TWI708753B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本發明的接合體，係由陶瓷所形成的陶瓷構件與由Cu或Cu合金所形成的Cu構件接合而成；其中，在陶瓷構件與Cu構件的接合界面，形成有：位於陶瓷構件側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於Cu構件側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於第1金屬間化合物層與Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層。

Description

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
本發明係有關於接合陶瓷構件與Cu構件的接合體、及在陶瓷基板接合由Cu或Cu合金所形成的Cu板的電源模組用基板。
本發明係主張2016年1月22日在日本申請的申請號2016-010675、及2017年1月5日在日本申請的申請號2017-000381的優先權，並援用其內容。
在LED或電源模組等半導體裝置中，在由導電材料所形成的電路層之上具備接合有半導體元件的構造。
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電源半導體元件中，因為發熱量高，作為搭載其的基板，從以前開始就廣泛地使用在例如由AlN(氮化鋁)等形成的陶瓷基板的一方之面上將導電性佳的金屬板作為電 路層接合的電源模組用基板。此外，在陶瓷基板的另一方之面上，也將金屬板作為金屬層接合。
例如，在專利文獻1中所示的電源模組用基板中，在陶瓷基板(陶瓷構件)的一方之面上，具備將Cu板(Cu構件)接合而形成電路層的構造。該電源模組用基板在陶瓷基板的一方之面上，隔著Cu-Mg-Ti焊材配置Cu板，並進行加熱處理以接合Cu板。
但是，如專利文獻1所揭示的，隔著Cu-Mg-Ti焊材接合陶瓷基板與Cu板的話，在陶瓷基板的附近，會形成包含Cu、Mg、或Ti的金屬間化合物。
因為在該陶瓷基板附近形成的金屬間化合物較硬，當在電源模組用基板負荷有冷熱循環時，在陶瓷基板所產生的熱應力變大，會有陶瓷基板容易產生裂縫的問題。
此外，當接合陶瓷基板與電路層時，在陶瓷基板的附近形成硬的金屬間化合物，陶瓷基板與電路層的接合率降低，無法良好地接合。
在這裡，例如在專利文獻2、3中提案有將陶瓷基板與電路層利用Cu-P-Sn系焊材及Ti材來接合的電源模組用基板。
在該等專利文獻2、3所記載的發明中，因為在陶瓷基板側形成Cu-Sn層，在陶瓷基板的附近配設硬的金屬間化合物層，在負荷冷熱循環時能夠降低在陶瓷基板產生的熱應力，並能夠抑制在陶瓷基板的裂縫發生。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]JP 4375730 B
[專利文獻2]JP 2015-043392 A
[專利文獻3]JP 2015-065423 A
但是，最近，搭載於電源模組用基板的半導體元件的發熱溫度有變高的傾向，在電源模組用基板中要求比從前更有效率地散熱。
在這裡，在專利文獻2所記載的電源模組用基板中，在陶瓷基板與由Cu或Cu合金所形成的電路層之間形成有Ti層，該Ti層以比較厚的1μm以上15μm以下的厚度形成。因此，層積方向的熱阻提高，會無法有效地散熱的的問題。
又，在專利文獻3所記載的電源模組用基板中，在陶瓷基板與由Cu或Cu合金所形成的電路層之間形成含有Cu-Sn層與P及Ti的金屬間化合物層，但是若使用環境溫度變高的話，會從含有P及Ti的金屬間化合物層為起點產生裂縫，會有接合不充分的問題。
因此本發明鑑於前述情事，目的為提供一種接合體、電源模組用基板、及該接合體的製造方法、電源 模組用基板的製造方法，能夠將陶瓷構件與Cu構件良好地接合，且可以降低在層積方向的熱阻並更有效率地散熱。
為了解決前述的問題，本發明的一態樣的接合體，係由陶瓷所形成的陶瓷構件與由Cu或Cu合金所形成的Cu構件接合而成；其中，在前述陶瓷構件與前述Cu構件的接合界面，形成有：位於前述陶瓷構件側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述Cu構件側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層。
根據本發明的一態樣的接合體，因為形成有位於前述Cu構件側，且含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層，能夠確實地接合Cu構件與第2金屬間化合物層，即便使用環境溫度變高，也能夠確保Cu構件與陶瓷構件的接合強度。此外，因為沒有形成Ti層，或者因為非常薄，能夠將層積方向的熱阻壓低，能有效率地散熱。
在這裡，在本發明的一態樣中的接合體中，也可以在前述第1金屬間化合物層與前述第2金屬間化合物層之間形成有Ti層，該Ti層的厚度在0.5μm以下。
此時，雖然在前述第1金屬間化合物層與前述第2金屬間化合物層之間形成有Ti層，但因為該Ti層的厚度在 0.5μm以下，能夠將層積方向的熱阻壓低，能有效率地散熱。
此外，在本發明的一態樣中的接合體中，前述第1金屬間化合物層的厚度較佳為在0.2μm以上6μm以下的範圍內。
此時，因為含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層的厚度在0.2μm以上，能確實地提升Cu構件與陶瓷構件的接合強度。另一方面，因為第1金屬間化合物層的厚度在6μm以下，能夠抑制在第1金屬間化合物層的破裂發生。
再來，在本發明的一態樣中的接合體中，前述第2金屬間化合物層的厚度較佳為在0.5μm以上4μm以下的範圍內。
此時，因為含有P與Ti的第2金屬間化合物層的厚度在0.5μm以上，能確實地提升Cu構件與陶瓷構件的接合強度。另一方面，因為第2金屬間化合物層的厚度在4μm以下，能夠抑制在第2金屬間化合物層的破裂發生。
本發明的一態樣的電源模組用基板，由上述接合體所形成，具備：由前述陶瓷構件所形成的陶瓷基板、與在該陶瓷基板的一方之面形成的前述Cu構件所形成的電路層；其中，在前述陶瓷基板與前述電路層的接合界面，形成有：位於前述陶瓷基板側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述電路層側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層。
根據本發明的一態樣的電源模組用基板，因為形成有在前述電路層側含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層，能夠確實地接合電路層與第2金屬間化合物層，即便使用環境溫度變高，也能夠確保電路層與陶瓷基板的接合強度。此外，因為沒有形成Ti層，或者雖形成Ti層但因為其厚度為0.5μm以下的薄度，能夠將層積方向的熱阻壓低，能有效率地將從搭載於電路層上的半導體元件所放出的熱散熱。
在這裡，在上述本發明的一態樣的電源模組用基板中，也可以在前述陶瓷基板的另一方之面，形成有由Al或Al合金所形成的金屬層。
此時，因為在陶瓷基板的另一方之面，形成有變形抵抗較小的由Al或Al合金所形成的金屬層，在電源模組用基板負荷有應力時，金屬層會優先變形，能夠降低作用於陶瓷基板的應力，並能抑制陶瓷基板的破裂。
本發明的一態樣的電源模組用基板，由上述接合體所形成，具備：由前述陶瓷構件所形成的陶瓷基板、與在該陶瓷基板的一方之面形成的電路層、在前述陶瓷基板的另一方之面形成的前述Cu構件所形成的金屬層；其中，在前述陶瓷基板與前述金屬層的接合界面，形成有：位於前述陶瓷基板側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述金屬層側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層。
根據本發明的一態樣的電源模組用基板，因為形成有在前述金屬層側含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層，能夠確實地接合金屬層與第2金屬間化合物層，即便使用環境溫度變高，也能夠確保金屬層與陶瓷基板的接合強度。此外，因為沒有形成Ti層，或者雖形成Ti層但因為其厚度為0.5μm以下的薄度，能夠將層積方向的熱阻壓低，能有效率地將從搭載於電路層上的半導體元件所放出的熱散熱。
