由於未形成熱電阻較大的Ti層，因此可減低功率模組用基板10的熱電阻。
基於如上所示之理由，Ti材25的厚度係被形成為0.1μm以上、5μm以下的範圍內。
此外，藉由本實施形態之功率模組用基板10、功率模組1，在陶瓷基板11的第一面形成有由Cu板22所成之電路層12，因此可將來自半導體元件3的熱擴 散而散放至陶瓷基板11側。此外，Cu板22係相較變形阻力較大，因此當被負荷冷熱循環時，電路層12的變形即被抑制，可抑制將半導體元件3與電路層12相接合的接合層2的變形，且可提升接合可靠性。
此外，藉由本實施形態之功率模組用基板10之製造方法，在使Cu-P-Sn-Ni硬焊材24與Ti材25介在於陶瓷基板11與Cu板22之間的狀態下進行加熱處理，因此，加熱時，Ti熔入至Cu-P-Sn-Ni硬焊材24熔融的液相，Cu-P-Sn-Ni硬焊材24的液相與陶瓷基板11的潤濕性變為良好。
此外，在加熱處理工程S02中，若加熱溫度為600℃以上，在陶瓷基板11與Cu板22的接合界面，可使Cu-P-Sn-Ni硬焊材24確實地熔融而使Ti材25熔入，因此可將陶瓷基板11與Cu板22確實地接合。此外，若加熱溫度為650℃以下，可抑制陶瓷基板11發生熱劣化，並且可減低在陶瓷基板11產生的熱應力。基於如上所示之理由，在本實施形態中，加熱溫度係被設定在600℃以上、650℃以下的範圍內。
此外，在加熱處理工程S02中，若被施加至陶瓷基板11等的壓力為1kgf/cm2(0.10MPa)以上時，可使陶瓷基板11與Cu-P-Sn-Ni硬焊材24的液相相密接，因此可將陶瓷基板11與Cu-Sn層14良好地接合。此外，若所被施加的壓力為35kgf/cm2(3.43MPa)以下時，可抑制在陶瓷基板11發生破損。基於如上所示之理由，在本 實施形態中，所被施加的壓力係被設定在1kgf/cm2以上、35kgf/cm2以下(0.10MPa以上、3.43MPa以下)的範圍內。
在加熱處理工程S02中，若加熱時間為30分鐘以上時，在陶瓷基板11與Cu板22的接合界面，熔融的Cu-P-Sn-Ni硬焊材24所含有的P、與Ti材25所含有的Ti相結合的時間被充分確保，因此可在陶瓷基板11側確實地形成Cu-Sn層。此外，即使加熱時間超過360分鐘，陶瓷基板11與電路層12的接合性不會比加熱時間為360分鐘的情形為更加提升。此外，若加熱時間超過360分鐘，生產性會降低。基於如上所示之理由，在本實施形態中，加熱時間係被設定在30分鐘以上、360分鐘以下的範圍內。
此外，在本實施形態中，由於使用硬焊材的熔點為580℃的Cu-P-Sn-Ni硬焊材24，因此可以低溫形成硬焊材的液相。其中，在本實施形態中，係使用Cu-P-Sn-Ni硬焊材的固相線溫度作為熔點。
(第二實施形態)
接著，說明本發明之第二實施形態。其中，關於與第一實施形態為相同的構成，係標註相同符號記載，且省略詳細說明。
在圖6中顯示具備有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係具備有：在陶瓷基板11的第一面上配設有電路層112的功率模組用基板110、透過接合層2而被接合在電路層112的其中一面(圖6中為上面)的半導體元件3、及被配置在功率模組用基板110的另一側(圖6中為下側)的散熱片130。
功率模組用基板110係如圖7所示，具備有：陶瓷基板11、被配設在該陶瓷基板11的其中一面亦即第一面(圖7中為上面)的電路層112、及被配設在陶瓷基板11的另一面亦即第二面(圖7中為下面)的金屬層113。
陶瓷基板11係由放熱性優異的AlN(氮化鋁)所構成。
電路層112係與第一實施形態同樣地，藉由在陶瓷基板11的第一面依序積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材25、由無氧銅所成之Cu板122的狀態下，將該等進行加熱處理來接合Cu板122而形成(參照圖10)。
其中，電路層112的厚度係被設定在0.1mm以上、1.0mm以下的範圍內，在第二實施形態中係被設定為0.6mm。
接著，在陶瓷基板11與電路層112的接合界面係與第一實施形態同樣地，形成有位於陶瓷基板11側的Cu-Sn層(第一Cu-Sn層)14、及位於電路層112與Cu-Sn層14之間且含有P、Ni、及Ti的金屬間化合物層(第一金屬間化合物層)17。
