TWI609461B - 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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Description

接合體之製造方法及功率模組用基板之製造方法
該發明係關於接合陶瓷構件和銅構件而構成之接合體之製造方法及在陶瓷基板接合由銅或銅合金所構成之電路層或金屬層的功率模組用基板之製造方法。
本申請係根據在2013年3月18日於日本所申請之日本特願2013-055517號而主張優先權,並於此援用其內容。
在LED或功率模組等之半導體裝置中,被設為在由導電材料所構成之電路層上接合半導體元件的構成。
在被用於控制風力發電、電動車等之電動車輛等之大電力控制用之功率半導體元件中,由於發熱量多,故就以搭載此之基板而言,自以往廣泛使用在由例如AlN(氮化鋁)等所構成之陶瓷基板之一方之表面接合導電性優良之金屬板以當作電路層的功率模組用基板。再者,也有在陶 瓷基板之另一方之表面接合金屬板以作為金屬層。
例如,在專利文獻1所示之功率模組用基板中,被設為於陶瓷基板(陶瓷構件)之一方之表面及另一方之表面,接合銅板(銅構件),形成電路層及金屬層的構成。該功率模組用基板係在陶瓷基板之一方之表面及另一方之表面,隔著Ag-Cu-Ti系硬焊材而配置銅板,藉由進行加熱處理,接合銅板。
因在上述Ag-Cu-Ti系硬焊材中,含有活性金屬之Ti,故於隔著Ag-Cu-Ti系硬焊材接合陶瓷基板和銅板之時,硬焊材之液相和陶瓷基板之濕潤性良好,可以良好地接合陶瓷基板和銅板。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3211856號公報
然而,如專利文獻1所揭示般,當使用Ag-Cu-Ti系硬焊材接合陶瓷基板和銅板時,因Ag-Cu-Ti系硬焊材之熔點高,故有陶瓷基板由於熱而惡化之問題。
再者,Ag-Cu-Ti系硬焊材因含有高價之Ag,故有製造成本變高之問題。
該發明係鑑於上述情形而創作出,其目的為 提供可以低溫接合陶瓷構件和銅構件,並且製造成本低之接合體之製造方法及功率模組用基板之製造方法。
本發明之接合體之製造方法之態樣為接合由陶瓷所構成之陶瓷構件,和由銅或銅合金所構成之銅構件而成的接合體之製造方法,具備:隔著活性金屬材或熔點為710℃以下之焊填材,疊層上述陶瓷構件和上述銅構件之疊層工程;和對被疊層之上述陶瓷構件及上述銅構件進行加熱處理之加熱處理工程。並且,在本發明中,熔點設為固相線溫度。再者,在本發明中,焊填材係指硬焊材或軟焊材等。
若藉由本發明之接合體之製造方法時,隔著活性金屬材及熔點為710℃以下之焊填材將由銅或銅合金所構成之銅構件疊層在陶瓷構件,對上述陶瓷構件及上述銅構件進行加熱處理。加熱處理時,在溶融之液相之焊填材溶入活性金屬,液相之焊填材對陶瓷構件之濕潤性變高,於焊填材凝固之後,銅構件隔著焊填材良好地被接合於陶瓷構件。
再者,因焊填材之熔點被設為710℃以下,故可以在比使用Ag-Cu-Ti系硬焊材之時低的溫度,形成焊填材之液相。當在如此之低溫域進行加熱處理時,可以減輕熱對陶瓷構件的負載。
並且,因使用不含有Ag之焊填材而接合陶瓷構件和 銅構件,故比起使用Ag-Cu-Ti系硬焊材之時,可以降低使用製造成本。
再者,在上述疊層工程中,即使在上述陶瓷構件側配置上述焊填材,在上述銅構件側配置上述活性金屬材亦可。
此時,可以於加熱處理時藉由固相擴散接合將銅構件和活性金屬材予以接合,並且可以抑制在接合界面產生Cu和活性金屬之液相而在接合界面產生瘤狀物,或厚度變動之情形。再者,因在活性金屬介於焊填材之液相和銅構件之間,故焊填材之液相和銅構件不會直接接觸,可以確實抑制在接合界面產生瘤狀物,或厚度變動之情形。