本發明的一態樣的接合體的製造方法，該接合體係由陶瓷所形成的陶瓷構件與由Cu或Cu合金所形成的Cu構件接合而成，具備：隔著Cu-P-Sn系焊材與Ti材，將前述陶瓷構件與前述Cu構件層積的層積工程；在層積的狀態下以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度未滿的溫度作加熱，使前述Cu構件與前述Ti材反應，形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層的第1加熱處理工程；在前述第1加熱處理工程後，以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度以上的溫度作加熱，並形成：由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層、位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間並含有P與Ti的第2金屬間化合物層的第2加熱處理工程。
根據該構成的接合體的製造方法，因為具備在層積的狀態下以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度未滿的溫度作加熱，使前述Cu構件與前述Ti材反應，形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層的第1加熱處理工 程，能夠確實地形成第1金屬間化合物層，使Cu構件與Ti材確實地接合。此外，在該第1加熱處理工程中使Ti材的一部分殘留。
再來，在前述第1加熱處理工程後，因為具備以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度以上的溫度作加熱，並形成：由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層、位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間並含有P與Ti的第2金屬間化合物層的第2加熱處理工程，藉由使Ti材的Ti與Cu-P-Sn系焊材反應，能夠形成第2金屬間化合物層，能夠使Cu構件與陶瓷構件確實地接合。此外，在該第2加熱處理工程中可以使Ti材全部反應，也可以使一部分殘留而形成厚度0.5μm以下的Ti層。
在這裡，在上述本發明的一態樣中的接合體的製造方法中，前述第1加熱處理工程中的加熱溫度在580℃以上670℃以下的範圍內，加熱時間在30分以上240分以下的範圍內較佳。
此時，因為將加熱溫度設為580℃以上及加熱時間設為30分以上，能夠將前述第1金屬間化合物層確實地形成。另一方面，因為加熱溫度為670℃以下及加熱時間為240分以下，前述第1金屬間化合物層不會形成必要厚度以上的厚度，能夠抑制在第1金屬間化合物層的破裂發生。
本發明的一態樣的接合體的製造方法，該接合體係由陶瓷所形成的陶瓷構件與由Cu或Cu合金所形 成的Cu構件接合而成，具備：以將前述Cu構件與前述Ti材層積的狀態作加熱使Cu與Ti擴散，在Cu構件與前述Ti材之間形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層的CuTi擴散工程；隔著Cu-P-Sn系焊材，將前述陶瓷構件、與形成前述第1金屬間化合物層的前述Ti材及前述Cu構件層積的層積工程；以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度以上的溫度作加熱，形成由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層、位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間並含有P與Ti的第2金屬間化合物層的加熱處理工程。
根據該構成的接合體的製造方法，因為具備在將前述Cu構件與前述Ti材層積的狀態作加熱使Cu與Ti擴散，在Cu構件與前述Ti材之間形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層的CuTi擴散工程，能夠確實地形成第1金屬間化合物層。此外，在該CuTi擴散工程中使Ti材的一部分殘留。
此外，在CuTi擴散工程中，因為不層積焊材而將Cu構件與Ti材層積並加熱，能夠較自由地設定加熱條件，在確實地形成第1金屬間化合物層的同時，也能精密地調整殘留的Ti材的厚度。
再來，因為具備隔著Cu-P-Sn系焊材，將前述陶瓷構件、與形成前述第1金屬間化合物層的前述Ti材及前述Cu構件層積的層積工程；以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度以上的溫度作加熱，形成由Sn固溶於Cu中的 Cu-Sn層、位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間並含有P與Ti的第2金屬間化合物層的加熱處理工程，藉由使Ti材的Ti與Cu-P-Sn系焊材反應，能夠形成第2金屬間化合物層，能確實地接合Cu構件與陶瓷構件。此外，在該第2加熱處理工程中可以使Ti材全部反應，也可以使一部分殘留而形成厚度0.5μm以下的Ti層。
在這裡，在上述本發明的一態樣中的接合體的製造方法中，前述CuTi擴散工程中的加熱溫度在600℃以上670℃以下的範圍內，加熱時間在30分以上360分以下的範圍內較佳。
此時，因為將加熱溫度設為600℃以上及加熱時間設為30分以上，能夠將前述第1金屬間化合物層確實地形成。另一方面，因為加熱溫度為670℃以下及加熱時間為360分以下，前述第1金屬間化合物層不會形成必要厚度以上的厚度，能夠抑制第1金屬間化合物層成為破裂的起點。
此外，上述的本發明的接合體的製造方法中，在前述CuTi擴散工程中，層積方向的荷重可以在0.294MPa以上1.96MPa以下的範圍內。
此時，因為荷重在0.294MPa以上1.96MPa以下的範圍內，能夠將前述第1金屬間化合物層確實地形成，並能更加提高接合強度。更佳為0.490MPa以上1.47MPa以下，再更佳為1.18MPa以上1.47MPa以下的範圍內。
本發明的一態樣的電源模組用基板的製造方法，係在陶瓷基板的一方之面配設由Cu或Cu合金所形成的電路層的電源模組用基板的製造方法，將前述陶瓷基板與前述電路層藉由上述的接合體的製造方法來接合。
根據該構成的電源模組用基板的製造方法，在電路層與陶瓷基板的接合界面，能夠形成：位於前述陶瓷基板側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述電路層側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層，在能夠確實地接合電路層與陶瓷基板的同時，也能夠製造在層積方向熱阻低而能有效率地散熱的電源模組用基板。
本發明的一態樣的電源模組用基板的製造方法，係在陶瓷基板的一方之面配設電路層，在前述陶瓷基板的另一方之面配設由Cu或Cu合金所形成的金屬層的電源模組用基板的製造方法，將前述陶瓷基板與前述金屬層藉由上述的接合體的製造方法來接合。
根據該構成的電源模組用基板的製造方法，在金屬層與陶瓷基板的接合界面，能夠形成：位於前述陶瓷基板側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述電路層側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層，在能夠確實地接合金屬層與陶瓷基板的同時，也能夠製造在層積方向熱阻低而能有效率地 散熱的電源模組用基板。
本發明的一態樣的電源模組用基板的製造方法，係在陶瓷基板的一方之面配設由Cu或Cu合金所形成電路層，在前述陶瓷基板的另一方之面配設由Al或Al合金所形成的金屬層的電源模組用基板的製造方法，將前述陶瓷基板與前述電路層藉由上述的接合體的製造方法來接合。
根據該構成的電源模組用基板的製造方法，在電路層與陶瓷基板的接合界面，能夠形成：位於前述陶瓷基板側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述電路層側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層，在能夠確實地接合電路層與陶瓷基板的同時，也能夠製造在層積方向熱阻低而能有效率地散熱的電源模組用基板。
此外，因為能在較低溫係接合由Cu或Cu合金所形成的電路層與陶瓷基板，能同時接合由Cu或Cu合金所形成的電路層、陶瓷基板、由Al或Al合金所形成的金屬層。
根據本發明，能提供一種接合體、電源模組用基板、及該接合體的製造方法、電源模組用基板的製造方法，能夠將陶瓷構件與Cu構件良好地接合，且可以降 低在層積方向的熱阻。
10、110、210‧‧‧電源模組用基板(接合體)