金屬層113係藉由在陶瓷基板11的另一面亦即第二面，透過Cu-P-Sn系的硬焊材而接合Cu或Cu合金的金屬板所形成。在第二實施形態中，金屬層113係在陶瓷基板11的第二面積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、作為Ti材25的Ti箔、由無氧銅所成之Cu板122的狀態下，將該等進行加熱處理來接合Cu板122而形成(參照圖10)。
該金屬層113的厚度係被設定在0.1mm以上、1.0mm以下的範圍內，在本實施形態中係被設定為0.6mm。
在陶瓷基板11與金屬層113的接合界面係形成有：位於陶瓷基板11側的Cu-Sn層(第二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的金屬間化合物層(第二金屬間化合物層)117。金屬間化合物層117係藉由Cu-P-Sn-Ni硬焊材24所含有的P及Ni與Ti材25所含有的Ti相結合而形成。金屬間化合物層117係具有P-Ni-Ti相117a、P-Ti相117b、Cu-Ni-Ti相117c的任一種以上。
在本實施形態中，金屬間化合物層117係如圖8所示，具有：P-Ni-Ti相17a、P-Ti相17b、及Cu-Ni-Ti相17c。
亦即，Cu-Sn層(第二Cu-Sn層)114係具有與Cu-Sn層(第一Cu-Sn層)14為實質上相同的構造，金屬間化合物層(第二金屬間化合物層)117係具有與金屬間化合物層(第一金屬間化合物層)17為實質上相同的構造。 接著，該陶瓷基板11與金屬層113的接合界面係形成為與上述陶瓷基板11與電路層112的接合界面相同的構造。
散熱片130係用以將來自前述功率模組用基板110的熱散放者。該散熱片130係由Cu或Cu合金所構成，在本實施形態中係由無氧銅所構成。在該散熱片130係設有供冷卻用流體流通的流路131。其中，在本實施形態中，散熱片130與金屬層113係藉由由軟焊材所成之軟焊材層132相接合。
接著，參照圖9的流程圖及圖10，說明本實施形態之功率模組101之製造方法。
首先，如圖10所示，在陶瓷基板11的第一面(圖10中為上面)依序積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材25、及成為電路層112的Cu板122(第一積層工程S11)。與此同時，在陶瓷基板11的第二面(圖10中為下面)亦依序積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材25、及成為金屬層113的Cu板123(第二積層工程S12)。亦即，在陶瓷基板11與Cu板122、123之間，在陶瓷基板11側配置Cu-P-Sn-Ni硬焊材24，在Cu板122、123側配置Ti材25。
其中，Ti材25的厚度被形成為0.1μm以上、5μm以下的範圍內。在此，Ti材25若厚度為0.1μm以上、未達0.5μm時，係以藉由蒸鍍或濺鍍來進行成膜為佳，若厚度為0.5μm以上、5μm以下時，係以使用箔材為佳。此外， Ti材25的較佳厚度為0.5μm以上、5μm以下的範圍內，甚至為1.0μm以上、4.0μm以下的範圍內。在本實施形態中係使用厚度1.0μm的Ti材25。
接著，在將陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材25、及Cu板122、123朝積層方向進行加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))的狀態下，裝入在真空加熱爐內進行加熱(加熱處理工程S13)。在此，在第二實施形態中，係將真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，將加熱溫度設定在600℃以上、650℃以下的範圍內，將加熱時間設定在30分鐘以上、360分鐘以下的範圍內。
在該加熱處理工程S13中，Cu-P-Sn-Ni硬焊材24熔融而形成液相，Ti材25熔入在該液相，因液相凝固，陶瓷基板11與Cu板122、123相接合。
藉此，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，製造作為本實施形態的功率模組用基板110。
接著，在功率模組用基板110的金屬層113的下面，透過軟焊材接合散熱片130(散熱片接合工程S14)。
接著，在功率模組用基板110的電路層112的上面，透過軟焊材接合半導體元件3(半導體元件接合工程S15)。
如上所示，製造本實施形態之功率模組101。
在形成為如以上所示之構成之第二實施形態之功率模組用基板110中，達成與在第一實施形態中所說明的功率模組用基板10相同的效果。
