TWI732997B - 銅鈦鋁接合體、絕緣電路基板、附散熱塊絕緣電路基板、功率模組、ｌｅｄ模組、熱電模組 - Google Patents

Abstract

本發明之銅鈦鋁接合體，係由銅或銅合金構成的銅構件，與由鋁或鋁合金構成的鋁構件，中介著鈦層接合而成，於銅構件與鈦層之接合界面，被形成含有銅與鈦的金屬間化合物，於銅構件與鈦層之接合界面，未被形成金屬間化合物之金屬間化合物未形成部的沿著接合界面之長度L_i 的最大值為20μm以下，金屬間化合物未形成部的沿著接合界面之長度的合計ΣL_i ，與前述接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下。

Description

銅鈦鋁接合體、絕緣電路基板、附散熱塊絕緣電路基板、功率模組、ＬＥＤ模組、熱電模組

本發明係關於銅或銅合金構成的銅構件、鋁或鋁合金構成的鋁構件，中介著鈦層接合而成的銅鈦鋁接合體，及具備彼之絕緣電路基板、附散熱塊絕緣電路基板、功率模組、發光二極體(以下簡稱為LED)模組、熱電模組。

功率模組、LED模組及熱電模組，係在絕緣層一方之面形成由導電材料構成的電路層之絕緣電路基板上，被接合功率半導體元件、發光二極體(LED)元件及熱電元件的構造。 　　例如供控制風力發電、電動車、油電混合車等而用的大電力控制用功率半導體元件，在運作時發熱量很多，所以搭載彼之基板，廣泛使用耐熱性、絕緣性優異的氮化矽(Si₃ N₄ )所構成的陶瓷基板(絕緣層)。

此外，於前述絕緣電路基板，提供在陶瓷基板(絕緣層)之一方之面接合形成導電性優異的金屬板作為電路層，此外於另一方之面接合散熱性優異的金屬層使其一體化之構造。 　　在此，作為絕緣電路基板(功率模組用基板)的電路層及金屬層，檢討著使用被層積鋁層與銅層之接合體。例如，於專利文獻1，提出把電路層及金屬層構成為鋁層與銅層中介著鈦層而接合的構成。

進而，於前述之功率模組、LED模組及熱電模組，為了使搭載於電路層的半導體元件等所產生的熱有效率地發散，也使用在絕緣電路基板的金屬層側接合散熱塊之附散熱塊絕緣電路基板。 　　例如，於專利文獻1，金屬層以鋁或鋁合金構成，散熱塊以銅或銅合金構成，使金屬層與散熱塊中介著鈦層接合之附散熱塊絕緣電路基板被提出來。

接著，於前述之絕緣電路基板及附散熱塊絕緣電路基板，藉由超音波檢查等，評估陶瓷基板與鋁層、鋁層與鈦層、鈦層與銅層之各接合界面的接合狀態。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特許第5725061號公報

[發明所欲解決之課題]

然而，最近，於被搭載於絕緣電路基板的功率半導體元件、發光二極體元件及熱電元件等，有發熱密度變高的傾向，對於絕緣電路基板也比從前更增加了對於直到更高溫度為止的冷熱循環之可信賴性的要求。 　　在此，如前所述，於具有鋁層與銅層中介著鈦層接合的構造之絕緣電路基板及附散熱塊絕緣電路基板，在負荷直到比從前更高溫度為止之冷熱循環時，於銅層與鈦層之接合界面會發生剝離。

本發明係有鑑於前述情況而完成之發明，目的在於提供即使在負荷直到比從前更高溫度為止的冷熱循環的場合，於銅構件與鈦層之接合界面也可以抑制剝離的發生，特別是可信賴性優異的銅鈦鋁接合體、及具備彼之絕緣電路基板、附散熱塊絕緣電路基板、功率模組、LED模組、熱電模組。 [供解決課題之手段]