如上述般,因焊填材與陶瓷基板被良好接合,並且活性金屬材和銅構件藉由固相擴散接合被接合,故即使在低溫條件亦可以良好地接合陶瓷構件和銅構件,並可以抑制陶瓷構件熱惡化。
再者,在上述接合體之製造方法中,上述焊填材及使為液相線溫度450℃以上之硬焊材亦可。
具體而言,上述硬焊材即使為選自Cu-P系硬焊材、Cu-Sn系硬焊材及Cu-Al系硬焊材中選出之任一種亦可。
於使用如此之硬焊材之時,因硬焊材之熔點低,即使在低溫條件亦可以確實進行陶瓷構件和銅構件之接合。
並且,就以Cu-P系硬焊材而言,例如可以使用Cu-P硬焊材、Cu-P-Sn硬焊材、Cu-P-Sn-Ni系硬焊材等。
再者,在上述接合體之製造方法中,上述焊 填材及使為液相線溫度未滿450℃之軟焊材亦可。具體而言,上述軟焊材即使為Cu-P-Sn-Ni系軟焊材或Cu-Sn系軟焊材亦可。
於使用如此之軟焊材之時,因軟焊材之熔點低,即使在更低溫條件亦可以進行陶瓷構件和銅構件之接合。
再者,在上述接合體之製造方法中,上述活性金屬材即使為Ti材亦可。依此,藉由在焊填材之液相中溶入Ti,可以確實地以焊填材之液相使陶瓷基板之表面濕潤,可以確實地接合陶瓷構件和銅構件。
本發明之功率模組用基板之製造方法係在陶瓷基板之一方之表面形成銅或銅合金所構成之電路層的功率模組用基板之製造方法,其特徵在於:藉由上述接合體之製造方法接合上述陶瓷基板和上述電路層。依此,因可以以比較低溫形成電路層,故可以抑制於接合時陶瓷基板惡化。
再者,本發明之功率模組用基板之製造方法為在陶瓷基板之一方之表面形成由銅或銅合金所構成之電路層,在另一方之表面形成由鋁或鋁合金所構成之金屬層的功率模組用基板之製造方法,其特徵在於:藉由上述接合體之製造方法接合上述陶瓷基板和上述電路層,於上述陶瓷基板之一方之表面接合上述電路層之後,將上述金屬層接合在上述陶瓷基板之另一方之表面。依此,因可以以比較低溫形成電路層,故可以抑制於接合時陶瓷基板惡化。
再者,本發明之功率模組用基板之製造方法為在陶瓷基板之一方之表面形成由銅或銅合金所構成之電路層,在另一方之表面形成由銅或銅合金所構成之金屬層的功率模組用基板之製造方法,其特徵在於:即使藉由上述接合體之製造方法接合上述陶瓷基板和上述電路層及上述陶瓷基板和上述金屬層亦可。依此,因可以以比較低溫形成電路層及金屬層,故可以抑制於接合時陶瓷基板惡化。
若藉由本發明時,可以以低溫接合陶瓷構件和銅構件,並且可以提供製造成本低之接合體之製造方法及功率模組用基板之製造方法。
10、110‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12、112‧‧‧電路層(銅構件)
13‧‧‧金屬層(銅構件)
25、225‧‧‧焊填材
26、226‧‧‧活性金屬材
113‧‧‧金屬層
211‧‧‧陶瓷構件
222‧‧‧銅構件
圖1為使用與本發明之第一實施形態有關之功率模組用基板之功率模組之概略說明圖。
圖2為使用與本發明之第一實施形態有關之功率模組用基板之概略說明圖。
圖3為說明與本發明之第一實施形態有關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4為使用與本發明之第一實施形態有關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5為使用與本發明之第二實施形態有關之功率模組用基板之功率模組之概略說明圖。
圖6為說明與本發明之第二實施形態有關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7為使用與本發明之第二實施形態有關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8為使用與本發明之其他實施形態有關之功率模組用基板之製造方法之概略說明圖。