此外，在功率模組用基板110中，由於在陶瓷基板11的第二面形成有由Cu板123所成之金屬層113，因此可將來自半導體元件3的熱，透過金屬層113有效率地散放。
接著，在陶瓷基板11與金屬層113的接合界面，與陶瓷基板11與電路層112的接合界面同樣地，在陶瓷基板11側形成有Sn固溶在Cu中的Cu-Sn層114，在陶瓷基板11的近傍未形成有較硬的金屬間化合物。因此，可減低當被負荷冷熱循環時在陶瓷基板11產生的熱應力，且抑制在陶瓷基板11發生裂痕。
此外，陶瓷基板11與金屬層113的接合界面，由於在陶瓷基板11的近傍未形成有較硬的金屬間化合物，因此陶瓷基板與金屬層的接合率提升，陶瓷基板與金屬層被良好接合。
此外，在第二實施形態之功率模組用基板110中，在金屬層113係接合有散熱片130，因此可由散熱片130有效率地散熱。
此外，藉由第二實施形態之功率模組用基板110之製造方法，由於形成為同時在陶瓷基板11的其中一面亦即第一面接合電路層112，在另一面亦即第二面接合金屬層113的構成，因此可簡化製造工程，且減低製造 成本。
(第三實施形態)
接著，說明本發明之第三實施形態。其中，關於與第一實施形態相同的構成，係標註相同符號記載，且省略詳細說明。
在圖11中顯示具備有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係具備有：在陶瓷基板11的第一面上配設有電路層212的功率模組用基板210；及透過接合層2而被接合在電路層212的其中一面(圖11中為上面)的半導體元件3；及透過接合層232而被接合在功率模組用基板210的另一側(圖11中為下側)的散熱片230。
功率模組用基板210係如圖12所示，具備有：陶瓷基板11、被配設在該陶瓷基板11的其中一面亦即第一面(圖12中為上面)的電路層212、及被配設在陶瓷基板11的另一面亦即第二面(圖12中為下面)的金屬層213。
陶瓷基板11係由放熱性優異的AlN(氮化鋁)所構成。
電路層212係與第一實施形態同樣地，藉由在陶瓷基板11的第一面依序積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、作為Ti材25的Ti箔、由無氧銅所成之Cu板222，將該 等加熱處理而將Cu板222接合來形成(參照圖14)。
其中，電路層212的厚度被設定在0.1mm以上、1.0mm以下的範圍內，在第三實施形態中係被設定為0.6mm。
接著，在陶瓷基板11與電路層212的接合界面係與第一實施形態同樣地，形成有：位於陶瓷基板11側的Cu-Sn層14、及位於電路層212與Cu-Sn層14之間且含有P、Ni、及Ti的金屬間化合物層17。
金屬層213係藉由在陶瓷基板11的另一面亦即第二面，透過接合材227接合Al或Al合金的金屬板而形成。在第三實施形態中，金屬層213係藉由在陶瓷基板11的第二面，接合純度99.99質量%以上的Al板223而形成(參照圖14)。
該金屬層213的厚度係被設定在0.1mm以上、3.0mm以下的範圍內，在本實施形態中係被設定為1.6mm。
散熱片230係由Al或Al合金所構成，在本實施形態中係由A6063(Al合金)所構成。在該散熱片230設有供冷卻用流體流動的流路231。其中，該散熱片230與金屬層213係藉由Al-Si系硬焊材而相接合。
接著，參照圖13的流程圖及圖14，說明本實施形態之功率模組201之製造方法。
首先，如圖14所示，在陶瓷基板11的第一面(圖14中為上面)依序積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材25、及成為電路層212的Cu板222(第一積層工程 S21)。與此同時，在陶瓷基板11的第二面(圖14中為下面)，透過接合材227依序積層成為金屬層213的Al板223(第二積層工程S22)。接著，另外在Al板223的下側，透過接合材242積層散熱片230(第三積層工程S23)。
其中，Ti材25的厚度係被設在0.1μm以上、5μm以下的範圍內。在此，Ti材25若厚度為0.1μm以上、未達0.5μm時，係以藉由蒸鍍或濺鍍進行成膜為佳，若厚度為0.5μm以上、5μm以下時，係以使用箔材為佳。此外，Ti材25的較佳厚度為0.5μm以上、5μm以下的範圍內，甚至為1.0μm以上、4.0μm以下的範圍內。
此外，在本實施形態中，接合材227、242係被形成為含有作為熔點降下元素的Si的Al-Si系硬焊材，在第三實施形態中係使用Al-7.5mass%Si硬焊材。