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12、112、212‧‧‧電路層(Cu構件)
14‧‧‧Cu-Sn層
15‧‧‧Ti層
16‧‧‧第1金屬間化合物層
17‧‧‧第2金屬間化合物層
22、122、123、222‧‧‧Cu板(Cu構件)
24、124、224‧‧‧Cu-P-Sn系焊材
[圖1]有關本發明的第一實施形態之電源模組用基板的電源模組的概略說明圖。
[圖2]有關本發明的第一實施形態之電源模組用基板的概略說明圖。
[圖3]圖2所示的電源模組用基板的電路層與陶瓷基板的接合界面的剖面概略說明圖。
[圖4]說明有關本發明的第一實施形態之電源模組用基板的製造方法及電源模組的製造方法的流程圖。
[圖5]說明有關本發明的第一實施形態之電源模組用基板的製造方法及電源模組的製造方法的概略說明圖。
[圖6]有關本發明的第二實施形態之使用電源模組用基板的電源模組的概略說明圖。
[圖7]有關本發明的第二實施形態之電源模組用基板的概略說明圖。
[圖8]圖7所示的電源模組用基板的電路層及金屬層與陶瓷基板的接合界面的剖面概略說明圖。
[圖9]說明有關本發明的第二實施形態之電源模組用基板的製造方法及電源模組的製造方法的流程圖。
[圖10]說明有關本發明的第二實施形態之電源模組用基板的製造方法及電源模組的製造方法的概略說明圖。
[圖11]有關本發明的第三實施形態之使用電源模組用基板的電源模組的概略說明圖。
[圖12]有關本發明的第三實施形態之電源模組用基板的概略說明圖。
[圖13]圖12所示的電源模組用基板的電路層與陶瓷基板的接合界面的剖面概略圖。
[圖14]說明有關本發明的第三實施形態之電源模組用基板的製造方法及電源模組的製造方法的流程圖。
[圖15]說明有關本發明的第三實施形態之電源模組用基板的製造方法及電源模組的製造方法的概略說明圖。
(第一實施形態)
以下，參照附圖說明有關本發明的實施形態。首先，說明有關本發明的第一實施形態。
關於本實施形態的接合體，係接合陶瓷構件即陶瓷基板11、與Cu構件即Cu板22(電路層12)而成的電源模組用基板10。圖1顯示了本實施形態之具備電源模組用基板10的電源模組1。
該電源模組1具備：配設電路層12的電源模組用基板10、在電路層12的一方之面(圖1中為上面)通過接合層2接合的半導體元件3。
電源模組用基板10如圖2所示，具備：陶瓷 基板11、在該陶瓷基板11的一方之面(圖2中為上面)配設的電路層12。
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。在本實施形態中，由散熱性佳的AlN(氮化鋁)所構成。此外，陶瓷基板11的厚度設定為在0.2~1.5mm的範圍內，在本實施形態設定為0.635mm。
電路層12係在陶瓷基板11的一方之面，藉由接合具有導電性的Cu或Cu合金金屬板來形成。
在本實施形態中，電路層12係在陶瓷基板11的一方之面，藉由將Cu-P-Sn系焊材24、接合Ti材25的無氧銅所形成的Cu板22層積並作加熱處理，並將Cu板22接合至陶瓷基板11來形成(參照圖5)。此外，本實施形態中作為Cu-P-Sn系焊材24係使用Cu-P-Sn-Ni焊材。
其中，在電路層12中陶瓷基板11側，成為Sn擴散至Cu中的構造。
此外，電路層12的厚度設定為在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，在本實施形態設定為0.3mm。
圖3顯示了陶瓷基板11與電路層12的接合界面的概略說明圖。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、位於電路層12側並含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層16、位於第1金屬間化合物層16與Cu-Sn層14之間且含有P及Ti的第2金屬間化合物層17。
Cu-Sn層14為Sn固溶於Cu中的層。該Cu-Sn層14為Cu-P-Sn系焊材24裡所含有的P進入第2金屬間化合物層17而形成的層。
第1金屬間化合物層16為由電路層12的Cu與Ti材25的Ti相互擴散而形成的層。在這裡，Cu與Ti的擴散為固相擴散。
具體來說，第1金屬間化合物層16具有：Cu4Ti相、Cu3Ti2相、Cu4Ti3相、CuTi相、CuTi2相中的任1種以上。在本實施形態中，第1金屬間化合物層16具有：Cu4Ti相、Cu3Ti2相、Cu4Ti3相、CuTi相、CuTi2相。
此外，在本實施形態中，該第1金屬間化合物層16的厚度在0.2μm以上6μm以下的範圍內。
第2金屬間化合物層17藉由Cu-P-Sn系焊材24裡所含有的P與Ti材25所含有的Ti結合而形成。在本實施形態中，因為Cu-P-Sn系焊材24含有Ni，該第2金屬間化合物層17具有：P-Ni-Ti相、P-Ti相、Cu-Ni-Ti相中的任1種以上，具體來說為P-Ni-Ti相。
此外，在本實施形態中，該第2金屬間化合物層17的厚度在0.5μm以上4μm以下的範圍內。
半導體元件3以Si等的半導體材料構成。該半導體元件3與電路層12隔著接合層2接合。
接合層2例如是Sn-Ag系、Sn-In系、或Sn-Ag-Cu系的軟焊材。
以下，參照圖4的流程圖及圖5說明有關本 實施形態的電源模組用基板10、及電源模組1的製造方法。
首先，如圖5所示，將成為電路層12的Cu板22與Ti材25層積，以在層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2)的狀態將其配置於真空加熱爐內加熱，使得Cu板22與Ti材25固相擴散接合，得到Cu-Ti接合體27。(CuTi擴散工程S01)。
此外，Ti材25的厚度在0.4μm以上5μm以下的範圍內。其中，當Ti材25厚度在0.4μm以上而未滿1μm時較佳為使用蒸鍍或濺鍍來成膜，當厚度為1μm以上5μm以下時較佳為使用箔材。此外，Ti材25的厚度下限較佳為0.4μm以上，更佳為0.5μm以上。又，Ti材25的厚度上限較佳為1.5μm以下，更佳為0.7μm以下。在本實施形態中，作為Ti材25，使用厚度1μm，純度99.8質量%的Ti箔。
在藉由該CuTi擴散工程S01所得到的Cu-Ti接合體27中，Ti材25與Cu板22藉由固相擴散接合來接合，成為Cu板22與中間Ti層26的層積構造。其中，在中間Ti層26與Cu板22之間，形成含有Cu與Ti的中間第1金屬間化合物層。此時，所有的Ti材25並未完全消耗於中間第1金屬間化合物層的形成，其一部分殘留。
在這裡，本實施形態中，中間Ti層26的厚度在0.1μm以上3μm以下的範圍內。此外，中間Ti層26的厚度下限較佳為0.2μm以上，更佳為0.4μm以上。又，中間 Ti層26的厚度上限較佳為1.5μm以下，更佳為1μm以下。
再來，中間第1金屬間化合物層的厚度較佳為0.1μm以上6μm以下。
此外，在CuTi擴散工程S01中，真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在600℃以上670℃以下的範圍內，加熱時間設定在30分以上360分以下的範圍內。
其中，在CuTi擴散工程S01中，將加熱溫度設為600℃以上及加熱時間設為30分以上，能夠將中間第1金屬間化合物層充分地形成。此外，將加熱溫度設為670℃以下及加熱時間設為360分以下，能夠抑制中間第1金屬間化合物層形成必要以上的厚度。
此外，加熱溫度的下限較佳為610℃以上，更佳為620℃以上。加熱溫度的上限較佳為650℃以下，更佳為640℃以下。此外，加熱時間的下限較佳為15分以上，更佳為60分以上。加熱時間的上限較佳為120分以下，更佳為90分以下。
此外，為了使Cu板22與Ti材25更加強固地接合，在CuTi擴散工程S01中，向層積方向的加壓荷重在0.294MPa以上1.96MPa以下(3kgf/cm2以上20kgf/cm2以下)的範圍內較佳。更佳為0.490MPa以上1.47MPa以下，再更佳為1.18MPa以上1.47MPa以下的範圍內。
接著，在陶瓷基板11的一方之面(圖5中的上面)，將Cu-P-Sn系焊材24、Cu-Ti接合體27依序層積(層積工程S02)。其中，Cu-Ti接合體27以中間Ti層26與Cu-P-Sn系焊材24對向的方式被層積。
在本實施形態中，Cu-P-Sn系焊材24的組成為Cu-7質量% P-15質量% Sn-10質量% Ni，該固相線溫度(熔融開始溫度)為580℃。此外，Cu-P-Sn系焊材24係利用箔材，其厚度在5μm以上150μm以下的範圍內。