(第一實施形態)
以下,針對本發明之實施形態,參考附件圖面而予以說明。首先,針對本發明之第一實施形態而予以說明。
在本實施形態之接合體之製造方法中,藉由接合陶瓷基板11(陶瓷構件)和電路層12(銅構件)及金屬層13(銅構件),製造出功率模組用基板10以作為接合體。圖1表示具備有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具備配設有電路層12之功率模組用基板10,和隔著接合層2接合在電路層12之一方之表面(圖1中之上面)的半導體元件3,和被配置在功率模組用基板10之另一方側(圖1中之下側)的散熱器30。
功率模組用基板10係如圖2所示般,具備陶瓷基板11、被配設在該陶瓷基板11之一方之表面(圖2中 之上面)的電路層12,和被配設在陶瓷基板11之另一方之表面(圖2中之下面)的金屬層13。
陶瓷基板11係由絕緣性高之AlN(氮化鋁)、Si3N4(氮化矽)、Al2O3(氧化鋁)等之陶瓷所構成。在本實施形態中,係由散熱性佳的AlN(氮化鋁)所構成。再者,陶瓷基板11之厚度被設定在0.2~1.5mm之範圍內,在本實施形態中,被設定成0.635mm。
電路層12係在陶瓷基板11之一方之表面,藉由接合具有導電性之銅或銅合金之金屬板而被形成。在本實施形態中,電路層12係藉由接合純度99.99質量百分比以上之銅之壓延板而形成。並且,電路層12之厚度被設定在0.1以上1.0mm以下之範圍內,在本實施形態中,被設定成0.6mm。
金屬層13係在陶瓷基板11之另一方之表面,藉由接合銅或銅合金之金屬板而被形成。在本實施形態中,金屬層13與電路層12相同,藉由接合純度99.99質量百分比以上之銅之壓延板而形成。並且,金屬層13之厚度被設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內,在本實施形態中,被設定成0.6mm。
半導體元件3係由Si等之半導體材料所構成。該半導體元件3和電路層12係經接合層2而被接合。
接合層2為例如Sn-Ag系、Sn-In系或是Sn-Ag-Cu系的軟焊材。
散熱器30係用以放散來自上述功率模組用基板10的熱。在本實施形態中,散熱器30係由銅或銅合金所構成,在本實施形態中,由無氧銅所構成。在該散熱器30設置有用以流動冷卻用之流體的流路31。並且,該散熱器30和金屬層13係藉由由軟焊材所構成之焊接層18而被接合。
接著,針對與本實施形態有關之功率模組1之製造方法,參照圖3之流程圖及圖4予以說明。
首先,如圖4所示般,在陶瓷基板11之一方之表面(圖4中之上面),依焊填材25、活性金屬材26及成為電路層12之銅板22之順序疊層,並且也在陶瓷基板11之另一方之表面(圖4中之下面),如圖4所示般,依焊填材25、活性金屬材26及成為金屬層13之銅板23之順序疊層。(疊層工程S01)即是,在陶瓷基板11和銅板22之間,在陶瓷基板11側配置焊填材25,並在銅板22側配置活性金屬材26,在陶瓷基板11和銅板23之間,在陶瓷基板11側配置焊填材25,並在銅板22側配置活性金屬材26。
在此,焊填材25表示硬焊材或軟焊材,設為熔點為710℃以下之Cu-P系硬焊材、Cu-Sn系硬焊材、Cu-P-Sn-Ni系軟焊材或Cu-Sn系軟焊材。並且,就以Cu-P系硬焊材而言,例如可以使用Cu-P硬焊材、Cu-P-Sn硬焊材、Cu-P-Sn-Ni系硬焊材等。
在本實施形態中,作為焊填材25,使用Cu-P-Sn-Ni 系硬焊材箔(Cu-7mass%P-15mass%Sn-10mass%Ni)。焊填材25之厚度被設成5μm以上150μm以下之範圍。