為了解決前述課題，本案發明人銳意檢討的結果，發現了在銅層與鈦層之接合界面，被形成銅與鈦之金屬間化合物，於接合界面的一部分有未被形成此金屬間化合物的區域(金屬間化合物未形成部)，在負荷著比從前更高溫度為止的冷熱循環的場合，於此金屬間化合物未形成部產生剝離之知識。又，此金屬間化合物未形成部，於冷熱循環負荷前無法以超音波檢查來檢測出。

本發明係有鑑於前述知識而完成之發明，本發明之一態樣之銅鈦鋁接合體，係由銅或銅合金構成的銅構件，與由鋁或鋁合金構成的鋁構件，中介著鈦層接合而成，特徵為：於前述銅構件與前述鈦層之接合界面，被形成含有銅與鈦的金屬間化合物，於前述銅構件與前述鈦層之接合界面，未被形成前述金屬間化合物之金屬間化合物未形成部的沿著接合界面之長度L_i 的最大值為20μm以下，前述金屬間化合物未形成部的沿著接合界面之長度的合計ΣL_i ，與前述接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下。

根據此構成之銅鈦鋁接合體，前述銅構件與前述鈦層之接合界面，未被形成前述金屬間化合物之金屬間化合物未形成部的沿著接合界面之長度L_i 的最大值為20μm以下，所以銅構件與鈦層之間，銅與鈦充分地相互擴散而被形成前述金屬間化合物，使得銅構件與鈦層之接合可信賴性優異。 　　此外，前述金屬間化合物未形成部的沿著接合界面之長度的合計ΣL_i ，與前述接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下，所以未被形成含有銅與鈦的金屬間化合物的區域的存在比率變小，即使負荷比從前更高溫度為止的冷熱循環的場合，也可以抑制以金屬間化合物未形成部為起點發生剝離。

本發明之一態樣之絕緣電路基板，特徵為具備：陶瓷基板，與被形成於前述陶瓷基板一方之面的電路層；前述電路層，係前項記載之銅鈦鋁接合體。

根據此構成之絕緣電路基板，電路層以前述之銅鈦鋁接合體構成，所以即使在電路層上搭載發熱密度高的元件，於銅構件與鈦層之接合界面產生剝離的情形也被抑制，可信賴性優異。

此外，本發明之一態樣之絕緣電路基板，特徵為具備：陶瓷基板，與被形成於前述陶瓷基板一方之面的電路層，以及被形成於前述陶瓷基板之另一方之面的金屬層；前述金屬層，係前項所記載之銅鈦鋁接合體。

根據此構成之絕緣電路基板，金屬層以前述之銅鈦鋁接合體構成，所以銅構件與鈦層之接合可信賴性優異，可以把來自搭載於電路層的元件之熱，透過金屬層有效率地散熱。

進而，本發明之一態樣之絕緣電路基板，特徵為具備：陶瓷基板，與被形成於前述陶瓷基板一方之面的電路層，以及被形成於前述陶瓷基板之另一方之面的金屬層；前述電路層及前述金屬層，係前項記載之銅鈦鋁接合體。

根據此構成之絕緣電路基板，電路層及金屬層以前述之銅鈦鋁接合體構成，所以即使在電路層上搭載發熱密度高的元件，於銅構件與鈦層之接合界面產生剝離的情形也被抑制，可信賴性優異。此外，可以使來自搭載於電路層的元件之熱，透過金屬層有效率地散熱。

本發明之一態樣之附散熱塊絕緣電路基板，特徵為具備：陶瓷基板、被形成於前述陶瓷基板一方之面的電路層、被形成於前述陶瓷基板之另一方之面的金屬層、以及被接合於前述金屬層的散熱塊；前述金屬層及前述散熱塊，係前項記載之銅鈦鋁接合體。

根據此構成之附散熱塊絕緣電路基板，金屬層及散熱塊以前述之銅鈦鋁接合體構成，所以即使於高負荷時，於被形成於金屬層與散熱塊之間的銅構件與鈦層之接合界面產生剝離的情形也被抑制，可信賴性優異。

本發明之一態樣之功率模組，特徵為具備前項記載之絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的功率半導體元件。 　　本發明之一態樣之功率模組，特徵為具備前項記載之附散熱塊絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的功率半導體元件。