接著，將陶瓷基板11、Cu-P-Sn系焊材24、Cu-Ti接合體27在層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2)的狀態，裝入真空加熱爐內加熱(加熱處理工程S03)。
其中，在本實施形態中，作為加熱處理工程S03中的條件，真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在600℃以上700℃以下的範圍內，加熱時間設定在15分以上120分以下的範圍內。
在該加熱處理工程S03中，Cu-P-Sn系焊材24熔融形成液相，在該液相中溶入中間Ti層26，而藉由液相凝固，來接合陶瓷基板11與Cu板22。此時，Cu-P-Sn系焊材24中所含有的P及Ni，與中間Ti層26的Ti結合，在形成第2金屬間化合物層17的同時，也在陶瓷基板11側形成Cu-Sn層14。此外，第1金屬間化合物層16藉由中間第1金屬間化合物層的殘留而形成。
此外，在本實施形態中，因為中間Ti層26的厚度在0.1μm以上3μm以下的範圍內，該中間Ti層26 全部溶入Cu-P-Sn系焊材24的液相中，在陶瓷基板11與電路層12的接合界面沒有殘留中間Ti層26。
藉此，在陶瓷基板11的一方之面形成電路層12，製造本實施形態的電源模組用基板10。
接著，在電源模組用基板10的電路層12的上面，通過軟焊材來接合半導體元件3(半導體元件接合工程S04)。
用這種方式製造有關本實施形態的電源模組1。
根據以上的構成的本實施形態的電源模組用基板10，在陶瓷基板11與電路層12的接合界面，因為形成有位於電路層12側的含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層16，藉由間隔該第1金屬間化合物層16，能夠確實地接合電路層12與第2金屬間化合物層17。因此，即便使用環境溫度變高，也能夠確保電路層12與陶瓷基板11的接合強度。
此外，因為在陶瓷基板11與電路層12的接合界面未形成Ti層，在電路層12與陶瓷基板11的層積方向的熱阻能夠被壓低，從搭載於電路層12上的半導體元件3所放出的熱能有效率地散熱。
此外，在本實施形態中，因為第1金屬間化合物層16的厚度在0.2μm以上，能確實地提升電路層12與陶瓷基板11的接合強度。另一方面，因為第1金屬間化合物層16的厚度在6μm以下，能夠抑制在該第1金屬間化合物層16的破裂發生。
此外，為了確實地提升電路層12與陶瓷基板11的接合強度，第1金屬間化合物層16的厚度的下限較佳為0.5μm以上，更佳為1μm以上。此外，為了確實地抑制在第1金屬間化合物層16的破裂發生，第1金屬間化合物層16的厚度上限較佳為5μm以下，更佳為3μm以下。此外，第1金屬間化合物層16的厚度，也有因加熱處理工程S03的加熱而使Ti的擴散增加，使得中間第1金屬間化合物層的厚度變更厚的情形發生。
再來，在本實施形態中，因為第2金屬間化合物層17的厚度在0.5μm以上，能確實地提升電路層12與陶瓷基板11的接合強度。另一方面，因為第2金屬間化合物層17的厚度在4μm以下，能夠抑制在該第2金屬間化合物層17的破裂發生。
此外，為了確實地提升電路層12與陶瓷基板11的接合強度，第2金屬間化合物層17的厚度的下限較佳為1μm以上，更佳為2μm以上。此外，為了確實地抑制在第2金屬間化合物層17的破裂發生，第2金屬間化合物層17的厚度上限較佳為3.5μm以下，更佳為3μm以下。
此外，在本實施形態的電源模組用基板的製造方法中，因為具備：將成為電路層12的Cu板22與Ti材25層積，以在層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2)的狀態將其配置於真空加熱爐內加熱，使得Cu板22與Ti材25固相擴散接合，得到Cu-Ti接合體27的CuTi擴散工程S01，能夠在Cu板22與中間Ti層26之間確實地形成 含有Cu與Ti的中間第1金屬間化合物層。
此外，因為中間Ti層26的厚度在0.1μm以上3μm以下的範圍內，在後工程的加熱處理工程S03中，可以使中間Ti層26與Cu-P-Sn系焊材24反應。
再來，在CuTi擴散工程S01中，層積Cu板22與Ti材25並加熱，因為不層積Cu-P-Sn系焊材24，可以較自由地設定加熱溫度及加熱時間。
再來，在本實施形態的電源模組用基板的製造方法中，因為具備以將陶瓷基板11、Cu-P-Sn系焊材24、Cu-Ti接合體27在層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2)的狀態，裝入真空加熱爐內並加熱的加熱處理工程S03，藉由使中間Ti層26的Ti與Cu-P-Sn系焊材24反應，能夠形成第2金屬間化合物層17，能確實地接合電路層12與陶瓷基板11。
其中，該加熱處理工程S03中，當加壓的壓力為1kgf/cm2以上時，能夠使陶瓷基板11與Cu-P-Sn系焊材24的液相緊密附著，能夠將陶瓷基板11與Cu-Sn層14良好地接合。此外，當加壓的壓力為35kgf/cm2以下時，能夠抑制在陶瓷基板11發生破裂。因為該理由，在本實施形態中，加壓的壓力被設定在1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的範圍內。
(第二實施形態)
接著，說明有關本發明的第二實施形態。此外，有關 與第一實施形態相同的構成，附加同一符號記載並省略詳細的說明。
圖6顯示了有關第二實施形態之具備電源模組用基板110的電源模組101。
該電源模組101具備：配設電路層112及金屬層113的電源模組用基板110、在電路層112的一方之面(圖6中為上面)通過接合層2接合的半導體元件3、在金屬層113的另一方側(圖6中為下側)配置的散熱板130。
電源模組用基板110如圖7所示，具備：陶瓷基板11、在該陶瓷基板11的一方之面(圖7中為上面)配設的電路層112、在陶瓷基板11的另一方之面(圖7中為下面)配設的金屬層113。
陶瓷基板11與第一實施形態一樣，由散熱性佳的AlN(氮化鋁)所構成。
電路層12與第一實施形態一樣，係在陶瓷基板11的一方之面，藉由將Cu-P-Sn系焊材124、Ti材25、由無氧銅所形成的Cu板122依序層積並作加熱處理，並將Cu板122接合至陶瓷基板11來形成(參照圖10)。
此外，電路層112的厚度設定為在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，在本實施形態設定為0.3mm。
金屬層113係在陶瓷基板11的另一方之面，藉由將Cu或Cu合金的金屬板隔著Cu-P-Sn系焊材124接合來形成。在本實施形態中，金屬層113係在陶瓷基板 11的另一方之面將Cu-P-Sn系焊材124、Ti材25、由無氧銅所形成的Cu板123層積並作加熱處理，並將Cu板123接合至陶瓷基板11來形成(參照圖10)。
該金屬層113的厚度設定為在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，在本實施形態設定為0.3mm。
其中，在本實施形態中，作為Cu-P-Sn系焊材124具體上使用Cu-P-Sn-Ni焊材。
圖8顯示了陶瓷基板11與電路層112(金屬層113)的接合界面的概略說明圖。在陶瓷基板11與電路層112(金屬層113)的接合界面如圖8所示，形成有位於陶瓷基板111側的Cu-Sn層14、位於電路層112(金屬層113)側並含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層16、位於第1金屬間化合物層16與Cu-Sn層14之間且含有P及Ti的第2金屬間化合物層17。
在這裡，本實施形態在第1金屬間化合物層16與第2金屬間化合物層17之間形成Ti層15，該Ti層15的厚度在0.5μm以下。
此外，在本實施形態中，該第1金屬間化合物層16的厚度在0.2μm以上6μm以下的範圍內。
此外，在本實施形態中，該第2金屬間化合物層17的厚度在0.5μm以上4μm以下的範圍內。
散熱板130將從前述電源模組用基板110放出的熱發散。該散熱板130由Cu或Cu合金所構成，在本實施形態中由磷脫氧銅所構成。在該散熱板130設置有 用以流動冷卻用流體的流路131。此外，在本實施形態中，散熱板130與金屬層113藉由軟焊材所形成的焊層132來接合。
以下，參照圖9的流程圖及圖10說明有關本實施形態的電源模組101的製造方法。
首先，如圖10所示，在陶瓷基板11的一方之面(圖10中為上面)，將Cu-P-Sn系焊材124、Ti材25、及成為電路層112的Cu板122依序層積，並在陶瓷基板11的另一方之面(圖10中為下面)，將Cu-P-Sn系焊材124、Ti材25、及成為金屬層113的Cu板123依序層積(層積工程S101)。也就是說，在陶瓷基板11與Cu板122及Cu板123之間，將Cu-P-Sn系焊材124配置於陶瓷基板11側，將Ti材25配置於Cu板122、123側。
