TWI708754B - 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 - Google Patents

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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構件之間形成的接合層中,從陶瓷構件的接合面向Cu構件側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。

Description

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
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、具備該電源模組用基板的電源模組、接合體的製造方法及電源模組用基板的製造方法。
本發明係主張2016年1月22日在日本申請的申請號2016-010676、及2017年1月5日在日本申請的申請號2017-000417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) 等所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2-4中,提案有將陶瓷基板與電路層利用Cu-P系焊材及活性元素來接合的電源模組用基板。
在該等專利文獻2-4所記載的發明中,藉由Cu-P系焊材中的P與活性元素反應,在陶瓷基板側形成Cu層,在陶瓷基板的附近不配設硬的金屬間化合物層。藉此,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
[專利文獻4]JP 2015-043393 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,在搭載其的電源模組用基板中,負荷有達到比從前更高溫(例如200℃以上)的冷熱循環。
在這裡,如專利文獻2-4所記載的,在利用Cu-P系焊材來接合陶瓷基板與Cu板的電源模組用基板中,當負荷達到高溫的冷熱循環時,會有容易發生部分放電的問題。
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、電源模組、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,且在負荷達到較高溫的冷熱循環時,也能夠抑制部分放電的發生。
為了解決前述問題,經過本發明者們的銳意檢討後,發現在利用Cu-P系焊材來接合陶瓷基板與Cu板的電源模組用基板中,在陶瓷基板與Cu板之間形成的接合層內,會形成有脆的Cu3P相,當負荷達到較高溫的冷熱循環時,在脆弱的Cu3P相會產生裂縫,因而產生空隙,因此容易發生部分放電。此外,也發現當負荷冷熱循環時,在Cu3P相會產生裂縫,在Cu3P相與接合層內的Cu-Sn層之間會產生空隙,因此容易發生部分放電。此外,所謂的Cu-Sn層為在使用Cu-P系焊材時,因為Cu-P系焊材所含有的P與其他元素(例如Ti材的Ti)反應而消耗所形成的層。
本發明基於上述見解而完成,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構件之間形成的接合層中,從前述陶瓷構件的接合面向前述Cu構件側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
根據本發明的一態樣之接合體,因為在前述陶瓷構件與前述Cu構件之間形成的接合層中,從前述陶瓷構件的接合面向前述Cu構件側50μm為止的區域中的 Cu3P相的面積率被限制成15%以下,即便負荷達到較高溫的冷熱循環時,也能夠抑制因Cu3P相所引起的部分放電發生。
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、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之間形成的接合層中,從前述陶瓷基板的接合面向前述電路層側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
根據本發明的一態樣之電源模組用基板,因為在前述陶瓷基板與前述電路層之間形成的接合層中,從前述陶瓷基板的接合面向前述電路層側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下,即便負荷達到較高溫的冷熱循環時,也能夠抑制在電路層側因Cu3P相所引起的部分放電發生,故信賴性佳。
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。
此外,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、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、由形成於前述陶瓷基板的另一方之面的前述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之間形成的接合層中,從前述陶瓷基板的接合面向前述金屬層側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
根據本發明的一態樣之電源模組用基板,因為在前述陶瓷基板與前述金屬層之間形成的接合層中,從前述陶瓷基板的接合面向前述金屬層側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下,即便負荷達到較高溫的冷熱循環時,也能夠抑制在金屬層側因Cu3P相所引起的部分放電發生。
本發明的一態樣的電源模組,具備:上述電源模組用基板、搭載於前述電源模組用基板的前述電路層上的半導體元件。