本發明之一態樣之LED模組，特徵為具備前項記載之絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的LED元件。 　　此外，本發明之一態樣之LED模組，特徵為具備前項記載之附散熱塊絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的LED元件。

本發明之一態樣之熱電模組，特徵為具備前項記載之絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的熱電元件。 　　此外，本發明之一態樣之熱電模組，特徵為具備前項記載之附散熱塊絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的熱電元件。

根據本發明之一態樣之功率模組、LED模組及熱電模組，具有前述之銅鈦鋁接合體，於高負荷時也抑制銅構件與鈦層之接合界面產生剝離，可以提高功率模組、LED模組及熱電模組之可信賴性。 [發明之效果]

根據本發明，可以提供即使在負荷直到比從前更高溫度為止的冷熱循環的場合，於銅構件與鈦層之接合界面也可以抑制剝離的發生，特別是可信賴性優異的銅鈦鋁接合體、及具備彼之絕緣電路基板、附散熱塊絕緣電路基板、功率模組、LED模組、熱電模組。

以下，參照圖式說明本發明之實施形態。又，於以下所示之各實施形態，係為了使本發明的要旨更容易理解而具體說明之例，在沒有特別指定的情況下，並不能用來限定本發明之範圍。此外，以下說明所使用的圖式，亦有為了使本發明的特徵容易理解，而方便上擴大顯示重要部位的部份的場合，各構成要素的尺寸比率不限於與實際上相同。

(第1實施形態) 　　圖1顯示使用本發明的第1實施形態之絕緣電路基板10之功率模組1。又，本實施形態之接合體，於圖1所示的絕緣電路基板10為：作為鋁構件之鋁層21及作為銅構件之銅層22中介著鈦層25接合而成的電路層20、作為鋁構件之鋁層31及作為銅構件之銅層32中介著鈦層35接合而成的金屬層30。

圖1所示之功率模組1，係具備：絕緣電路基板10，及在此絕緣電路基板10之一方之面(圖1之上面)中介著第1焊錫層2被接合之功率半導體元件3、與在絕緣電路基板10下側中介著第2焊錫層42被接合之散熱塊41。又，被接合散熱塊41的絕緣電路基板10，為本實施形態之附散熱塊之絕緣電路基板40。

功率半導體元件3，係由矽等半導體材料構成的。接合絕緣電路基板10與功率半導體元件3之第1焊錫層2，例如為Sn-Ag系，Sn-Cu系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系之焊料(所謂的無鉛焊料)。

散熱塊41，係供散熱絕緣電路基板10側之熱者。散熱塊41，以銅或銅合金構成，在本實施形態以無氧銅構成。接合絕緣電路基板10與散熱塊41之第2焊錫層42，例如為Sn-Ag系，Sn-Cu系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系之焊料(所謂的無鉛焊料)。

接著，相關於本實施形態之絕緣電路基板10，如圖1所示，係具備：陶瓷基板11、被配設在此陶瓷基板11之一方之面(圖1之上面)之電路層20、與被配設在陶瓷基板11之另一方之面(圖1之下面)之金屬層30。

陶瓷基板11以絕緣性高的AlN(氮化鋁)、Si₃ N₄ (氮化矽)、Al₂ O₃ (氧化鋁)等構成。在本實施形態，以強度優異的Si₃ N₄ (氮化矽)構成。此外，陶瓷基板11的厚度，可設定在0.2～1.5mm之範圍內，在本實施形態，被設定在0.32mm。

電路層20，如圖1所示，具有被配設於陶瓷基板11之一方之面的鋁層21，及在此鋁層21之一方之面中介著鈦層25而層積之銅層22。 　　此處，電路層20的鋁層21的厚度，被設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內，在本實施形態，被設定於0.4mm。 　　此外，電路層20之銅層22的厚度，被設定在0.1mm以上6.0mm以下之範圍內，在本實施形態，被設定於1.0 mm。