活性金屬材26被設成含有例如像Ti、Zr、Nb、Hf般的活性元素中之1種或2種以上,在本實施形態中,使用Ti箔當作活性金屬材26。活性金屬材26之厚度被設成1μm以上20μm以下之範圍。
接著,以1~35kgf/cm2(98~3430kPa)在疊層方向加壓陶瓷基板11、焊填材25、活性金屬材26及銅板22、23之狀態下,裝入至真空加熱爐內而進行加熱(加熱處理工程S02)。在此,在本實施形態中,真空加熱爐內之壓力被設定在10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內,加熱溫度被設定在560℃以上650℃以下之範圍內,加熱時間設定在30分鐘以上360分鐘以下之範圍。
在該加熱處理工程S02中,活性金屬材26(Ti箔)和銅板22、23藉由固相擴散接合而被接合,並且焊填材25溶融而形成液相,藉由該液相凝固,隔著焊填材25,而接合陶瓷基板11和活性金屬材26。並且,藉由固相擴散接合而被接合之活性金屬材26和銅板22、23的接合面被設為事先平滑的面。
依此,在陶瓷基板11(陶瓷構件)之一方之表面及另一方之表面形成電路層12(銅構件)及金屬層13(銅構件),製作出本實施形態之功率模組用基板10(接合體)。
接著,在功率模組基板10之金屬層13之下面隔著軟焊材而接合散熱器30(散熱器接合工程S03)。
接著,在功率模組用基板10之電路層12之上面隔著軟焊材而接合半導體元件3(半導體元件接合工程S04)。
如此一來,製作出與本實施形態有關之功率模組1。
若藉由本實施形態之功率模組用基板之製造方法時,因在陶瓷基板11和銅板22、23之間,在陶瓷基板11側配置熔點為710℃以下之焊填材25,在銅板22、23側配置活性金屬材26(在本實施形態中為Ti材)之狀態下進行加熱處理,故於加熱時,Ti溶入至溶融的液相之焊填材25,液相之焊填材25對陶瓷基板11之濕潤性變高,於焊填材25凝固之後,銅板22經焊填材25而與陶瓷基板11接合,具有高的接合可靠性。
再者,在本實施形態中,因疊層活性金屬材26和銅板22、23,在加壓之狀態下,加熱至溫度560℃以上650℃以下並予以保持,故使活性金屬材26所含之Ti原子擴散至銅板22、23中,並使銅板22、23所含之銅原子擴散至活性金屬材26中,可以使活性金屬材26和銅板22、23固相擴散接合。
於加熱溫度為560℃以上之時,促進活性金屬材26所含之Ti原子和銅板22、23所含之銅原子的擴散,可以在短時間充分地予以固相擴散。再者,可以抑制於加熱溫度為650℃以下之時,在活性金屬材26和銅板22、23之間產生液相而在接合界面產生瘤狀物,或厚度變動之情形。因此,加熱溫度被設定在上述範圍。
再者,在加熱處理工程S02中,在疊層方向 被加壓的壓力為1kgf/cm2(98kPa)以上之時,可以充分接合活性金屬材26和銅板22、23,並可以抑制在活性金屬材26和銅板22、23(電路層12、金屬層13)之間產生間隙之情形。再者,可以抑制於被負載之壓力為35kgf/cm2(3430kPa)以下之時,在陶瓷基板11產生龜裂之情形。因此,被加壓的壓力被設定在上述範圍。
再者,因焊填材25之熔點被設為710℃以下,故可以在比使用Ag-Cu-Ti系硬焊材之時低的溫度,形成焊填材之液相。
並且,因活性金屬材26介於焊填材25和銅板22、23之間,故焊填材25之液相和銅板22、23不會直接接觸,可以抑制在接合界面產生瘤狀物,或厚度變動之情形。
如上述般,因焊填材25與陶瓷基板11良好地接合,並且活性金屬材26和銅材22、23藉由固相擴散接合而被接合,故可以使陶瓷基板11和銅板22、23良好接合,並可以提升陶瓷基板11和電路層12及金屬層13之接合可靠性。