根據該構成之電源模組,因為具備抑制部分放電的發生的電源模組用基板,即便在負荷達到較高溫的冷熱循環的使用環境下,信賴性也佳。
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、以前述Cu-P系焊材的溶融開始溫度以上的溫度加熱而產生液相的加熱處理工程;其中,在前述層積工程中,配置前 述Cu-P系焊材及前述Ti材,使得介於前述陶瓷構件與前述Cu構件之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕在0.1以上0.8以下的範圍內;在前述加熱處理工程中,將升溫速度設在5℃/min以上30℃/min以下的範圍內。
根據該構成的接合體的製造方法,因為在隔著Cu-P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中,配置前述Cu-P系焊材及前述Ti材,使得介於前述陶瓷構件與前述Cu構件之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕在0.1以上0.8以下的範圍內,能確保與P反應的Ti量,能夠抑制Cu3P相的形成。其中,當P與Ti的原子比〔Ti/P〕未滿0.1時,因為與P反應的Ti的量減少,無法抑制Cu3P相的生成。此外,當P與Ti的原子比〔Ti/P〕超過0.8時,因為在加熱時生成的焊材的液相中溶有許多Ti,液相的熔點上升而容易凝固。其結果,Ti與未反應的P殘留,形成許多Cu3P相。
此外,因為以前述Cu-P系焊材的溶融開始溫度以上的溫度加熱而生成液相的加熱處理工程中的升溫速度為5℃/min以上,可以抑制Ti與P以外的元素反應而消耗,而使P與Ti反應,能抑制Cu3P相的形成。此外,因為加熱處理工程中的升溫速度設為30℃/min以下,不會引起必要以上速度的Ti的向液相的擴散,液相變得難以凝固,能夠抑制Cu3P相的生成。
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,能夠抑制在陶瓷基板與電路層之間形成脆的Cu3P相。因此,即便負荷到達較高溫的冷熱循環,也能夠製造能抑制部分放電的發生的電源模組用基板。
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,能夠抑制在陶瓷基板與金屬層之間形成脆的Cu3P相。因此,即便負荷到達較高溫的冷熱循環,也能夠製造能抑制部分放電的發生的電源模組用基板。
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,能夠抑制在陶瓷基板與電路層之間形成脆的Cu3P相。因此,即便負荷到達較高溫的冷熱循環時,也能夠製造能抑 制在電路層側因Cu3P相所引起的部分放電的發生的電源模組用基板。
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、由該接合體所形的電源模組用基板、電源模組、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,且在負荷達到較高溫的冷熱循環時也能抑制部分放電的發生。
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)
16‧‧‧Cu3P相
18、118、218‧‧‧接合層
22、122、123、222‧‧‧Cu板(Cu構件)
24,124,224‧‧‧Cu-P系焊材
113、112、212‧‧‧金屬層(Cu構件)
[圖1]有關本發明的第一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2]有關本發明的第一實施形態之使用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之間的接合層的剖面觀察照片。
[圖4]說明有關本發明的第一實施形態之使用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使用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使用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使用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使用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使用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使用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使用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:配設有電路層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)通過軟焊層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,藉由將焊材Cu-P系焊材24、接合Ti材25、由無氧銅所形成的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固溶至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0.2mm。
圖3顯示了在陶瓷基板11與電路層12之間形成的接合層18的概略說明圖。
在陶瓷基板11與電路層12之間的接合層18中,陶瓷基板11的接合面附近形成有Cu-Sn層14,在該Cu-Sn層14的電路層12側,形成含有Ti的Ti含有層15。
Cu-Sn層14為Sn固溶於Cu中的層。該Cu-Sn層14為藉由Cu-P系焊材24所含有的P與Ti材25的Ti反應而消耗所形成的層。