金屬層30，如圖1所示，具有被配設於陶瓷基板11之另一方之面的鋁層31，及在此鋁層31之另一方之面中介著鈦層35而層積之銅層32。 　　此處，金屬層30的鋁層31的厚度，被設定在，0.1mm以上3.0mm以下之範圍內，在本實施形態，被設定於0.4 mm。 　　此外，金屬層30之銅層32的厚度，被設定在0.1mm以上6.0mm以下之範圍內，在本實施形態，被設定於1.0 mm。

在此，鋁層21、31，如圖4所示，藉由在陶瓷基板11之一方之面及另一方之面，被接合鋁板51、61而形成。 　　鋁層21、31所構成的鋁板51、61，以純度99質量百分比以上之鋁(2N鋁)構成。亦即，矽之含量被設定在0.03質量百分比以上1.0質量百分比以下的範圍內。

銅層22、32，藉由在鋁層21、31之一方之面及另一方之面，中介著鈦層25、35被接合銅或銅合金構成的銅板52、62而形成。於本實施形態，構成銅層22、32之銅板52、62，為無氧銅之壓延板。 　　又，鋁層21、31與鈦層25、35、以及鈦層25、35與銅層22、32分別被固相擴散接合。

在此，於鋁層21、31與鈦層25、35之接合界面，如圖2所示，被形成Al-Ti-Si層26、36。 　　此Al-Ti-Si層26、36，是在藉由鋁層21、31的鋁原子與鈦層25、35的鈦原子相互擴散而形成的Al₃ Ti，藉由固溶鋁層21、31的矽而形成的。 　　Al-Ti-Si層26、36的厚度，設定為0.5μm以上10μm以下，於本實施形態為3μm。

此外，於鈦層25、35與銅層22、32之接合界面，如圖2所示，被形成含有鈦與銅的金屬間化合物相27,37。 　　此金屬間化合物相27、37，係藉由銅層22、32的銅原子與鈦層25、35的鈦原子相互擴散而形成的。 　　此外，於鈦層25、35與銅層22、32之接合界面，如圖2所示，存在著未被形成前述金屬間化合物相27、37的區域(金屬間化合物未形成部28、38)。

此處，在本實施形態，沿著此金屬間化合物未形成部28、38之接合界面的長度L_i 之最大值為20μm以下。 　　此外，沿著金屬間化合物未形成部28、38的接合界面之長度的合計ΣL_i ，與接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下。 　　於本實施形態，觀察鈦層25、35與銅層22、32之接合界面的結果，沿著被觀察到的金屬間化合物未形成部28、38的接合界面之長度L_i 之最大值為20μm以下，沿著被觀察到的金屬間化合物未形成部28、38的接合界面之長度的合計ΣL_i ，與觀察視野之接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下。

又，觀察鈦層25、35與銅層22、32之接合界面時，藉由EPMA進行絕緣電路基板10的剖面觀察，包含鈦層25、35與銅層22、32之接合界面的區域(縱100μm×橫200μm)之銅及鈦的元素地圖(MAP)，把銅濃度5原子百分比以上且鈦濃度16原子百分比以上70原子百分比以下的區域作為金屬間化合物相27、37，而把接合界面之這些金屬間化合物相27、37之間的區域，作為金屬間化合物未形成部28、38的沿著接合界面的長度L_i 。這樣的測定實施10個視野，算出金屬間化合物未形成部28、38之沿著接合界面的長度L_i 之最大值，及觀察到的金屬間化合物未形成部28、38之沿著接合界面的長度之合計ΣL_i ，與觀察視野之接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 。

其次，針對本實施形態之絕緣電路基板10之製造方法，參照圖3及圖4加以說明。

首先，如圖4所示，於陶瓷基板11之一方之面(圖4為上面)，層積成為鋁層21的鋁板51，進而於其上中介著鈦材55而層積成為銅層22之銅板52。此外，於陶瓷基板11之另一方之面(圖4為下面)，層積成為鋁層31的鋁板61，進而於其上中介著鈦材65而層積成為銅層32之銅板62。此處，於本實施形態，鋁板51、61與陶瓷基板11之間，中介層積Al-Si系之焊料箔58、68。(層積步驟S01)