在本實施形態中，Cu-P-Sn系焊材124的組成為Cu-6.3質量% P-9.3質量% Sn-7質量% Ni，該固相線溫度(熔融開始溫度)為600℃。此外，Cu-P-Sn系焊材124係利用箔材，其厚度在5μm以上150μm以下的範圍內。
此外，Ti材25的厚度在0.4μm以上5μm以下的範圍內。其中，當Ti材25厚度在0.4μm以上而未滿1μm時較佳為使用蒸鍍或濺鍍來成膜，當厚度為1μm以上5μm以下時較佳為使用箔材。此外，Ti材25的厚度的下限較佳為0.4μm以上，更佳為0.5μm以上。Ti材25的厚度上限較佳為1.5μm以下，更佳為0.7μm以下。在本實施形態中，作為Ti材25，使用厚度1μm，純度99.8質量 %的Ti箔。
接著，將Cu板122、Ti材25、Cu-P-Sn系焊材124、陶瓷基板11、Cu-P-Sn系焊材124、Ti材25、及Cu板123在層積方向加壓(壓力1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下)的狀態，裝入真空加熱爐內，以Cu-P-Sn系焊材124的熔融開始溫度未滿的溫度來加熱(第1加熱處理工程S102)。
在該第1加熱處理工程S102中，Ti材25與Cu板122及Ti材25與Cu板123藉由固相擴散接合來接合，Ti材25與Cu板122之間及Ti材25與Cu板123之間分別形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層16。
其中，在本實施形態中，真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在580℃以上670℃以下的範圍內，加熱時間設定在30分以上240分以下的範圍內。此外，為了確實地抑制Cu-P-Sn系焊材124的熔融，在第1加熱處理工程S102的加熱溫度，較佳為設成Cu-P-Sn系焊材124的熔融開始溫度(固相線溫度)-10℃。
在第1加熱處理工程S102中，將加熱溫度設為580℃以上及加熱時間設為30分以上，能夠將第1金屬間化合物層16充分地形成。此外，將加熱溫度設為670℃以下及加熱時間設為240分以下，能夠抑制第1金屬間化合物層16形成必要以上的厚度。
此外，加熱溫度的下限較佳為610℃以上，更佳為 620℃以上。加熱溫度的上限較佳為650℃以下，更佳為640℃以下。此外，加熱時間的下限較佳為15分以上，更佳為60分以上。加熱溫度的上限較佳為120分以下，更佳為90分以下。
接著，在第1加熱處理工程S102後，將Cu板122、Ti材25、Cu-P-Sn系焊材124、陶瓷基板11、Cu-P-Sn系焊材124、Ti材25、及Cu板123在層積方向加壓(壓力1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下)的狀態，以Cu-P-Sn系焊材124的熔融開始溫度以上的溫度來加熱(第2加熱處理工程S103)。其中，在本實施形態中，真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在600℃以上700℃以下的範圍內，加熱時間設定在15分以上120分以下的範圍內。其中，在第2加熱處理工程S103中，為了使Cu-P-Sn系焊材124確實地熔融，較佳為以Cu-P-Sn系焊材124的固相線溫度+10℃以上加熱。
在該第2加熱處理工程S103中，Cu-P-Sn系焊材124熔融形成液相，Ti材25溶入該液相中，而藉由液相凝固，來接合陶瓷基板11與Cu板122及陶瓷基板11與Cu板123。此時，Cu-P-Sn系焊材124中所含有的P及Ni，與Ti材25的Ti結合，在形成第2金屬間化合物層17的同時，也在陶瓷基板11側形成Cu-Sn層14。
此外，在本實施形態中，Ti材25的一部分不溶入Cu-P-Sn系焊材124的液相中而殘留，在第1金屬間 化合物層16與第2金屬間化合物層17之間形成Ti層15。
藉此，在陶瓷基板11的一方之面形成電路層112，也在另一方之面形成金屬層113，製造本實施形態的電源模組用基板110。
接著，在電源模組用基板110的金屬層113的下面，通過軟焊材來接合散熱板130(散熱板接合工程S104)。
接著，在電源模組用基板110的電路層112的上面，通過軟焊材來接合半導體元件3(半導體元件接合工程S105)。
用這種方式製造有關本實施形態的電源模組101。
在根據以上的構成的本實施形態的電源模組用基板110中，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，因為形成有位於電路層112側及金屬層113側的含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層16，藉由間隔該第1金屬間化合物層16，能夠確實地接合電路層112與第2金屬間化合物層17及金屬層113與第2金屬間化合物層17。因此，即便使用環境溫度變高，也能夠確保電路層112與陶瓷基板11及金屬層113與陶瓷基板11的接合強度。
此外，因為在陶瓷基板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，雖形成Ti層15但其厚度為0.5μm以下，在電路層112與陶瓷基 板11與金屬層113的層積方向的熱阻能夠被壓低，從搭載於電路層112上的半導體元件3發出的熱能有效率地散熱。
此外，在本實施形態中，因為第1金屬間化合物層16的厚度在0.2μm以上，能確實地提升電路層112與陶瓷基板11及金屬層113與陶瓷基板11的接合強度。另一方面，因為第1金屬間化合物層16的厚度在6μm以下，能夠抑制在該第1金屬間化合物層16的破裂發生。
此外，在本實施形態中，因為第2金屬間化合物層17的厚度在0.5μm以上，能確實地提升電路層112與陶瓷基板11及金屬層113與陶瓷基板11的接合強度。另一方面，因為第2金屬間化合物層17的厚度在4μm以下，能夠抑制在該第2金屬間化合物層17的破裂發生。
此外，在本實施形態的電源模組用基板的製造方法中，因為具備將Cu板122、Ti材25、Cu-P-Sn系焊材124、陶瓷基板11、Cu-P-Sn系焊材124、Ti材25、及Cu板123在層積方向加壓(壓力1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下)的狀態，裝入真空加熱爐內，以Cu-P-Sn系焊材124的熔融開始溫度未滿的溫度來加熱的第1加熱處理工程S102，在成為電路層112的Cu板122與Ti材25之間及成為金屬層113的Cu板123與Ti材25之間，能夠確實地形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層 16。
再來，在本實施形態的電源模組用基板的製造方法中，在第1加熱處理工程S102後，因為具備形成以Cu-P-Sn系焊材124的熔融開始溫度以上的溫度加熱使Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層14、形成位於第1金屬間化合物層16與Cu-Sn層14之間並含有P與Ti的第2金屬間化合物層17的第2加熱處理工程S103，藉由使Ti材25的Ti與Cu-P-Sn系焊材124反應，能夠形成第2金屬間化合物層17，並能確實地接合電路層112與陶瓷基板11及金屬層113與陶瓷基板11。
其中，在第2加熱處理工程S103中，當加壓的壓力為1kgf/cm2以上時，能夠使陶瓷基板11與Cu-P-Sn系焊材124的液相緊密附著，能夠將陶瓷基板11與Cu-Sn層14良好地接合。此外，當加壓的壓力為35kgf/cm2以下時，能夠抑制在陶瓷基板11發生破裂。因為該理由，在本實施形態中，加壓的壓力被設定在1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下的範圍內。
此外，根據本實施形態的電源模組用基板110的製造方法，因為在陶瓷基板11的一方之面接合電路層112，並同時將金屬層113接合至另一方之面，故能夠使製造工程簡略化，降低製造成本。
(第三實施形態)
接著，說明有關本發明的第三實施形態。此外，有關 與第一實施形態相同的構成，附加同一符號記載並省略詳細的說明。
圖11顯示了有關第三實施形態之具備電源模組用基板210的電源模組201。
該電源模組201具備：配設電路層212及金屬層213的電源模組用基板210、在電路層212的一方之面(圖11中為上面)隔著接合層2接合的半導體元件3、在電源模組用基板210的另一方側(圖11中為下側)接合的散熱板230。