並且,因使用不含有Ag之焊填材25而接合陶瓷構件11和銅板22、23,故比起使用Ag-Cu-Ti系硬焊材之時,可以降低製造成本。
再者,在本實施形態中,在陶瓷基板11之一方之表面及另一方之表面,因同時接合電路層12及金屬層13,故可以簡化製造工程,並降低製造成本。
並且,因活性金屬材26和銅板22、23被接合之表面是先被設為平滑之面,故可以在接合界面產生間隙,並可以確實地接合活性金屬材26和銅板22、23。
再者,若藉由與本實施形態有關之功率模組用基板10、功率模組1時,因在陶瓷基板11之一方之表面形成由銅板22所構成之電路層12,故可以使來自半導體元件3之熱擴散而放散至陶瓷基板11側。再者,因銅板22變形電阻大,故於負載熱循環之時,可以抑制電路層12之變形,並抑制接合半導體元件3和電路層12之接合層2之變形,並提升接合可靠性。
再者,因在陶瓷基板11之另一方之表面形成由銅板23所構成之金屬層13,故可以使來自半導體元件3之熱有效率地傳達至散熱器30側。
(第二實施形態)
接著,針對本發明之第二實施形態予以說明。並且,針對與第一實施形態相同之構成,賦予相同之符號並予以記載,省略詳細說明。
圖5表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具備配設有電路層112之功率模組用基板110,和隔著接合層2接合在電路層112之一方之表面(圖5中之上面)的半導體元件3,和被配置在功率模組用基板110之另一方側(圖5中之下側)的散熱器130。
功率模組用基板110係如圖5所示般,具備陶瓷基板11、被配設在該陶瓷基板11之一方之表面(圖5中之上面)的電路層112,和被配設在陶瓷基板11之另一方之表面(圖5中之下面)的金屬層113。
電路層112係在陶瓷基板11之一方之表面,藉由接合具有導電性之銅或銅合金之金屬板而被形成。在本實施形態中,電路層112係藉由接合純度99.99質量百分比以上之銅之壓延板而形成。並且,電路層112之厚度被設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內,在本實施形態中,被設定成0.4mm。
金屬層113係在陶瓷基板11之另一方之表面,藉由接合鋁或鋁合金之金屬板而被形成。在第二實施形態中,金屬層113係藉由接合純度99.99質量百分比以上之鋁之壓延板而形成。並且,金屬層113之厚度被設定在0.1mm以上3.0mm以下之範圍內,在本實施形態中,被設定成2.1mm。
散熱器130係用以放散來自上述功率模組用基板110的熱。在本實施形態中,散熱器130係由鋁或鋁合金所構成,在本實施形態中,由A6063(鋁合金)所構成。在該散熱器130設置有用以流動冷卻用之流體的流路131。並且,該散熱器130和金屬層113係藉由Al-Si系之硬焊材而被接合。
接著,針對與本實施形態有關之功率模組101之製造方法,參照圖6之流程圖及圖7予以說明。
首先,如圖7所示般,在陶瓷基板11之一方之表面(圖7中之上面)依焊填材25、活性金屬材26及成為電路層112之銅板122之順序而疊層(第一疊層工程S11)。即是,在陶瓷基板11和銅板122之間,於陶瓷基板11側配置焊填材25,在銅板122側配置活性金屬材26。
在此,在第二實施形態中,作為焊填材25,使用Cu-P-Sn-Ni系硬焊材箔(Cu-7mass%P-15mass%Sn-10mass%Ni)。焊填材25之厚度被設成5μm以上150μm以下之範圍。
再者,在第二實施形態中,使用Ti箔當作活性金屬材26。活性金屬材26之厚度被設成1μm以上20μm以下之範圍。