接著，於真空條件下，以於層積方向以8 kgf/cm² 以上20kgf/cm² 以下之範圍內加壓的狀態進行加熱，接合鋁板51與陶瓷基板11，進而藉由使鋁板51與鈦材55、鈦材55與銅板52固相擴散形成電路層20。此外，藉由接合鋁板61與陶瓷基板11，進而藉由使鋁板61與鈦材65、鈦材65與銅板62固相擴散，形成金屬層30。(電路層及金屬層形成步驟S02)

此處，在本實施形態，真空條件在10^-6 Pa以上10^-3 Pa以下之範圍內，加熱溫度設定在630℃以上643℃以下，保持時間設定在210分鐘以上360分鐘以下之範圍內。 　　接著，在本實施形態，於接合溫度以使加壓壓力成為前述範圍的方式，使用熱壓裝置實施加壓及加熱。 　　又，鋁板51、61、鈦材55、65及銅板52、62之被接合的面，預先除去該面之傷痕使平滑之後，被固相擴散接合。 　　如前所述進行，製造本實施形態之絕緣電路基板10。

接著，於絕緣電路基板10之金屬層30，中介焊料材層積散熱塊41，於還原爐內進行焊料接合(散熱塊接合步驟S03)。 　　如此進行，製造本實施形態之附散熱塊絕緣電路基板40。 　　接著，於電路層20之一方之面(銅層22的表面)，中介焊料材層積功率半導體元件3，於還原爐內進行焊料接合(功率半導體元件接合步驟S04)。 　　如前所述進行，製造本實施形態之功率模組1。

於如以上所述構成之本實施形態之絕緣電路基板10，電路層20為鋁層21與鈦層25與銅層22分別被固相擴散的構造，同時金屬層30為鋁層31與鈦層35與銅層32分別被固相擴散接合的構造，於銅層22、32與鈦層25、35之接合界面，未被形成含有銅與鈦的金屬間化合物相27,37的金屬間化合物未形成部28、38的沿著接合界面之長度Li的最大值為20μm以下，所以銅層22、32與鈦層25、35之間，銅與鈦充分地相互擴散，使得銅層22、32與鈦層25、35之接合可信賴性優異。

此外，於銅層22、32與鈦層25、35之結合界面，金屬間化合物未形成部28、38的沿著接合界面之長度的合計ΣL_i ，與接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下，所以金屬間化合物未形成部28、38的存在比率變小，即使負荷更高溫度的冷熱循環的場合，也可以抑制以金屬間化合物未形成部28，38為起點發生剝離。

如以上所述，由於電路層20之銅層22與鈦層25之接合可信賴性優異，所以即使在電路層20上搭載發熱密度高的功率半導體元件3，也可抑制於銅層22與鈦層25之接合界面產生剝離的情形。 　　此外，由於金屬層30之銅層32與鈦層35之接合可信賴性優異，所以可以把來自搭載於電路層20上的功率半導體元件3之熱，透過金屬層30有效率地往散熱塊41側散熱。

此外，在本實施形態，於陶瓷基板11之一方之面及另一方之面被形成變形阻力比較小的鋁層21、31，所以負荷冷熱循環時產生的熱應力可以藉由鋁層21、31的變形來吸收，可以抑制在陶瓷基板11發生破裂。 　　進而，於鋁層21、31之中與被形成陶瓷基板11之面的相反側之面，被形成變形阻力比較大的銅層22、32，所以負荷冷熱循環時電路層20及金屬層30的表面的變形被抑制，可以抑制接合電路層20與功率半導體元件3的第1焊錫層2，及接合金屬層30與散熱板41的第2焊錫層42之龜裂的產生，可提高接合可信賴性。