接著，在將陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材25、Cu板222、接合材227、Al板223、接合材242、及散熱片230朝積層方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))的狀態下，裝入至真空加熱爐內進行加熱(加熱處理工程S24)。在此，在第三實施形態中，將真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，將加熱溫度設定在600℃以上、650℃以下的範圍內，將加熱時間設定在30分鐘以上、360分鐘以下的範圍內。
在該加熱處理工程S24中，Cu-P-Sn-Ni硬焊 材24熔融而形成液相，Ti材25熔入在該液相，因凝固，陶瓷基板11與Cu板222被接合。此外，在加熱處理工程S24中，接合材227熔融而形成液相，因該液相凝固，透過接合材227，陶瓷基板11與Al板223被接合。此外，在加熱處理工程S24中，接合材242熔融而形成液相，因該液相凝固，透過接合材242，Al板223與散熱片230被接合。
藉此，製造作為第三實施形態的功率模組用基板210。
接著，在功率模組用基板210的電路層212的上面，透過軟焊材接合半導體元件3(半導體元件接合工程S25)。
如上所示，製造第三實施形態之功率模組201。
在形成為如以上所示之構成之第三實施形態之功率模組用基板210中，達成與在第一實施形態中所說明之功率模組用基板10相同的效果。
此外，在第三實施形態之功率模組用基板210中，在陶瓷基板11的第二面形成有接合Al板223而成的金屬層213，因此可將來自半導體元件3的熱，透過金屬層213有效率地散放。此外，Al由於相較變形阻力較低，因此當被負荷冷熱循環時，可藉由金屬層213來吸收在功率模組用基板210與散熱片230之間發生的熱應力。結果，可抑制在陶瓷基板11發生破損。
此外，藉由第三實施形態之功率模組用基板210之製造方法，由於同時在陶瓷基板11的第一面接合電路層212，在第二面接合金屬層213，因此可簡化製造工程，且減低製造成本。
(第四實施形態)
接著，說明本發明之第四實施形態。其中，關於與第一實施形態為相同的構成，係標註相同符號記載，且省略詳細說明。
在圖15中顯示具備有第四實施形態之功率模組用基板310的功率模組301。
該功率模組301係具備有：在陶瓷基板11的第一面上配設有電路層312的功率模組用基板310、及透過接合層2而被接合在電路層312的其中一面(圖15中為上面)的半導體元件3。
功率模組用基板310係如圖15所示，具備有：陶瓷基板11、被配設在該陶瓷基板11的其中一面亦即第一面(圖15中為上面)的電路層312、及被配設在陶瓷基板11的另一面亦即第二面(圖15中為下面)的金屬層313。
陶瓷基板11係由放熱性優異的AlN(氮化鋁)所構成。
電路層312係與第一實施形態同樣地，藉由在陶瓷基板11的第一面依序積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、 Ti材325、由無氧銅所成之Cu板322，將該等加熱處理來接合Cu板322而形成(參照圖18)。
其中，電路層312的厚度係被設定在0.1mm以上、1.0mm以下的範圍內，在本實施形態中係被設定為0.6mm。
接著，在本實施形態中，在電路層312係藉由蝕刻形成有電路圖案。
在陶瓷基板11與電路層312的接合界面，如圖16所示，形成有：位於陶瓷基板11側的Cu-Sn層14、及位於電路層312與Cu-Sn層14之間，含有P、Ni、及Ti的金屬間化合物層317。
在此，在本實施形態中，如圖16所示，形成有P-Ni-Ti相317a作為金屬間化合物層317。該P-Ni-Ti相317a係分布成島狀。
金屬層313係藉由在陶瓷基板11的另一面亦即第二面接合Al或Al合金的金屬板而形成。在第四實施形態中，金屬層313係藉由在陶瓷基板11的第二面接合純度99.99質量%以上的Al板323而形成(參照圖18)。
該金屬層313的厚度係被設定在0.1mm以上、3.0mm以下的範圍內，在本實施形態中係被設定為1.6mm。
接著，參照圖17的流程圖及圖18，說明本實施形態之功率模組301之製造方法。
首先，如圖18所示，在陶瓷基板11的第一面(圖 18中為上面)依序積層Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材325、及成為電路層312的Cu板322(第一積層工程S31)。與此同時，在陶瓷基板11的第二面(圖18中為下面)透過接合材327依序積層成為金屬層313的Al板323(第二積層工程S32)。