接著,以1~35kgf/cm2(98~3430kPa)在疊層方向加壓陶瓷基板11、焊填材25、活性金屬材26及銅板122之狀態下,裝入至真空加熱爐內而進行加熱(第一加熱處理工程S12)。在此,在本實施形態中,真空加熱爐內之壓力被設定在10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內,加熱溫度被設定在560℃以上650℃以下之範圍內,加熱時間設定在30分鐘以上360分鐘以下之範圍。
如此一來,在陶瓷基板11之一方之表面接合銅板122,形成電路層112。
接著,在陶瓷基板11之另一方之表面(在圖7之下面)如圖7所示般,隔著Al-Si系硬焊材127疊層成為金屬層113之鋁板123(第二疊層工程S13)。在第二實施形態中,第二疊層工程S13係如圖7所示般,又隔著Al- Si系硬焊材127在鋁板123之下方疊層散熱器130。
接著,以1~35kgf/cm2(98~3430kPa)在疊層方向加壓陶瓷基板11、鋁板123及散熱器130之狀態下,裝入至真空加熱爐內而進行加熱(第二加熱處理工程S14)。在此,在本實施形態中,真空加熱爐內之壓力被設定在10-6Pa以上10-3Pa以下之範圍內,加熱溫度被設定在600℃以上650℃以下之範圍內,加熱時間設定在30分鐘以上180分鐘以下之範圍。
如此一來,在陶瓷基板11之另一方之表面接合鋁板123而形成金屬層113,製造第二實施形態之功率模組用基板110,又在該功率模組用基板之下側接合散熱器130。
接著,在功率模組用基板110之電路層112之上面隔著軟焊材而接合半導體元件3(半導體元件接合工程S15)。
如此一來,製造出第二實施形態之功率模組101。
若藉由本實施形態之功率模組用基板110之製造方法時,因在陶瓷基板11和銅板122之間,於陶瓷基板11側配置熔點為710℃以下之焊填材25,並在銅板122側配置活性金屬材26(Ti材)之狀態下進行加熱處理,故Ti溶入於加熱時焊填材25溶融之液相,焊填材25之液相和陶瓷基板11之濕潤性變得良好。因此,於焊填材25之液相凝固之時,焊填材25和陶瓷基板11之接合可靠性提升。
再者,在本實施形態中,因在疊層活性金屬材26和銅板122,並加壓的狀態下,加熱並保持在溫度560℃以上650℃以下,故可以將活性金屬材26和銅板122予以固相擴散接合。
並且,因若藉由功率模組用基板110及功率模組101時,在陶瓷基板11之另一方之表面形成由鋁板123所構成之金屬層113,故於負載冷熱循環之時,產生在功率模組用基板110和散熱器130之間的熱應力可以藉由金屬層113而吸收,並可以抑制在陶瓷基板11產生龜裂之情形。
以上,雖然針對本發明之實施形態予以說明,但是本發明並不限定於此,只要在不脫離其發明之技術性思想的範圍可做適當變更。
並且,在上述實施形態中,雖然針對在陶瓷基板之另一方之表面形成金屬層之情形予以說明,但是即使不形成金屬層亦可。
並且,在上述實施形態中,針對焊填材係以熔點為710℃以下之Cu-P-Sn-Ni系硬焊材之時而做說明,但是即使焊填材被設為熔點(固相線溫度)為710℃以下並且液相線溫度為450℃以上之硬焊材亦可。具體而言,該硬焊材即使為選自Cu-P系硬焊材、Cu-Sn系硬焊材及Cu-Al系硬焊材中選出之任一種亦可。並且,就以Cu-P系硬焊材而言,例如可以使用Cu-P硬焊材、Cu-P-Sn硬焊材等。於使用如此之硬焊材之時,因硬焊材之熔點低,即使 在低溫條件亦可以確實進行陶瓷構件和銅構件之接合。
再者,焊填材即使被設為液相線溫度未滿450℃之軟焊材亦可。具體而言,該軟焊材即使為Cu-P-Sn-Ni系軟焊材或Cu-Sn系軟焊材亦可。於使用如此之軟焊材之時,因軟焊材之熔點低,即使在更低溫條件亦可以進行陶瓷構件和銅構件之接合。