此外，於本實施形態，為一次接合陶瓷基板11、鋁板51、61、鈦材55、65、銅板52、62的構成，所以可以簡化製造步驟，可以減低製造成本。 　　此外，於本實施形態，鋁板51、61、鈦材55、65、銅板52、62之固相擴散接合，是往層積方向施加8～20kgf/cm² 的壓力的狀態下保持於630℃以上643℃以下而進行的構成，所以使鋁原子與鈦原子，及鈦原子與銅原子相互擴散，於鈦材25中使鋁原子及銅原子被固相擴散而固相擴散接合，可以確實地接合鋁板51、61、鈦材55、65、與銅板52、62。

接著，在本實施形態，於加熱溫度(接合溫度)以使往層積方向的加壓壓力成為在前述範圍內的方式使用熱壓裝置，所以在鈦層25、35與銅層22、32之間可充分的促進鈦原子與銅原子之相互擴散，可以使前述金屬間化合物未形成部28、38之沿著接合界面的長度L_i ，與接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 在前述範圍內。

(第2實施形態) 　　圖5顯示使用本發明的第2實施形態之附散熱塊絕緣電路基板140之功率模組101。又，與第1實施形態相同的構件，賦予同一符號而省略詳細的說明。 　　此外，本實施形態之接合體，於圖5所示的附散熱塊絕緣電路基板140，係鋁構件之金屬層130，與銅構件之散熱塊141中介著鈦層145而接合者。

圖5所示之功率模組101，具備：附散熱塊絕緣電路基板140，及在此附散熱塊絕緣電路基板140之一方之面(圖5之上面)中介著第1焊錫層2被接合之功率半導體元件3。此外，本實施形態之附散熱塊絕緣電路基板140，具備絕緣電路基板110，與被接合於此絕緣電路基板110的金屬層130之散熱塊141。

散熱塊141，係供散熱絕緣電路基板110側之熱者。散熱塊141，以銅或銅合金構成，在本實施形態以無氧銅構成。

絕緣電路基板110，如圖5所示，係具備：陶瓷基板11、被配設在此陶瓷基板11之一方之面(圖5之上面)之電路層120、與被配設在陶瓷基板11之另一方之面(圖5之下面)之金屬層130。

電路層120，如圖8所示，藉由在陶瓷基板11之一方之面(圖8之上面)被接合鋁或鋁合金構成的鋁151而形成。於本實施形態，電路層120，係藉由純度99百分比以上的鋁(2N鋁)之壓延板被接合於陶瓷基板11而形成。又，成為電路層120的鋁板151的厚度，被設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內，在本實施形態，被設定於0.6 mm。

金屬層130，如圖8所示，藉由在陶瓷基板11之另一方之面(圖8之下面)被接合鋁板161而形成。於本實施形態，構成金屬層130之鋁板161，為純度99.99質量百分比以上的鋁(4N鋁)的壓延板。又，被接合的鋁板161的厚度，被設定在0.1mm以上3.0mm以下之範圍內，在本實施形態，被設定於0.6mm。

接著，本實施形態之附散熱塊絕緣電路基板140，如圖5所示，係金屬層130與散熱塊141中介著鈦層145而接合者。 　　又，金屬層130與鈦層145、及鈦層145與散熱塊141分別被固相擴散接合。

在此，於金屬層130與鈦層145之接合界面，如圖6所示，被形成Al-Ti-Si層146。 　　此Al-Ti-Si層146，是在藉由金屬層130的鋁原子與鈦層145的鈦原子相互擴散而形成的Al₃ Ti，藉由固溶金屬層130的矽而形成的。 　　Al-Ti-Si層146的厚度，設定為0.5μm以上10μm以下，於本實施形態為3μm。

此外，於鈦層145與散熱塊141之接合界面，如圖6所示，被形成含有鈦與銅的金屬間化合物相147。 　　此金屬間化合物相147，係藉由散熱塊141的銅原子與鈦層145的鈦原子相互擴散而形成的。 　　又，於鈦層145與散熱塊141之接合界面，如圖2所示，存在著未被形成前述金屬間化合物相147的區域(金屬間化合物未形成部148)。

此處，在本實施形態，此金屬間化合物未形成部148之沿著接合界面的長度L_i 之最大值為20μm以下。 　　此外，金屬間化合物未形成部148的沿著接合界面之長度的合計ΣL_i ，與觀察視野之接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下。 　　又，鈦層145與散熱塊141之接合界面的觀察，以與第1實施形態同樣的條件實施。