在此，在本實施形態中，Ti材325的厚度被設為0.1μm以上、未達0.5μm的範圍內，較佳為被設為0.1μm以上、0.3μm以下的範圍內。如上所示之厚度薄的Ti材325係以藉由蒸鍍或濺鍍而成膜在Cu板322的接合面為佳。
接著，在將陶瓷基板11、Cu-P-Sn-Ni硬焊材24、Ti材325、Cu板322、接合材327、Al板323朝積層方向加壓(壓力1~35kgf/cm2(0.10~3.43MPa))的狀態下，裝入至真空加熱爐內進行加熱(加熱處理工程S33)。在此，在第四實施形態中，將真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，將加熱溫度設定在600℃以上、650℃以下的範圍內，將加熱時間設定在30分鐘以上、360分鐘以下的範圍內。
在該加熱處理工程S33中，Cu-P-Sn-Ni硬焊材24熔融而形成液相，Ti材325熔入在該液相，因凝固，陶瓷基板11與Cu板322相接合。此外，接合材327熔融而形成液相，因該液相凝固，透過接合材327，陶瓷基板11與Al板323相接合。
接著，將功率模組用基板310的電路層312 進行蝕刻處理，形成電路圖案(蝕刻處理工程S34)。
在該蝕刻處理工程S34中，藉由以氯化鐵(III)水溶液處理10分鐘左右來進行蝕刻。
藉此，製造第四實施形態之功率模組用基板310。
接著，在功率模組用基板310的電路層312的上面，透過軟焊材接合半導體元件3(半導體元件接合工程S35)。
如上所示，製造第四實施形態之功率模組301。
在形成為如以上所示之構成之第四實施形態之功率模組用基板310中，達成與在第一實施形態中所說明之功率模組用基板10相同的效果。
此外，在第四實施形態之功率模組用基板310中，如圖16所示，以含有P、Ni、及Ti的金屬間化合物層317而言，形成有分布成島狀的P-Ni-Ti相317a，因此在蝕刻處理工程S34中不易發生殘渣物。因此，可藉由蝕刻，在電路層312精度佳地形成電路圖案。
如上所示，若考慮到蝕刻性時，將Ti材325設為0.1μm以上、未達0.5μm，較佳為設為0.1μm以上、0.3μm以下的範圍內。
以上說明本發明之實施形態，惟本發明並非限定於此，可在未脫離本發明之技術思想的範圍內作適當變更。
其中，在第二實施形態及第三實施形態中，係說明同時在陶瓷基板的第一面接合電路層、在第二面接 合金屬層的情形，但是亦可將電路層及金屬層各自接合。
此外，在第三實施形態中，係說明將電路層、金屬層、及散熱片同時接合的情形，但是亦可形成為在將電路層及金屬層接合在陶瓷基板之後，將金屬層及散熱片接合的構成。
此外，在第三、第四實施形態中，係說明在陶瓷基板的第二面透過Al-Si系硬焊材接合金屬層的情形，但是亦可藉由過渡液相接合法(TLP)或Ag糊膏等來接合。
此外，在第二實施形態及第三實施形態中，係說明使用設有流路的散熱片的情形，但是亦可使用被稱為放熱板的板狀者、或具有銷狀散熱鰭片的散熱片。此外，說明將功率模組用基板及散熱片以軟焊材或硬焊材進行接合的情形，但是亦可在功率模組用基板與散熱片之間塗佈油脂，藉由螺止等，將該等固定。此外，在第二實施形態及第三實施形態之功率模組用基板中，亦可在功率模組用基板的另一面側(陶瓷基板的第二面側)未接合散熱片。
其中，在第一實施形態、第二實施形態及第三實施形態中，係說明使用Ti箔作為Ti材的情形或以蒸鍍或濺鍍形成Ti材的情形，但是亦可使用在Cu構件的其中一面配設有Ti的Cu構件/Ti被覆材。
此外，亦可使用在Ti材的其中一面配設有Cu-P-Sn系硬焊材的Ti材/硬焊材被覆材、或依Cu構件、Ti材、Cu-P-Sn系硬焊材的順序積層的Cu構件/Ti材/硬焊材被 覆。
此外，在第一實施形態、第二實施形態及第三實施形態中，係使Ti箔作為Ti材而介在於Cu-P-Sn系硬焊材與Cu板之間，但並非侷限於此，亦可介在於陶瓷基板與Cu-P-Sn系硬焊材之間。
此外，在第四實施形態中係在Cu板的接合面形成有Ti材，但並非侷限於此，亦可形成在陶瓷基板的接合面。
此外，在上述實施形態中係使用箔材作為Cu-P-Sn系的硬焊材，但是並非侷限於此，亦可使用Cu-P-Sn系的硬焊材粉末，或使用Cu-P-Sn系的硬焊材粉末的糊膏。
[實施例]
(實施例1)
以下說明為確認本發明之實施形態之效果所進行之確認實驗(實施例1)的結果。