再者,藉由在陶瓷構件側配置活性金屬材,並在銅構件側配置硬焊材,進行加熱處理,可以接合陶瓷構件和銅構件。例如,圖8所示般,藉由濺鍍等在陶瓷構件211上配置活性金屬材226,並在活性金屬材226和銅構件222之間配置焊填材225,藉由疊層該些,在疊層方向加壓而進行加熱處理,可接合活性金屬材226和銅構件222。
再者,在上述實施形態中,雖然針對在功率模組用基板之另一方之表面接合散熱器之情形予以說明,但是即使不接合散熱器亦可。
再者,在上述實施形態中,針對藉由軟焊材或硬焊材接合功率模組用基板之情形予以說明,但是即使在功率模組用基板和散熱器之間隔著潤滑脂而藉由螺桿等固定亦可。
再者,在第二實施形態中,雖然針對同時接合金屬層和散熱器之情形予以說明,但即使於先接合金屬層之後,將散熱器接合於金屬層亦可。
[實施例]
以下針對應確認本發明之效果而進行的確認實驗之結果予以說明。
針對本發明例1~10,在由AlN所構成之陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt(厚度))之一方之表面及另一方之表面疊層表1所示之焊填材、活性金屬材、由純度99.99%之銅所構成之銅板(37mm×37mm×0.3mmt)。
針對本發明例11,在由AlN所構成之陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt(厚度))之一方之表面及另一方之表面疊層表1所示之焊填材、活性金屬材、由純度99.99%之銅所構成之銅板(37mm×37mm×0.3mmt)。
並且,針對活性金屬之位置被設為銅構件側(銅板側)本發明例1~9及本發明例11,係依陶瓷基板/焊填材/活性金屬材/銅板之順序而疊層,針對活性金屬之位置被設為陶瓷基板側之本發明例10,依陶瓷基板/活性金屬材/焊填材/銅板之順序而疊層。
然後,針對本發明例1~10,在疊層方向以壓力15kgf/cm2(1470kPa)加壓之狀態下裝入至真空加熱爐內,藉由進行加熱,在陶瓷基板之一方之表面及另一方之表面接合銅板,形成電路層及金屬層。在此,將真空加熱爐內之壓力設為10-6Pa以上,10-3Pa以下之範圍內,加熱溫度及加熱時間設為表1所示之條件。如此一來,取得本發明例1~9之功率模組用基板。
針對本發明例11,在疊層方向以壓力15kgf/cm2(1470kPa)加壓之狀態下裝入至真空加熱爐內,藉由進行 加熱,在陶瓷基板之一方之表面接合銅板,形成電路層。在此,將真空加熱爐內之壓力設為10-6Pa以上,10-3Pa以下之範圍內,加熱溫度及加熱時間設為表1所示之條件。冷卻後,在陶瓷基板之另一方之表面隔著Al-Si系硬焊材疊層由純度99.99質量百分比之鋁所構成之鋁板,在疊層方向以5kgf/cm2(490kPa)進行加壓之狀態下裝入真空加熱爐內,藉由以640℃加熱30分鐘,在陶瓷基板之另一方之表面接合鋁板,取得本發明例11之功率模組基板。
接著,在上述功率模組用基板之金屬層之另一方之表面側接合散熱器。散熱器為由去磷酸銅所構成的銅板(50mm×60mm×5mmt)。接合條件使用Sn-Sb系之軟焊材,設定藉由在270℃進行加熱的接合。
如此一來,製作出本發明例1~11之具有散熱器的功率模組用基板。
對如上述般所取得之本發明例之具有散熱器之功率模組用基板,評估電路層和陶瓷基板之接合率,及冷熱循環試驗後之電路層和陶瓷基板之接合率。以下說明冷熱循環之試驗方法和接合率之評估方法。
(冷熱循環試驗)
冷熱循環試驗使用冷熱衝擊試驗機ESPEC公司製造TSB-51,在液相(Fluorinert)中,將具有散熱器之功率模組用基板維持5分鐘在-40℃之溫度環境下之後,加溫至125℃,並在同溫度環境下維持5分鐘,再次返回至-40℃ 之溫度環境下的製程當作1循環,實施3000循環該溫度變化的製程。
(陶瓷基板和電路層之接合率評估)