作為Ti含有層15,例如有P-Ti系金屬間化合物層、Ti層、Cu-Ti金屬間化合物層等。此外,因為Ti材25中Ti量或接合條件等,而Ti含有層15的構成相異。
其中,在該Cu-Sn層14內Cu3P相16分散,該Cu3P相16,藉由未與Ti材25的Ti反應而殘留的Cu-P系焊材24所包含的P與Cu反應所生成。
接著,在本實施形態中,在陶瓷基板11與電路層12 之間形成的接合層18中,從陶瓷基板11的接合面向電路層12側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
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隔著軟焊層2接合。
軟焊層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,在陶瓷基板11的一方之面(圖5中的上面),將Cu-P系焊材24、Ti材25、及成為電路層12的Cu板22依序層積(層積工程S01)。
在層積工程S01中,配置Cu-P系焊材24及Ti材25,使得介於陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕在0.1以上0.8以下的範圍內。具體來說,考慮Cu-P系焊材24的P的含有量及Ti材25的純度,藉由調整Cu-P系焊材24的厚度及Ti材25的厚度,以調整介於陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕。
在這裡,當介於陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕未滿0.1時,與P反應的Ti量不充分,形成多數Cu3P相16,無法使得從陶瓷基板11的接合面向電路層12側50μm為止的區域中的Cu3P相的 面積率為15%以下。
另一方面,當介於陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕超過0.8時,因為在加熱時生成的焊材的液相中溶有許多Ti,液相的熔點上升而容易凝固。其結果,Ti與未反應的P殘留,形成許多Cu3P相。
其中,在本實施形態中,在層積工程S01中,將介於陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕設定在0.1以上0.8以下的範圍內。
此外,為了更抑制Cu3P相16的生成,介於陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕的下限為0.15以上較佳,更佳為0.2以上。
此外,為了更抑制Cu3P相16的生成,介於陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕的下限為0.7以下較佳,更佳為0.6以下。
其中,當Ti材25厚度在0.1μm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層25的厚度下限較佳為0.2μm以上,更佳為0.4μm以上。又,Ti材25的厚度上限較佳為3μm以下,更佳為1.5μm以下。
接著,將陶瓷基板11、Cu-P系焊材24、Ti材25、及Cu板22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系焊材24的溶融開始溫度以上的溫度來加熱(加熱處理工程S02)。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S02中,將到上述的加熱溫度為止的升溫速度設在5℃/min以上30℃/min以下的範圍內。
在這裡,當到上述的加熱溫度為止的升溫速度未滿5℃/min時,在升溫過程中Ti會與P以外的元素反應而消耗,與P反應的Ti量不充分,形成多數Cu3P相16,無法使得從陶瓷基板11的接合面向電路層12側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
另一方面,當到上述的加熱溫度為止的升溫速度超過30℃/min,因為Ti的焊材向液相的擴散變快,液相的凝固也變快,未反應的P多數殘留,形成多數Cu3P相16。
在這裡,在本實施形態中,將到上述的加熱溫度為止的升溫速度設在5℃/min以上30℃/min以下的範圍內。
此外,為了更加抑制Cu3P相16的生成,將到上述的加熱溫度為止的升溫速度的下限設在7℃/min以上較佳,設為10℃/min以上更佳。
此外,為了更加抑制Cu3P相16的生成,將到上述的加熱溫度為止的升溫速度的下限設在25℃/min以下較佳,設為20℃/min以下更佳。
在該加熱處理工程S02中,Cu-P系焊材24溶融形成液相,在該液相中溶入中間Ti層25,而藉由液相凝固,來接合陶瓷基板11與Cu板22。此時,Cu-P系焊 材24中所含有的P與Ti材25的Ti結合,在陶瓷基板11的接合面側形成Cu-Sn層14。
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S03)。
用這種方式製造有關本實施形態的電源模組1。
根據以上的構成的有關本實施形態之電源模組用基板10,因為在陶瓷基板11與電路層12之間形成的接合層18中,從陶瓷基板11的接合面向電路層12側50μm為止的區域中的Cu3P相16的面積率為15%以下,在接合層18內脆的Cu3P相16的所佔有的面積小,即便負荷達到例如200℃以上這種較高溫的冷熱循環時,也能夠抑制在電路層側12因Cu3P相16所引起的部分放電發生。藉此,有關本實施形態的電源模組10,在高溫環境下使用時的信賴性佳。
此外,在本實施形態中,因為在隔著Cu-P系焊材24與Ti材25將陶瓷基板11與成為電路層12的Cu板22層積的層積工程S01中,配置Cu-P系焊材24及Ti材25,使得介於前述陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕在0.1以上0.8以下的範圍內,能確保與P反應的Ti量,且因為未反應的P降低,能夠抑制Cu3P相16的形成。因此,能夠抑制部分放電的產生。