電源模組用基板210如圖12所示，具備：陶瓷基板11、在該陶瓷基板11的一方之面(圖12中為上面)配設的電路層212、在陶瓷基板11的另一方之面(圖12中為下面)配設的金屬層213。
陶瓷基板11與第一實施形態一樣，由散熱性佳的AlN(氮化鋁)所構成。
電路層212與第一實施形態一樣，係在陶瓷基板11的一方之面，藉由將Cu-P-Sn系焊材224、Ti材25、由無氧銅所形成的Cu板222依序層積並作加熱處理，並將Cu板222接合至陶瓷基板11來形成(參照圖15)。
此外，電路層212的厚度設定為在0.1mm以上1.0mm以下的範圍內，在本實施形態設定為0.3mm。
其中，在本實施形態中，作為Cu-P-Sn系焊材224具體上使用Cu-P-Sn-Ni焊材。
接著，在陶瓷基板11與電路層212的接合界面如圖13所示，形成有位於陶瓷基板11側的Cu-Sn層14、位於電路層212側並含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層16、位於第1金屬間化合物層16與Cu-Sn層14之間且含有P及Ti的第2金屬間化合物層17。
此外，在第1金屬間化合物層16與第2金屬間化合物層17之間形成Ti層15，該Ti層15的厚度在0.5μm以下。
金屬層213係在陶瓷基板11的另一方之面，藉由接合Al或由Al合金構成的Al板來形成。在本實施形態中，金屬層213係在陶瓷基板11的另一方之面，接合純度99.99質量%以上的Al板223來形成(參照圖15)。
該金屬層213的厚度設定為在0.1mm以上3.0mm以下的範圍內，在本實施形態設定為1.6mm。
該散熱板230由Al或Al合金所構成，在本實施形態中由A6063(Al合金)所構成。在該散熱板230設置有用以流動冷卻用流體的流路231。此外，該散熱板230與金屬層213藉由Al-Si系焊材來接合。
以下，參照圖14的流程圖及圖15說明有關本實施形態的電源模組201的製造方法。
首先，如圖15所示，將成為電路層212的Cu板222與Ti材25層積，以在層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2)的狀態將其配置於真空加熱爐內加熱，使得Cu板222與 Ti材25固相擴散接合，得到Cu-Ti接合體227。(CuTi擴散工程S201)。
此外，Ti材25的厚度在0.4μm以上5μm以下的範圍內。其中，當Ti材25厚度在0.4μm以上而未滿1μm時較佳為使用蒸鍍或濺鍍來成膜，當厚度為1μm以上5μm以下時較佳為使用箔材。此外，Ti材25的厚度下限較佳為0.4μm以上，更佳為0.5μm以上。又，Ti材25的厚度上限較佳為1.5μm以下，更佳為0.7μm以下。在本實施形態中，作為Ti材25，使用厚度1.4μm，純度99.8質量%的Ti箔。
此外，在CuTi擴散工程S201中，真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在600℃以上670℃以下的範圍內，加熱時間設定在30分以上360分以下的範圍內。其中，在CuTi擴散工程S201中，將加熱溫度設為600℃以上及加熱時間設為30分以上，能夠將中間第1金屬間化合物層充分地形成。此外，將加熱溫度設為655℃以下及加熱時間設為360分以下，能夠抑制中間第1金屬間化合物層形成必要以上的厚度。
此外，加熱溫度的下限較佳為610℃以上，更佳為620℃以上。加熱溫度的上限較佳為650℃以下，更佳為640℃以下。此外，加熱時間的下限較佳為15分以上，更佳為60分以上。加熱時間的上限較佳為120分以下，更佳為90分以下。
此外，為了使Cu板222與Ti材25更加地強固接合，在CuTi擴散工程S201中，向層積方向的加壓荷重在0.294MPa以上1.96MPa以下(3kgf/cm2以上20kgf/cm2以下)的範圍內較佳。更佳為0.490MPa以上1.47MPa以下，再更佳為1.18MPa以上1.47MPa以下的範圍內。
在藉由該CuTi擴散工程S201所得到的Cu-Ti接合體227中，Ti材25與Cu板222藉由固相擴散接合來接合，成為Cu板222與中間Ti層26的層積構造。其中，在中間Ti層26與Cu板222之間，形成含有Cu與Ti的中間第1金屬間化合物層。此時，所有的Ti材25並未在中間第1金屬間化合物層的形成中完全被消耗，其一部分殘留。
在這裡，本實施形態中，中間Ti層26的厚度在0.1μm以上3μm以下的範圍內。此外，中間Ti層26的厚度下限較佳為0.2μm以上，更佳為0.4μm以上。又，中間Ti層26的厚度上限較佳為1.5μm以下，更佳為0.7μm以下。
再來，中間第1金屬間化合物層的厚度較佳為0.1μm以上6μm以下。
接著，如圖15所示，在陶瓷基板11的一方之面(圖15中為上面)，將Cu-P-Sn系焊材224、Ti材25、Cu板222依序層積，並在陶瓷基板11的另一方之面(圖14中為下面)，隔著接合材241將成為金屬層213的 Al板223依序層積。接著，再來在Al板223的下側，隔著接合材242將散熱板230層積(層積工程S202)。其中，Cu-Ti接合體227以中間Ti層26與Cu-P-Sn系焊材224對向的方式被層積。
在本實施形態中，Cu-P-Sn系焊材224的組成為Cu-7質量% P-15質量% Sn-10質量% Ni，該熔融開始溫度(固相線溫度)為580℃。此外，Cu-P-Sn系焊材224係利用箔材，其厚度在5μm以上150μm以下的範圍內。
此外，在本實施形態中，作為接合材241、242為含有熔點下降元素Si的Al-Si系焊材，在第三實施形態中，使用Al-7.5質量% Si焊材。
接著，將陶瓷基板11、Cu-P-Sn系焊材224、Cu-Ti接合體227、接合材241、Al板223、接合材242、及散熱板230在層積方向加壓(壓力1~35kgf/cm2)的狀態，裝入真空加熱爐內加熱(加熱處理工程S203)。其中，在本實施形態中，真空加熱爐內的壓力設定在10-6Pa以上10-3Pa以下的範圍內，加熱溫度設定在600℃以上650℃以下的範圍內，加熱時間設定在30分以上240分以下的範圍內。
在該加熱處理工程S203中，Cu-P-Sn系焊材224熔融形成液相，在該液相中溶入中間Ti層26，而藉由液相凝固，接合陶瓷基板11與Cu板222。此時，Cu-P-Sn系焊材224中所含有的P及Ni，與中間Ti層26的Ti結合，在形成第2金屬間化合物層17的同時，也在陶 瓷基板11側形成Cu-Sn層14。此外，第1金屬間化合物層16藉由中間第1金屬間化合物層的殘留而形成。
在本實施形態中，因為中間Ti層26的厚度在0.1μm以上3μm以下的範圍內，該中間Ti層26不全部溶入Cu-P-Sn系焊材224的液相中，而一部分殘留，形成Ti層15。不過，因為Ti層15形成0.5μm以下的薄厚度，在電路層212與陶瓷基板11與金屬層213的層積方向的熱阻能夠被壓低，從搭載於電路層212上的半導體元件3發出的熱能有效率地散熱。
此外，第1金屬間化合物層16的厚度，也有因加熱處理工程S203的加熱而使Ti的擴散增加，使得中間第1金屬間化合物層的厚度變更厚的情形發生。此外，Ti層15的厚度，也有因加熱處理工程S203的加熱而使Ti的擴散增加，使得中間Ti層26的厚度變更薄的情形發生。
此外，在該加熱處理工程S203中，接合材241熔融形成液相，藉由該液相的凝固，隔著接合材241接合陶瓷基板11與Al板223。再來，在該加熱處理工程S203中，接合材242熔融形成液相，藉由該液相的凝固，隔著接合材242接合Al板223與散熱板230。
藉此，製造本實施形態的電源模組用基板210。
接著，在電源模組用基板210的電路層212的上面，通過軟焊材來接合半導體元件3(半導體元件接合工程S204)。
用這種方式製造有關本實施形態的電源模組201。
在以上的構成的本實施形態的電源模組用基板210中，能夠發揮與第一實施形態及第二實施形態所說明的電源模組用基板10、110同樣的效果。
此外，在本實施形態的電源模組用基板210中，因為在陶瓷基板11的另一方之面形成接合Al板223而成的金屬層213，可以將從半導體元件3放出的熱通過金屬層213有效率地發散。此外，因為Al其變形抵抗較低，當負荷冷熱循環時，電源模組用基板210與散熱板230之間生成的熱應力藉由金屬層213來吸收，能夠抑制在陶瓷基板11產生的破裂。
此外，根據本實施形態的電源模組用基板210的製造方法，因為在陶瓷基板11的一方之面接合電路層212，並同時將金屬層213接合至另一方之面，故能夠使製造工程簡略化，降低製造成本。
以上，雖說明有關本發明的實施形態，但本發明不限於此，在不逸脫本發明的技術思想範圍可以適宜地作變更。