在表1記載的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面，依序積層具有表1所示之厚度的Cu-P-Sn系硬焊材箔(37mm×37mm)、具有表1所示之厚度的Ti材(37mm×37mm)、由無氧銅所成之Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。其中，若陶瓷基板的材質為AlN時，形成為厚度0.635mm，若材質為Si3N4時係形成為0.32mm。
接著，在將所積層的陶瓷基板、Cu-P-Sn系硬焊材 箔、Ti材、Cu板朝積層方向以壓力15kgf/cm2(1.47MPa)加壓的狀態下裝入至真空加熱爐內，藉由加熱，在陶瓷基板的第一面接合Cu板，形成電路層。在此，將真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，將加熱溫度及加熱時間設定為表1的條件。如上所示獲得本發明例1-1~1-13的功率模組用基板。其中，本發明例1-1~1-10及1-12~1-13係使用Ti箔作為Ti材。在本發明例1-11中，係藉由濺鍍，將Ti膜成膜在Cu板的接合面作為Ti材。
此外，如下所示獲得比較例1的功率模組用基板。在由AlN所成之陶瓷基板(40mm×40mm×厚度0.635mm)的第一面，依序積層具有表1所示之厚度的Cu-P-Sn系硬焊材(37mm×37mm)、由無氧銅所成之Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。接著，在將所積層的陶瓷基板、Cu-P-Sn系硬焊材、Cu板朝積層方向以壓力15kgf/cm2(1.47MPa)加壓的狀態下裝入至真空加熱爐內，藉由加熱，在陶瓷基板的第一面接合Cu板，形成電路層。亦即，比較例1的功率模組用基板係當將陶瓷基板與Cu板進行接合時，未介在Ti材地進行接合。
對如上述所得的功率模組用基板，評估電路層與陶瓷基板的初期接合率。將接合率的評估方法說明如下。
此外，對所得的功率模組用基板，在陶瓷基板與電路層的接合界面，確認有無含有P及Ti的金屬間化合物 層。含有P及Ti的金屬間化合物層的有無的確認方法亦說明如下。
(接合率評估)
對功率模組用基板，針對陶瓷基板與電路層的界面的接合率，使用超音波探測裝置(日立Power Solutions公司製FineSAT200)進行評估，由下式進行計算。
在此，初期接合面積係指接合前應接合的面積，在本實施例中係形成為電路層的面積(37mm×37mm)。在將超音波探測像進行二值化處理的畫像中，剝離係以接合部內的白色部表示，因此將該白色部的面積設為剝離面積。
(接合率(%))={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積)×100
(含有P及Ti的金屬間化合物層的有無的確認方法)
關於含有P及Ti的金屬間化合物層，由藉由EPMA(電子線微分析儀，日本電子公司製JXA-8530F)所為之P及Ti元素的映射，將在Ti/Cu-P-Sn系硬焊材界面(與積層方向呈平行的剖面)中P及Ti元素共存的部位設為金屬間化合物層，確認其之有無。
將以上評估結果顯示於表1。
如表1所示，關於本發明例1-1~1-13，由於介在Cu-P-Sn系硬焊材及Ti材來將陶瓷基板與Cu板相接合，因此陶瓷基板與電路層的初期接合率高，確認出被良好接合。
另一方面，比較例1係當陶瓷基板與Cu板相接合時，未介在Ti材地進行接合，因此無法將陶瓷基板及Cu板(電路層)相接合。
(實施例2)
接著說明為確認本發明之實施形態之效果所進行之確認實驗(實施例2)的結果。
在表2記載的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面及第二面，依序積層具有表2所示之厚度的Cu-P-Sn系硬焊材箔(37mm×37mm)、具有表2所示之厚度的Ti材(37mm×37mm)、由無氧銅所成之Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。其中，若陶瓷基板的材質為AlN，形成為厚度0.635mm，若材質為Si3N4，則形成為0.32mm。
將所被積層的陶瓷基板、Cu-P-Sn系硬焊材箔、Ti材、Cu板，在朝積層方向以壓力15kgf/cm2(1.47MPa)加壓的狀態下裝入至真空加熱爐內，藉由加熱，在陶瓷基板的第一面及第二面接合Cu板，形成電路層及金屬層。在此，將真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，將加熱溫度及加熱時間設為表2所示之條件。如上所示獲得本發明例2-1~2-13的功率模組用基 板。其中，本發明例2-1~2-10及2-12~2-13係使用Ti箔作為Ti材。在本發明例2-11中，係藉由濺鍍，將Ti膜成膜在Cu板的接合面作為Ti材。