再來,在本實施形態中,因為將在加熱處理工程S02中的到加熱溫度為止的升溫速度設在5℃/min以上30℃/min以下,能夠抑制Cu3P相16的形成。因此,能夠抑制部分放電的產生。
此外,在加熱處理工程S02中,因為使加壓的壓力在1kgf/cm2以上,能夠使陶瓷基板11與Cu-P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,因為使加壓的壓力為35kgf/cm2以下時,能夠抑制在陶瓷基板11發生破裂。
(第二實施形態)
接著,說明有關本發明的第二實施形態。此外,有關與上述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)通過軟焊層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112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0.2mm。
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0.15mm。
其中,在本實施形態中,作為Cu-P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及金屬層113之間的接合層118的剖面概略說明圖。
在陶瓷基板11與電路層112及金屬層113之間的接合層118中,陶瓷基板11的接合面附近形成有Cu-Sn層14,在該Cu-Sn層14的電路層112側及金屬層113側, 其中,在Cu-Sn層14內Cu3P相16分散,該Cu3P相16,藉由未與Ti材25的Ti反應而殘留的的P與Cu反應所生成。
接著,在本實施形態中,在陶瓷基板11與電路層112及金屬層113之間形成的接合層118中,從陶瓷基板11的接合面向電路層112及金屬層113側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
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,在本實施形態中由無氧銅所構成。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)。
在層積工程S101中,配置Cu-P系焊材124及Ti材25,使得介於陶瓷基板11與Cu板122、123之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕在0.1以上0.8以下的範圍 內。具體來說,考慮Cu-P系焊材124的P的含有量及Ti材25的純度,藉由調整Cu-P系焊材124的厚度及Ti材25的厚度,以調整介於陶瓷基板11與Cu板22之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕。
接著,以將Cu板122、Ti材25、Cu-P系焊材124、陶瓷基板11、Cu-P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系焊材124的溶融開始溫度以上的溫度來加熱(加熱處理工程S102)。
在該加熱處理工程S102中,將到上述的加熱溫度為止的升溫速度設在5℃/min以上30℃/min以下的範圍內。
在該加熱處理工程S102中,Cu-P焊材124溶融形成液相,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系焊材124中所含有的P與Ti材25的Ti結合,在陶瓷基板11的接合面側形成Cu-Sn層14。
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S103)。
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S104)。
用這種方式製造有關本實施形態的電源模組101。
根據以上的構成的有關本實施形態之電源模組用基板110,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之間的接合層118中,從陶瓷基板11的接合面向電路層112側及金屬層113側50μm為止的區域中的Cu3P相16的面積率為15%以下,在接合層118內脆的Cu3P相16所佔的面積小,即便負荷達到例如200℃以上這種較高溫的冷熱循環時,也能夠抑制部分放電的發生。
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,有關與上述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:配設有電路層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)隔著軟焊層2接合的半導體元件3、在金屬層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0.2mm。
其中,在本實施形態中,作為Cu-P系焊材224具體上使用Cu-P-Sn-Ni焊材。
圖13顯示了陶瓷基板11與電路層212之間的接合層218的剖面概略說明圖。
在陶瓷基板11與電路層212之間的接合層218中,陶瓷基板11的接合面附近形成有Cu-Sn層14,在該Cu-Sn層14的電路層212側,形成含有Ti的Ti含有層15。
其中,在Cu-Sn層14內Cu3P相16分散。該Cu3P相16,藉由未與Ti材25的Ti反應而殘留的P與Cu反應所生成。
接著,在本實施形態中,在陶瓷基板11與電路層212之間形成的接合層218中,從陶瓷基板11的接合面向電路層212側50μm為止的區域中的Cu3P相16的面積率為15%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)。在本實施形態中,利用由Al-Si系焊材所形成的接合材227將Al板223接合。