例如，在本實施形態中，說明在絕緣電路基板搭載半導體元件而構成電源模組者，但並不以此為限。例如，也可以是在絕緣電路基板的電路層搭載LED元件而構成LED模組者，也可以是在絕緣電路基板的電路層搭載熱電元件而構成熱電模組者。
此外，在第二實施形態及第三實施形態中，雖說明在陶瓷基板的一方之面接合電路層，同時在另一方 之面接合金屬層的情形，但也可以將電路層及金屬層分別接合。
此外，在第三實施形態中，雖說明同時接合電路層、金屬層、及散熱板的情形，但也可以是在將電路層及金屬層接合至陶瓷基板後，接合金屬層及散熱板的構成。
此外，在第三實施形態中，雖說明在陶瓷基板的另一方之面通過Al-Si系焊材接合金屬層的情形，但也可以藉由過渡液相接合法(TLP)或Ag糊料等來接合。
此外，在第二實施形態及第三實施形態中，雖說明使用設有流路的散熱板的情形，但也可以是具有稱為散熱板的板狀物或銷狀鰭片者。
此外，將電源模組用基板與散熱板藉由軟焊材或焊材接合的情形，但在電源模組用基板與散熱板之間通過潤滑劑來螺絲固定等的構成也可以。
此外，在第二實施形態及第三實施形態的電源模組用基板中，在電源模組用基板的另一方之面側不接合散熱板也可以。
此外，在第一實施形態、第二實施形態及第三實施形態中，雖說明作為Ti材使用Ti箔的情形或以蒸鍍及濺鍍等形成Ti材的情形，但在Cu構件的一方之面使用配設Ti的Cu構件/Ti包覆材也可以。此時，可以預先加熱Cu構件/Ti包覆材來形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層，也可以以第1加熱處理工程，在Cu構件/Ti包覆材的內部形成第1金屬間化合物層。
再來，在Ti材的一方之面，也可以使用配置Cu-P-Sn系焊材的Ti材/焊材包覆材、或以Cu構件、Ti材、Cu-P-Sn系焊材的順序層積的Cu構件/Ti材/焊材包層。
此外，在上述實施形態中，雖使用Cu-P-Sn系焊材的箔材者作為例子說明，但並不以此為限，也可以用粉末或糊料。
再來，在上述實施形態中，作為Cu-P-Sn系焊材雖說明使用Cu-P-Sn-Ni焊材或Cu-P-Sn焊材者，但也可以使用其他的Cu-P-Sn系焊材。以下，詳細說明適用本發明的接合體的製造方法的Cu-P-Sn系焊材。
Cu-P-Sn系焊材的P含有量為3質量%以上10質量%以下較佳。
P為具有使焊材的熔融開始溫度降低的作用效果之元素。此外，該P為具有在藉由P氧化而產生的P氧化物來覆蓋焊材表面而防止焊材的氧化的同時，將熔融的焊材的表面以流動性佳的P氧化物覆蓋使得焊材的浸潤性提升的作用效果之元素。
P的含有量未滿3質量%的話，無法得到充分使焊材的熔融開始溫度降低的效果，因而會有焊材的熔融開始溫度上升、焊材的流動性不足、陶瓷基板與電路層的接合性降低的問題。此外，P的含有量超過10質量%的話，會有形成較多脆金屬間化合物，使得陶瓷基板與電路層的接合性或接合信賴性降低的問題。
從這種理由來看，在Cu-P-Sn系焊材內含有的P的含 有量，較佳為在3質量%以上10質量%以下的範圍內。
此外，Cu-P-Sn系焊材的Sn含有量為0.5質量%以上25質量%以下較佳。
Sn為具有使焊材的熔融開始溫度降低的作用效果之元素。Sn的含有量為0.5質量%以上的話，能夠使焊材的熔融開始溫度確實地降低。此外，Sn的含有量為25質量%以下的話，能夠抑制焊材的低溫脆化，並能使陶瓷基板與電路層的接合信賴性提升。
從這種理由來看，在Cu-P-Sn系焊材內含有的Sn的含有量，較佳為在0.5質量%以上25質量%以下的範圍內。
此外，Cu-P-Sn系焊材也可以含有2質量%以上20質量%以下的Ni、Cr、Fe、Mn中任1種或2種以上的元素。
Ni、Cr、Fe、Mn為具有抑制在陶瓷基板與焊材的界面形成含有P的金屬間化合物作用效果之元素。
含有量為2質量%以上的Ni、Cr、Fe、Mn中任1種或2種以上的元素，能夠抑制在陶瓷基板與焊材的接合界面形成含有P的金屬間化合物，因而提升陶瓷基板與電路層的接合信賴性。此外，含有量為20質量%以下的Ni、Cr、Fe、Mn中任1種或2種以上的元素，抑制了焊材的熔融開始溫度上昇，並抑制焊材的流動性降低，能夠提升陶瓷基板與電路層的接合性。
這種理由來看，當在Cu-P-Sn系焊材含有Ni、Cr、 Fe、Mn中任1種或2種以上的元素時，該含有量較佳為在2質量%以上20質量%以下的範圍內。
[實施例] <實施例1>
以下，說明有關為了確認本發明的效果而進行的確認實驗結果。
(本發明例1~3、12、14~15(加熱方式：A))
在表1記載的陶瓷基板(40mm×40mm、AlN及Al2O3時厚度為0.635mm、Si3N4時厚度為0.32mm)的一方之面及另一方之面，將表1所示的Cu-P-Sn系焊材箔、Ti材、由無氧銅形成的Cu板(厚度：0.3mm)依序層積，在層積方向施加15kgf/cm2的荷重。
接著，在真空加熱爐內(壓力：10-4Pa)裝入前述層積體，作為第1加熱處理工程，以表1記載的溫度與時間(加熱處理1的欄)作加熱。之後，作為第2加熱處理工程，藉由以表2記載的溫度與時間(加熱處理2的欄)作加熱，在陶瓷基板的一方之面及另一方之面接合Cu板，形成電路層及金屬層，得到電源模組用基板。
此外，電路層用的Cu板的大小分別以後述90°剝離強度試驗用為44mm×25mm(但是，從陶瓷基板的端部突出5mm)，作熱阻試驗用為37mm×37mm製作。金屬層用的 Cu板的大小為37mm×37mm。
(本發明例4~11、13(加熱方式：B))
首先，作為CuTi擴散工程，將由無氧銅形成的Cu板(厚度：0.3mm)與表1記載的Ti材層積，以在層積方向以壓力15kgf/cm2加壓的狀態，裝入真空加熱爐內(壓力：10-4Pa)，以表1記載的溫度與時間(加熱處理1的欄)作加熱，得到Cu-Ti接合體。此外，Cu-Ti接合體分別準備電路層用的與金屬層用的。
接著，在表1記載的陶瓷基板(40mm×40mm、AlN及Al2O3時厚度為0.635mm、Si3N4時厚度為0.32mm)的一方之面及另一方之面，將表1所示的Cu-P-Sn系焊材箔、Cu-Ti接合體依序層積。
接著，以表2記載的溫度與時間(加熱處理2的欄)作加熱，在陶瓷基板的一方之面及另一方之面接合Cu板，形成電路層及金屬層，製作電源模組用基板。電路層用及金屬層用的Cu板的大小與前述一樣。
(從前例1，2)
在表1記載的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一方之面及另一方之面，將表1所示的Cu-P-Sn系焊材箔、Ti材、由無氧銅形成的Cu板(厚度：0.3mm)依序層積，在層積方向施加15kgf/cm2的荷重。
接著，在真空加熱爐內(壓力：10-4Pa)裝入前述層積 體，作為第2加熱處理工程，藉由以表2記載的溫度與時間(加熱處理2的欄)作加熱，在陶瓷基板的一方之面及另一方之面接合Cu板，形成電路層及金屬層，得到電源模組用基板。電路層用及金屬層用的Cu板的大小與本發明例一樣。
對用上述的方式得到的電源模組用基板，評價電路層與陶瓷基板的90°剝離強度、層積方向的熱阻。
此外，對得到的電源模組用基板，在陶瓷基板與電路層的接合界面，評價第1金屬間化合物層、Ti層、第2金屬間化合物層的厚度。再來，評價加熱處理1後的中間第1金屬間化合物層、中間Ti層的厚度。
(90°剝離強度試驗)
在各電源模組用基板，以150℃放置500小時後，將電路層中從陶瓷基板突出的部分曲折90°，在與陶瓷基板垂直的方向將電路層拉伸，測定電路層從陶瓷基板剝離為止的最大拉伸荷重。將該荷重除以接合長度得到的值作為90°剝離強度，記載於表2。本實施例中的接合長度乘上電路層與陶瓷基板接合的部分，作為電路層的長邊長度(39mm)。
(熱阻試驗)
將加熱器晶片(13mm×10mm×0.25mm)焊接於電路層表面，將陶瓷基板層積於冷卻器。接著，將加熱器晶片以 100W的電力加熱，利用熱電偶實測加熱器晶片的溫度。此外，實測流通於冷卻器的冷卻媒體(乙二醇：水=9：1)的溫度。接著，將加熱器晶片的溫度與冷卻媒體的溫度差除以電力得到的值作為熱阻，將本發明例1作為1.00作相對評價。評價結果顯示於表2。
(中間第1金屬間化合物層、中間Ti層、第1金屬間化合物層、Ti層及第2金屬間化合物層的厚度)
第1金屬間化合物層、Ti層及第2金屬間化合物層的厚度為從Cu板/陶瓷基板界面的EPMA開始，在倍率10000倍的視野(縱30μm、橫40μm)內，測定形成於接合界面的第1金屬間化合物層的總面積、Ti層的面積、及第2金屬間化合物層的總面積，並除以測定視野的寬度尺寸來求得，將5視野的平均作為第1金屬間化合物層、Ti層及第2金屬間化合物層的厚度。