除了未介在Ti材地接合陶瓷基板及電路層之外，以與本發明例2-1~2-13的功率模組用基板相同的方法獲得比較例2的功率模組用基板。
對如上述所得的功率模組用基板，測定電路層與陶瓷基板的初期接合率、及冷熱循環試驗後的接合率。此外，在冷熱循環試驗中，測定在功率模組用基板的陶瓷基板發生破損為止的次數。
此外，對所得的功率模組用基板，確認在陶瓷基板與電路層的接合界面有無含有P及Ti的金屬間化合物層。
其中，接合率的評估、含有P及Ti的金屬間化合物層之有無的確認係與實施例1同樣地進行。冷熱循環試驗係如下進行。
(冷熱循環試驗)
冷熱循環試驗係使用冷熱衝撞試驗機ESPEC公司製TSB-51，對功率模組用基板，以液相(Fluorinert)，將-40℃、3分鐘及150℃、7分鐘的周期設為1周期，實施2000周期。其中，關於在進行2000周期冷熱循環試驗之後，亦在陶瓷基板未發生破損的功率模組用基板，在表2中記載為「>2000」。
將以上評估結果顯示於表2。
如表2所示，關於本發明例2-1~2-13，由於介在Cu-P-Sn系硬焊材及Ti材來接合陶瓷基板與Cu板，因此陶瓷基板與電路層的初期接合率高，確認出被良好接合。此外，本發明例2-1~2-13係被確認出冷熱循環試驗後的接合率亦高、接合可靠性高。此外，本發明例2-1~2-13係在冷熱循環試驗中，亦被確認出至在陶瓷基板發生破損為止的循環次數多，在陶瓷基板不易發生破損。
另一方面，比較例2係當陶瓷基板與Cu板接合時，未介在Ti材地進行接合，因此無法將陶瓷基板及Cu板(電路層)接合。
(實施例3)
接著說明為確認本發明之實施形態之效果所進行之確認實驗(實施例3)的結果。
在表3記載的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面，依序積層具有表3所示之厚度的Cu-P-Sn系硬焊材箔(37mm×37mm)、具有表3所示之厚度的Ti材(37mm×37mm)、由無氧銅所成之Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。其中，若陶瓷基板的材質為AlN，形成為厚度0.635mm，若材質為Si3N4，則形成為0.32mm。此外，在陶瓷基板的第二面，透過Al-Si系硬焊材積層由純度99.99%的Al所成之Al板(37mm×37mm×厚度1.6mm)。
接著，將所積層的陶瓷基板、Cu-P-Sn系硬焊材箔、Ti材、Cu板、Al-Si系硬焊材、及Al板，在朝積層方向 以壓力15kgf/cm2(1.47MPa)加壓的狀態下裝入至真空加熱爐內，藉由加熱，在陶瓷基板的第一面接合Cu板而形成電路層，在第二面接合Al板而形成金屬層。在此，將真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，將加熱溫度及加熱時間設為表3所示之條件。如上所示獲得本發明例3-1~3-13的功率模組用基板。其中，本發明例3-1~3-10及3-12~3-13係使用Ti箔作為Ti材。在本發明例3-11中，係藉由濺鍍，將Ti膜成膜在Cu板的接合面作為Ti材。
除了未介在Ti材地將陶瓷基板與電路層接合以外，與本發明例3-1~3-11的功率模組用基板同樣地獲得比較例3的功率模組用基板。
對如上述所得的功率模組用基板，測定電路層與陶瓷基板的初期接合率、冷熱循環試驗後的接合率，此外，在冷熱循環試驗中，至功率模組用基板的陶瓷基板發生破損為止的次數。
此外，對所得的功率模組用基板，在陶瓷基板與電路層的接合界面，確認有無含有P及Ti的金屬間化合物層的有無。
其中，接合率的評估、冷熱循環試驗、含有P及Ti的金屬間化合物層的有無的確認係與實施例2同樣地進行。
將以上評估結果顯示於表3。
如表3所示，關於本發明例3-1~3-13，由於介在Cu-P-Sn系硬焊材及Ti材來接合陶瓷基板與Cu板，因此陶瓷基板與電路層的初期接合率高，確認出被良好接合。此外，本發明例3-1~3-13係冷熱循環試驗後的接合率亦高，被確認為接合可靠性高。此外，本發明例3-1~3-13係亦被確認出在冷熱循環試驗中，至在陶瓷基板發生破損為止的循環次數多，在陶瓷基板不易發生破損。
另一方面，比較例3係當陶瓷基板與Cu板相接合時，由於未介在Ti材地進行接合，因此無法將陶瓷基板與Cu板(電路層)相接合。
(實施例4)