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2.1mm。
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通過由Al-Si系焊材所形成的接合材242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,在陶瓷基板11的一方之面(圖15中為上面),將Cu-P系焊材224、Ti材25、及成為電 路層212的Cu板222依序層積,並在陶瓷基板11的另一方之面(圖15中為下面),隔著接合材227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S201)。
在層積工程S201中,配置Cu-P系焊材224及Ti材25,使得介於陶瓷基板11與Cu板222之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕在0.1以上0.8以下的範圍內。具體來說,考慮Cu-P系焊材224的P的含有量及Ti材25的純度,藉由調整Cu-P系焊材224的厚度及Ti材25的厚度,以調整介於陶瓷基板11與Cu板222之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕。
接著,將陶瓷基板11、Cu-P系焊材224、Ti材25及Cu板222、接合材227、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S202)。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S202中,將到上述的加熱溫度為止的升溫速度設在5℃/min以上30℃/min以下的範圍內。
在該加熱處理工程S202中,Cu-P系焊材224 溶融形成液相,在該液相中溶入Ti材25,而藉由液相凝固,來接合陶瓷基板11與Cu板222。此時,Cu-P系焊材224中所含有的P與Ti材25的Ti結合,在陶瓷基板11的側形成Cu-Sn層14。
此外,在該加熱處理工程S202中,接合材227溶融形成液相,藉由該液相的凝固,通過接合材227接合陶瓷基板11與Al板223。再來,在該加熱處理工程S202中,接合材242溶融形成液相,藉由該液相的凝固,通過接合材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及附散熱板電源模組用基板。
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S203)。
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所說明的電源模組用基板10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,因為可以將陶瓷基板11與Cu板222以較低溫接合,能夠同時接合由Cu板222所形成的電路層212及由Al板223所形成的金屬層213,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他方之面側不接合散熱板也可以。
此外,作為Ti材,可以使用Ti箔,也可以藉由蒸鍍或濺鍍來形成Ti材。此外,也可以使用在Cu構件的一方之面配設Ti的Cu構件/Ti包覆材。
再來,也可以使用在Ti材的一方之面配設有Cu-P系焊材的Ti材/焊材包覆材、或以將Cu構件、Ti材、Cu-P系焊材依序層積的Cu構件/Ti材/焊材包層。
此外,在上述實施形態中作為Cu-P系焊材雖說明使用Cu-P-Sn-Ni焊材者,但也可以使用Cu-P焊材等的其他Cu-P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系焊材。
Cu-P系焊材的P含有量為3質量%以上10質量%以下較佳。
P為具有使焊材的溶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,將溶融的焊材的 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溶融開始溫度降低的效果,因而會有焊材的溶融開始溫度上升、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,會有形成較多脆的金屬間化合物,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系焊材也可以含有0.5質量%以上25質量%以下的Sn。
Sn為具有使焊材的溶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,能夠使焊材的溶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系焊材內含有的Sn的話,該含有量較佳為在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20質量%以下的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,抑制了焊材的溶融開始溫度上升,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系焊材含有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(實施例1)結果。
在由AlN所形成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一方之面,將表1所示的Cu-P系焊材箔、Ti材、由無氧銅形成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)依序層積。