其次，針對本實施形態之附散熱塊絕緣電路基板140之製造方法，參照圖7及圖8加以說明。

首先，如圖8所示，於陶瓷基板11之一方之面(圖8之上面)，層積成為電路層120的鋁板151，進而於陶瓷基板11之另一方之面(圖8之下面)而層積成為金屬層130之鋁板161。此外，於成為金屬層130的鋁板161之另一方面側，中介著鈦材165層積散熱塊141(層積步驟S101)。 　　又，於本實施形態，鋁板151、161與陶瓷基板11之間，中介層積Al-Si系之焊料箔58、68。

接著，於真空條件下，以於層積方向以8 kgf/cm² 以上20kgf/cm² 以下之範圍內加壓的狀態進行加熱，接合鋁板151與陶瓷基板11，形成電路層120。此外，接合鋁板161與陶瓷基板11，形成金屬層130。(電路層及金屬層形成步驟S102)。 　　同時，分別把鋁板161與鈦材165、鈦材165與散熱塊141進行固相擴散接合(散熱塊接合步驟S103)。

此處，在本實施形態，真空條件在10^-6 Pa以上10^-3 Pa以下之範圍內，加熱溫度設定在630℃以上643℃以下，保持時間設定在210分鐘以上360分鐘以下之範圍內。 　　接著，在本實施形態，於接合溫度以使加壓壓力成為前述範圍的方式，使用熱壓裝置實施加壓及加熱。 　　又，鋁板161、鈦材165及散熱塊141之分別的接合面，預先除去該面之傷痕使平滑之後，被固相擴散接合。 　　如前所述進行，製造本實施形態之附散熱塊絕緣電路基板140。

接著，於絕緣電路基板110之電路層120之一方之面，中介焊料材層積功率半導體元件3，於還原爐內進行焊料接合(功率半導體元件接合步驟S104)。 　　如前所述進行，製造本實施形態之功率模組101。

於如以上所述構成之本實施形態之附散熱塊絕緣電路基板140，為鋁構件之金屬層130與鈦層145、鈦層145與銅構件之散熱塊141分別被固相擴散接合的構造，於散熱塊141與鈦層145之接合界面，未被形成含有銅與鈦的金屬間化合物相147的金屬間化合物未形成部148的沿著接合界面之長度L_i 的最大值為20μm以下，所以散熱塊141與鈦層145之間，銅與鈦充分地相互擴散，使得散熱塊141與鈦層145之接合可信賴性優異。

此外，於散熱塊141與鈦層145之接合界面，金屬間化合物未形成部148的沿著接合界面之長度的合計ΣL_i ，與接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下，所以金屬間化合物未形成部148的存在比率變小，即使負荷更高溫度的冷熱循環的場合，也可以抑制以金屬間化合物未形成部148為起點發生剝離。

如以上所述，鋁構件之金屬層130與銅構件之散熱塊141中介著鈦層145接合，散熱塊141與鈦層145之接合可信賴性優異，所以即使負荷到較高溫的冷熱循環的場合，也可以抑制散熱塊141與鈦層145之接合界面發生剝離，可以使來自被搭載於電路層120上的功率半導體元件3的熱，透過金屬層130往散熱塊141側有效率地散熱。

以上說明了本發明之實施形態，但本發明並不以此為限，在不逸脫本發明的技術思想的範圍可以適當地變更。

例如，在本實施形態，說明了於絕緣電路基板搭載功率半導體元件構成功率模組者，但是並不以此為限。例如，於絕緣電路基板之電路層搭載LED元件構成LED模組亦可，於絕緣電路基板的電路層搭載熱電元件構成熱電模組亦可。