對具有散熱器之功率模組用基板,針對陶瓷基板和電路層之界面的接合率,使用超音波探傷裝置進行評估,從下式算出。
在此,初期接合面積設為接合前應接合的面積,即是在本實施例中之電路層的面積。在超音波探傷像中,由於剝離係以接合部內之白色部表示,故將該白色部之面積設為剝離面積。並且,在陶瓷基板及電路層產生龜裂之時,該龜裂在超音波探傷像中以白色部表示,龜裂也以剝離面積被評估。
表1表示以上之評估結果。
在使用溶點為710℃以下之焊填材之本發明例1~11中,被確認出維持著初期之接合率高,在負載冷熱循環之後也高的接合率,可取得功率模組用基板。
[產業上之利用可能性]
本發明係關於以低溫接合陶瓷構件和銅構件,而且製造成本低的功率模組用基板之製造方法。
1‧‧‧功率模組用基板
2‧‧‧接合層
3‧‧‧半導體元件
10‧‧‧功率模組用基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
18‧‧‧軟焊層
30‧‧‧散熱器
31‧‧‧流路

Claims (12)

  1. 一種接合體之製造方法,為接合由陶瓷所構成之陶瓷構件,和由銅或銅合金所構成之銅構件而成的接合體之製造方法,其特徵在於:隔著活性金屬材或熔點為710℃以下之焊填材,疊層上述陶瓷構件和上述銅構件之疊層工程;和以壓力1~35kgf/cm2在疊層方向加壓被疊層之上述陶瓷構件及上述銅構件之狀態下進行加熱處理之加熱處理工程,上述焊填材為硬焊材或軟焊材,上述硬焊材係選自Cu-P系硬焊材、Cu-Sn系硬焊材及Cu-Al系硬焊材中之任一種,上述軟焊材係Cu-P-Sn-Ni系軟焊材或Cu-Sn系軟焊材,上述焊填材不含Ag。
  2. 如請求項1所記載之接合體之製造方法,其中在上述疊層工程中,在上述陶瓷構件側配置上述焊填材,並在上述銅構件側配置上述活性金屬材。
  3. 如請求項1或2所記載之接合體之製造方法,其中上述硬焊材係液相線溫度450℃以上。
  4. 如請求項1或2所記載之接合體之製造方法,其中上述硬焊材係上述Cu-P系硬焊材或上述Cu-Al系硬焊材。
  5. 如請求項1或2所記載之接合體之製造方法,其中 上述軟焊材係液相線溫度未滿450℃。
  6. 如請求項1或2所記載之接合體之製造方法,其中上述軟焊材係上述Cu-P-Sn-Ni系軟焊材。
  7. 如請求項1或2所記載之接合體之製造方法,其中上述活性金屬材為Ti材。
  8. 如請求項1或2所記載之接合體之製造方法,其中上述熔填材之厚度為5μm以上150μm以下。
  9. 如請求項1或2所記載之接合體之製造方法,其中上述活性金屬材之厚度為1μm以上20μm以下。
  10. 一種功率模組用基板之製造方法,為在陶瓷基板之一方之表面形成銅或銅合金所構成之電路層的功率模組用基板之製造方法,其特徵在於:藉由如請求項1至9中之任一項所記載之接合體之製造方法接合上述陶瓷基板和上述電路層。
  11. 一種功率模組用基板之製造方法,為在陶瓷基板之一方之表面形成由銅或銅合金所構成之電路層,在另一方之表面形成由銅或銅合金所構成之金屬層的功率模組用基板之製造方法,其特徵在於:藉由如請求項1至9中之任一項所記載之接合體之製造方法接合上述陶瓷基板和上述電路層,及上述陶瓷基板和上述金屬層。
  12. 一種功率模組用基板之製造方法,為在陶瓷基板之一方之表面形成由銅或銅合金所構成之電路層,在另一方之表面形成由鋁或鋁合金所構成之金屬層的功率模組用 基板之製造方法,其特徵在於:藉由如請求項1至9中之任一項所記載之接合體之製造方法接合上述陶瓷基板和上述電路層,於上述陶瓷基板之一方之表面接合上述電路層之後,將上述金屬層接合在上述陶瓷基板之另一方之表面。
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