接著，說明為確認本發明之實施形態之效果所進行之確認實驗(實施例4)的結果。
在表4記載的陶瓷基板(40mm×40mm)的第一面，依序積層具有表4所示之厚度的Cu-P-Sn系硬焊材(37mm×37mm)、具有表4所示之厚度的Ti材(37mm×37mm)、由無氧銅所成之Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)。若陶瓷基板的材質為AlN，形成為厚度0.635mm，若材質為Si3N4，則形成為0.32mm。其中，藉由濺鍍，將Ti膜成膜在Cu板的接合面作為Ti材。
接著，將所積層的陶瓷基板、Cu-P-Sn系硬焊材、Ti材、及Cu板，在朝積層方向以壓力15kgf/cm2(1.47MPa)加壓的狀態下裝入至真空加熱爐內，藉由加熱，在陶瓷基 板的第一面接合Cu板，形成電路層。在此，將真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上、10-3Pa以下的範圍內，將加熱溫度及加熱時間設定為表4的條件。如上所示獲得本發明例4-1~4-8的功率模組用基板。
(蝕刻試驗)
蝕刻試驗係首先對所得之功率模組用基板，使用氯化鐵(III)水溶液作為蝕刻液，蝕刻時間設為10分鐘，以形成預定的電路圖案的方式在電路層進行蝕刻。
接著，在形成有預定的電路圖案的電路層中，將電路圖案間表面以EPMA進行定量分析，測定硬焊材成分(例如在本發明例4-1中為Cu、P、Sn、Ni)與Ti的量的合計量。測定係進行10處，將其平均值設為合計量。若合計量為未達0.2at%，評估為「A」，若為0.2at%以上、未達0.4at%，評估為「B」，若為0.4at%以上，則評估為「C」。
將以上的評估結果顯示於表4。
如表4所示，關於本發明例4-1~4-8，Ti材的厚度被形成為未達0.5μm，因此被確認出蝕刻性良好。
[產業上可利用性]
藉由本發明之接合體及功率模組用基板，陶瓷構件與Cu構件被良好接合，而且，當被負荷冷熱循環時，可抑制在陶瓷構件發生裂痕。因此，本發明之接合體及功率模組用基板係亦適於被使用在用以控制風力發電、電動車等電動車輛等之大電力控制用的功率半導體元件等使用環境嚴謹的功率模組。
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12‧‧‧電路層(Cu構件)
14‧‧‧Cu-Sn層
17‧‧‧金屬間化合物層
17a‧‧‧P-Ni-Ti相
17b‧‧‧P-Ti相
17c‧‧‧Cu-Ni-Ti相

Claims (6)

  1. 一種接合體，其係由陶瓷所成之陶瓷構件、及由Cu或Cu合金所成之Cu構件透過Cu-P-Sn系硬焊材及Ti材而相接合的接合體，其特徵為，在前述陶瓷構件與前述Cu構件的接合界面係形成有：位於前述陶瓷構件側，Sn固溶在Cu中的Cu-Sn層；及位於前述Cu構件與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的金屬間化合物層。
  2. 如申請專利範圍第1項之接合體，其中，前述金屬間化合物層形成為由前述陶瓷構件與前述Cu-Sn層的界面為0.1μm以上、100μm以下的範圍內。
  3. 一種功率模組用基板，其特徵為：由如申請專利範圍第1項或第2項之接合體所構成，具備有：由前述陶瓷構件所成之陶瓷基板；及透過Cu-P-Sn系硬焊材及Ti材，由前述Cu構件所成之Cu板被接合在該陶瓷基板的第一面所成之電路層，在前述陶瓷基板與前述電路層的接合界面係形成有：位於前述陶瓷基板側，Sn固溶在Cu中的Cu-Sn層；及位於前述電路層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的金屬間化合物層。
  4. 如申請專利範圍第3項之功率模組用基板，其中， 在前述陶瓷基板的第二面形成有金屬層。
  5. 如申請專利範圍第4項之功率模組用基板，其中，前述金屬層係在前述陶瓷基板的第二面，透過Cu-P-Sn系硬焊材及Ti材接合由Cu或Cu合金所成之Cu板而成，在前述陶瓷基板與前述金屬層的接合界面係形成有：位於前述陶瓷基板側，Sn固溶在Cu中的Cu-Sn層；及位於前述金屬層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的金屬間化合物層。
  6. 如申請專利範圍第4項之功率模組用基板，其中，前述金屬層係由Al或Al合金所成。
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