此時,配置Cu-P系焊材及Ti材,使得介於陶瓷基板 與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕成為表1所記載的數值。
此外,在本實施例中所使用的陶瓷基板為,將AlN作為100質量%,將ZrO2以10質量%添加並燒結的陶瓷基板。
作為加熱處理工程,在層積方向以壓力15kgf/cm2加壓的狀態裝入真空加熱爐內,以Cu-P系焊材的溶融開始溫度以上的溫度來加熱,在陶瓷基板的一方之面接合Cu板,形成電路層。
該加熱處理工程中的加熱溫度、加熱溫度中的保持時間、到加熱溫度為止的升溫速度以表1的條件來實施。
用這種方式製造得到本發明例1-1~1-8及比較例1-1~1-4的電源模組用基板。
對用上述的方式得到的電源模組用基板,評價陶瓷基板與電路層之間的接合層中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面積率、及部分放電特性。
(Cu3P相的面積率)
將上述電源模組用基板的Cu板/陶瓷基板界面的剖面利用EPMA(電子線微型分析儀)以750倍觀察,求出從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm的區域A的面積a。接著,在區域A內,將P濃度22at%~28at%的區域B視為Cu3P相,求出該面積b,將面積b/面積a作為Cu3P相的面積率(%)。評價結果顯示於表1。此外,觀察以5 視野進行,Cu3P相的面積率為該5視野的面積率的平均。
(部分放電特性)
對於得到的電源模組用基板,以200℃ 5分及-40℃ 5分的冷熱循環以100循環負荷。之後,在未形成電源模組用基板的電路層表面及陶瓷基板的電路層側以探針抵接,浸漬於3M社製Fluorinert,將放電電荷量以國際規格IEC 61287所規定的條件,將測定電壓設定為3.3kV,評價部分放電特性。測定電壓評價結果顯示於表1。
Figure 106102190-A0202-12-0032-1
比較例1-1因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕未滿0.1,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例1-2因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕超過0.8,部分放電特性不充分。
比較例1-3因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度未滿5℃/min,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例1-4因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度超過30℃/min,部分放電特性不充分。
相對於此,在本發明例1-1~1-8中任一個部分放電特性都佳。藉由該實施例1,在陶瓷基板的一面接合Cu板時,可以確認到能夠使部分放電特性提升。
(實施例2)
接著,說明有關為了確認本發明的效果而進行的確認實驗(實施例2)結果。
在由AlN所形成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一方之面及另一方之面,將表2所示的Cu-P系焊材箔、Ti材、由無氧銅形成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)依序層積。
此時,配置Cu-P系焊材及Ti材,使得介於陶瓷基板 與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕成為表2所記載的數值。
此外,在本實施例中所使用的陶瓷基板為,將AlN作為100質量%,將ZrO2以10質量%添加並燒結的陶瓷基板。
作為加熱處理工程,在層積方向以壓力15kgf/cm2加壓的狀態裝入真空加熱爐內,以Cu-P系焊材的溶融開始溫度以上的溫度來加熱,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。
該加熱處理工程中的加熱溫度、加熱溫度中的保持時間、到加熱溫度為止的升溫速度以表2的條件來實施。
用這種方式製造得到本發明例2-1~2-8及比較例2-1~2-4的電源模組用基板。
對用上述的方式得到的電源模組用基板,與實施例1一樣評價陶瓷基板與電路層之間的接合層中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面積率、及部分放電特性。此外,當評價部分放電特性時,在電路層及金屬層表面抵接探針來測定。
評價結果顯示於表2。
Figure 106102190-A0202-12-0035-2
比較例2-1因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕未滿0.1,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例2-2因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕超過0.8,部分放電特性不充分。
比較例2-3因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度未滿5℃/min,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例2-4因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度超過30℃/min,部分放電特性不充分。
相對於此,在本發明例2-1~2-8中任一個部分放電特性都佳。藉由該實施例2,即使是在陶瓷基板的兩面接合Cu板的情形,可以確認到能夠使部分放電特性提升。