中間第1金屬間化合物層及Ti中間層，相對於前述的加熱方式B所製作的Cu-Ti接合體的Cu與Ti的接合界面，從EPMA開始，在倍率10000倍的視野(縱30μm、橫40μm)內，測定形成於接合界面的中間第1金屬間化合物層的總面積、中間Ti層的面積的總面積，並除以測定視野的寬度尺寸來求得，將5視野的平均作為中間第1金屬間化合物層、中間Ti層的厚度。
此外，將Ti濃度為15at%~70at%的範圍內的區域視為第1金屬間化合物層及中間第1金屬間化合物層，當 作未含有固溶體者。
此外，第2金屬間化合物層至少含有P與Ti，當作P濃度在28at%~52at%的範圍內的區域。
評價結果顯示於表1及表2。
Figure 106102189-A0202-12-0046-1
Figure 106102189-A0202-12-0047-2
在形成較厚的Ti層的從前例1中，雖90°剝離強度高，但可確認層積方向的熱阻變高。此外，在無法確認到Ti層的從前例2中，未形成第1金屬間化合物層，可確認到90°剝離強度低。
相對於此，在本發明例1~15中，可以確認得到90°剝離強度高，熱阻低的電源模組用基板。
<實施例2>
接著，實施更嚴格的剝離強度試驗。
首先，作為CuTi擴散工程，將由無氧銅形成的Cu板(厚度：0.3mm)與厚度3mm的Ti材層積，以表3所示的壓力在層積方向加壓的狀態，裝入真空加熱爐內(壓力：10-4Pa)，以表3記載的溫度與時間(加熱處理1的欄)作加熱，得到Cu-Ti接合體。此外，Cu-Ti接合體分別準備電路層用的與金屬層用的。
接著，在表3記載的陶瓷基板(40mm×40mm、AlN及Al2O3時厚度為0.635mm、Si3N4時厚度為0.32mm)的一方之面及另一方之面，將Cu-6.3質量%P-9.3質量%Sn-7.0質量%Ni焊材箔(熔點600℃)、Cu-Ti接合體依序層積。
接著，作為加熱處理2以650℃60min的條件加熱，在陶瓷基板的一方之面及另一方之面接合Cu板，形成電路層及金屬層，製作電源模組用基板。電路層用及金屬層用的Cu板的大小與前述一樣。
對用上述的方式得到的電源模組用基板，以以下的條件評價電路層與陶瓷基板的90°剝離強度。
在各電源模組用基板，以150℃放置1000小時後，將電路層中從陶瓷基板突出的部分曲折90°，在與陶瓷基板垂直的方向將電路層拉伸，測定電路層從陶瓷基板剝離為止的最大拉伸荷重。將該荷重除以接合長度得到的值作為90°剝離強度，記載於表3。本實施例中的接合長度乘上電路層與陶瓷基板接合的部分，作為電路層的長邊長度。
Figure 106102189-A0202-12-0050-3
將層積方向的壓力提高，且設定長加熱時間，即便是在嚴格條件下的剝離試驗，也確認到能確保充分的剝離強度。
[產業上的利用可能性]
根據本發明的接合體、電源模組用基板、及該接合體的製造方法、電源模組用基板的製造方法，能夠將陶瓷構件與Cu構件良好地接合，且可以降低在層積方向的熱阻。
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12‧‧‧電路層(Cu構件)
14‧‧‧Cu-Sn層
16‧‧‧第1金屬間化合物層
17‧‧‧第2金屬間化合物層

Claims (15)

  1. 一種接合體，係由陶瓷所形成的陶瓷構件與由Cu或Cu合金所形成的Cu構件接合而成；其中，在前述陶瓷構件與前述Cu構件的接合界面，形成有：位於前述陶瓷構件側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述Cu構件側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層；在前述第1金屬間化合物層與前述第2金屬間化合物層之間形成有Ti層，該Ti層的厚度在0.5μm以下。
  2. 如請求項1所記載的接合體，其中，前述第1金屬間化合物層的厚度在0.2μm以上6μm以下的範圍內。
  3. 如請求項1記載的接合體，其中：前述第2金屬間化合物層的厚度在0.5μm以上4μm以下的範圍內。
  4. 如請求項2所記載的接合體，其中，前述第2金屬間化合物層的厚度在0.5μm以上4μm以下的範圍內。
  5. 一種電源模組用基板，係由請求項1至請求項4中任1項所記載的接合體所形成；且具備：由前述陶瓷構件所形成的陶瓷基板、由形成於該陶瓷基板的一方之面的前述Cu構件所形成的電路層； 其中，在前述陶瓷基板與前述電路層的接合界面，形成有：位於前述陶瓷基板側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述電路層側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層。
  6. 如請求項5所記載的電源模組用基板，其中，在前述陶瓷基板的另一方之面，形成有由Al或Al合金所形成的金屬層。
  7. 一種電源模組用基板，係由請求項1至請求項4中任1項所記載的接合體所形成；且具備：由前述陶瓷構件所形成的陶瓷基板、形成於該陶瓷基板的一方之面的電路層、由形成於前述陶瓷基板的另一方之面的前述Cu構件形成的金屬層；其中，在前述陶瓷基板與前述金屬層的接合界面，形成有：位於前述陶瓷基板側，由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層；位於前述金屬層側，含有Cu及Ti的第1金屬間化合物層；位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間，含有P及Ti的第2金屬間化合物層。
  8. 一種接合體的製造方法，該接合體係由陶瓷所形成的陶瓷構件與由Cu或Cu合金所形成的Cu構件接合而成，具備：隔著Cu-P-Sn系焊材與Ti材，將前述陶瓷構件與前述Cu構件層積的層積工程；在層積的狀態下以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度未滿的溫度作加熱，使前述Cu構件與前述Ti材反應，形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層的第1加熱處理工程；在前述第1加熱處理工程後，以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度以上的溫度作加熱，並形成：由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層、位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間並含有P與Ti的第2金屬間化合物層的第2加熱處理工程。
  9. 如請求項8所記載的接合體的製造方法，其中，前述第1加熱處理工程中的加熱溫度在580℃以上670℃以下的範圍內，加熱時間在30分以上240分以下的範圍內。
  10. 一種接合體的製造方法，該接合體係由陶瓷所形成的陶瓷構件與由Cu或Cu合金所形成的Cu構件接合而成，具備：在將前述Cu構件與前述Ti材層積的狀態下作加熱，使Cu與Ti擴散，在Cu構件與前述Ti材之間形成含有Cu與Ti的第1金屬間化合物層的CuTi擴散工程； 隔著Cu-P-Sn系焊材，將前述陶瓷構件、形成前述第1金屬間化合物層的前述Ti材及前述Cu構件層積的層積工程；以前述Cu-P-Sn系焊材的熔融開始溫度以上的溫度作加熱，並形成：由Sn固溶於Cu中的Cu-Sn層、位於前述第1金屬間化合物層與前述Cu-Sn層之間並含有P與Ti的第2金屬間化合物層的加熱處理工程。
  11. 如請求項10所記載的接合體的製造方法，其中，前述CuTi擴散工程中的加熱溫度在600℃以上670℃以下的範圍內，加熱時間在30分以上360分以下的範圍內。
  12. 如請求項10所記載的接合體的製造方法，其中，在前述CuTi擴散工程中，層積方向的荷重在0.294MPa以上1.96MPa以下的範圍內。
  13. 一種電源模組用基板的製造方法，係在陶瓷基板的一方之面配設由Cu或Cu合金所形成的電路層，其中，將前述陶瓷基板與前述電路層藉由請求項8至請求項12中任1項所記載的接合體的製造方法來接合。
  14. 一種電源模組用基板的製造方法，係在陶瓷基板的一方之面配設電路層，在前述陶瓷基板的另一方之面配設由Cu或Cu合金所形成的金屬層，其中，將前述陶瓷基板與前述金屬層藉由請求項8至請求項12中任1項所記載的接合體的製造方法來接合。
  15. 一種電源模組用基板的製造方法，係在陶瓷基板 的一方之面配設由Cu或Cu合金所形成的電路層，在前述陶瓷基板的另一方之面配設由Al或Al合金所形成的金屬層，其中，將前述陶瓷基板與前述電路層藉由請求項8至請求項12中任1項所記載的接合體的製造方法來接合。
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