(實施例3)
接著,說明有關為了確認本發明的效果而進行的確認實驗(實施例3)結果。
在由AlN所形成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)的一方之面,將表3所示的Cu-P系焊材箔、Ti材、由無氧銅形成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)依序層積,同時在陶瓷基板的另一方之下,隔著Al-Si系焊 材將純度99.99質量%的由Al所形成的Al板(37mm×37mm×2.1mmt)層積。
此時,配置Cu-P系焊材及Ti材,使得介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕成為表3所記載的數值。
此外,在本實施例中所使用的陶瓷基板為,將AlN作為100質量%,將ZrO2以10質量%添加並燒結的陶瓷基板。
作為加熱處理工程,在層積方向以壓力15kgf/cm2加壓的狀態裝入真空加熱爐內,藉由10-6Pa以上、10-3Pa以下的壓力,以Cu-P系焊材的溶融開始溫度以上的溫度來加熱,在陶瓷基板的一方之面接合Cu板,形成電路層,並在陶瓷基板的另一方之面接合Al板形成金屬層。
該加熱處理工程中的加熱溫度、加熱溫度中的保持時間、到加熱溫度為止的升溫速度以表3的條件來實施。
用這種方式製造得到本發明例3-1~3-8及比較例3-1~3-4的電源模組用基板。
對用上述的方式得到的電源模組用基板,與實施例1一樣評價陶瓷基板與電路層之間的接合層中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面積率、及部分放電特性。此外,當評價部分放電特性時,在電路層及金屬層表面抵接探針來測定。
評價結果顯示於表3。
Figure 106102190-A0202-12-0038-3
比較例3-1因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕未滿0.1,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例3-2因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕超過0.8,部分放電特性不充分。
比較例3-3因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度未滿5℃/min,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例3-4因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度超過30℃/min,部分放電特性不充分。
相對於此,在本發明例3-1~3-8中任一個部分放電特性都佳。藉由該實施例3,即使是在陶瓷基板的一面接合Cu板並在陶瓷基板的另一方之面接合Al板的情形,可以確認到能夠使部分放電特性提升。
(實施例4)
接著,說明有關為了確認本發明的效果而進行的確認實驗(實施例4)結果。
在由AlN所形成的陶瓷基板(40mm×40mm×1.0mmt)的一方之面及另一方之面,將表4所示的Cu-P系焊材箔、Ti材、由無氧銅形成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)依序層積。
此時,配置Cu-P系焊材及Ti材,使得介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕成為表4所記載的數值。
此外,在本實施例中所使用的陶瓷基板為,將AlN作為100質量%,將ZrO2以10質量%添加並燒結的陶瓷基板。
作為加熱處理工程,在層積方向以壓力15kgf/cm2加壓的狀態裝入真空加熱爐內,以Cu-P系焊材的溶融開始溫度以上的溫度來加熱,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。
該加熱處理工程中的加熱溫度、加熱溫度中的保持時間、到加熱溫度為止的升溫速度以表4的條件來實施。
用這種方式製造得到本發明例4-1~4-8及比較例4-1~4-4的電源模組用基板。
對用上述的方式得到的電源模組用基板,與實施例1一樣評價陶瓷基板與電路層之間的接合層中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面積率。
此外,關於部分放電特性,首先,對於得到的電源模組用基板,以150℃ 15分及-50℃ 15分的冷熱循環以200循環負荷。接著,在之後,在未形成電源模組用基板的電路層表面及金屬層表面以探針抵接,浸漬於Fluorinert,將放電電荷量以國際規格IEC 61287所規定的條件,將測定電壓設定為5.1kV,評價部分放電特性。也就是說,在該實施例4中,評價關於高電壓負荷時的部分 放電特性。
評價結果顯示於表4。
Figure 106102190-A0202-12-0042-4
比較例4-1因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕未滿0.1,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例4-2因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕超過0.8,部分放電特性不充分。
比較例4-3因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度未滿5℃/min,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例4-4因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度超過30℃/min,部分放電特性不充分。
相對於此,在本發明例4-1~4-8中任一個部分放電特性都佳。藉由該實施例4,即使是將測定電壓設定為高的5.1Kv,可以確認到能夠得高充分的部分放電特性。
(實施例5)
接著,說明有關為了確認本發明的效果而進行的確認實驗(實施例5)結果。
在由Si3N4所形成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.32mmt)的一方之面及另一方之面,將表5所示的Cu-P系焊材箔、Ti材、由無氧銅形成的Cu板(37mm×37mm×0.2mmt)依序層積。
此時,配置Cu-P系焊材及Ti材,使得介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕成為表5所記載的數值。
作為加熱處理工程,在層積方向以壓力15kgf/cm2加壓的狀態裝入真空加熱爐內,以Cu-P系焊材的溶融開始溫度以上的溫度來加熱,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。
該加熱處理工程中的加熱溫度、加熱溫度中的保持時間、到加熱溫度為止的升溫速度以表5的條件來實施。
用這種方式製造得到本發明例5-1~5-8及比較例5-1~5-4的電源模組用基板。
對用上述的方式得到的電源模組用基板,與實施例1一樣評價陶瓷基板與電路層之間的接合層中的陶瓷基板附近的Cu3P相的面積率、及部分放電特性。此外,當評價部分放電特性時,在電路層及金屬層表面抵接探針來測定。
評價結果顯示於表5。
Figure 106102190-A0202-12-0045-5
比較例5-1因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕未滿0.1,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例5-2因為介於陶瓷基板與Cu板之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕超過0.8,部分放電特性不充分。
比較例5-3因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度未滿5℃/min,且從陶瓷基板的接合面向Cu板側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率超過15%,部分放電特性不充分。
比較例5-4因為到加熱處理工程中的加熱溫度為止的升溫速度超過30℃/min,部分放電特性不充分。
相對於此,在本發明例5-1~5-8中任一個部分放電特性都佳。藉由該實施例5,即使是在由Si3N4所形成的陶瓷基板的兩面接合Cu板的情形,可以確認到能夠使部分放電特性提升。
[產業上的利用可能性]
根據本發明的接合體、由該接合體所形的電源模組用基板、電源模組、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,且在負荷達到較高溫的冷熱循環時也能抑制部分放電的發生。
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12‧‧‧電路層(Cu構件)
14‧‧‧Cu-Sn層
15‧‧‧Ti含有層
16‧‧‧Cu3P相
18‧‧‧接合層

Claims (9)

  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構件之間形成的接合層中,從前述陶瓷構件的接合面向前述Cu構件側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
  2. 一種電源模組用基板,係由請求項1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;在前述陶瓷構件與前述Cu構件之間形成的接合層中,從前述陶瓷基板的接合面向前述電路層側50μm為止的區域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
  3. 如請求項2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。
  4. 一種電源模組用基板,係由請求項1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構件所形成的金屬層;在前述陶瓷基板與前述金屬層之間形成的接合層中,從前述陶瓷基板的接合面向前述金屬層側50μm為止的區 域中的Cu3P相的面積率為15%以下。
  5. 一種電源模組,具備:如請求項2至請求項4中任1項所記載的電源模組用基板、搭載於前述電源模組用基板的前述電路層上的半導體元件。
  6. 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、以前述Cu-P系焊材的溶融開始溫度以上的溫度加熱而產生液相的加熱處理工程;其中,在前述層積工程中,配置前述Cu-P系焊材及前述Ti材,使得介於前述陶瓷構件與前述Cu構件之間的P與Ti的原子比〔Ti/P〕在0.1以上0.8以下的範圍內;在前述加熱處理工程中,將升溫速度設在5℃/min以上30℃/min以下的範圍內。
  7. 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6所記載的接合體的製造方法來接合。
  8. 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6所記載的 接合體的製造方法來接合。
  9. 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6所記載的接合體的製造方法來接合。
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