此外，如圖9所示的電力模組201及絕緣電路基板210那樣，亦可構成為僅電路層220為銅或銅合金構成的銅構件(銅層222)，與鋁或鋁合金構成的鋁構件(鋁層221)，中介著鈦層225接合而構成的銅鈦鋁接合體。 　　或者是，如圖10所示的電力模組301及絕緣電路基板310那樣，亦可構成為僅金屬層330為銅或銅合金構成的銅構件(銅層332)、與鋁或鋁合金構成的鋁構件(鋁層331)，中介著鈦層335接合而構成的銅鈦鋁接合體。

進而，在本實施形態，說明鋁層與鈦層被固相擴散接合者，但並不以此為限，只要是鈦層與銅層被固相擴散接合，鈦層與銅層之接合界面被形成含有銅與鈦的金屬間化合物的構造之銅鈦鋁接合體即可。 [實施例]

以下，說明可以確認本發明的效果之確認實驗的結果。 　　於由AlN構成的陶瓷基板(40mm×40mm×0.635mmt)之一方之面與另一方之面，中介著由Al-7質量%Si合金所構成的焊料箔(厚度10μm)，依序層積純度99質量%以上之鋁(2N鋁)所構成的鋁板(37mm×37mm×0.6mmt)、鈦材(37mm×37mm×0.020mmt)、表1所示之Cu板(37mm× 37mm×0.3mmt)，得到層積體。

接著，於真空條件下(5×10^-4 Pa)，使用熱壓裝置，把前述層積體在層積方向上以表1所示的壓力以加壓的狀態加熱。在此，接合條件為表1所示的條件。如此進行得到本發明例1～10及比較例1～3之絕緣電路基板。

另一方面，於從前例，把本發明例1～10及比較例1～3之陶瓷基板、焊料箔、鋁板及鈦材以及表1所示的銅板依序層積，得到層積體S。接著，如圖11所示，使用不銹鋼製的加壓治具400加壓前述之層積體S，裝入真空加熱爐。此加壓治具400，係具備：底板401，被垂直地安裝在該底板401上面的四隅之導柱402，被配置在該等導柱402的上端部之固定板403，於底板401與固定板403之間可上下移動自如之被導柱402支撐之推壓板404，被設置在固定板403與推壓板404之間並將推壓板404朝下方彈推之彈簧等彈推手段405，底板401與推壓板404之間，被配設前述層積體S。 　　使用此構成的加壓治具的場合，由於加壓治具400之導柱402等的熱膨脹，再加熱溫度之加壓壓力成為比表1所示的條件更低。 　　如此進行得到從前例之絕緣電路基板。

(金屬間化合物未形成部) 　　對於如前所述進行而得的絕緣電路基板，進行銅層與鈦層之接合界面的觀察，測定了金屬間化合物未形成部之沿著接合界面的長度L_i ，及長度L_i 與觀察視野之接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 。 　　在本實施例、使用EPMA(日本電子(股)製造之JXA-8539F)進行絕緣電路基板的剖面觀察，取得包含銅層與鈦層之接合界面的區域(縱100μm×橫200μm)之銅及鈦的元素地圖(MAP)，把銅濃度5原子百分比以上且鈦濃度16原子百分比以上70原子百分比以下的區域作為金屬間化合物相，而把接合界面之這些金屬間化合物相之間的區域，作為金屬間化合物未形成部的沿著接合界面的長度L_i 。 　　這樣的測定實施10個視野，算出金屬間化合物未形成部之沿著接合界面的長度L_i 之最大值，及觀察到的金屬間化合物未形成部之沿著接合界面的長度之合計ΣL_i ，與觀察視野之接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 。評價結果顯示於表2。此外，本發明例1之EPMA影像顯示於圖12。

(冷熱循環試驗) 　　使用冷熱衝擊試驗機(Espec公司製造之TSA-72ES)，對絕緣電路基板，在氣相，在-40℃下5分鐘與175℃下5分鐘的循環實施1000次。 　　此後，將銅層與鈦層之接合率以以下之方式進行評價。又，接合率的評價，是在進行冷熱循環試驗前(初期接合率)與冷熱循環試驗後(循環後接合率)進行。

接合率的評估，係對絕緣電路基板，針對銅層與鈦層之界面的接合率使用超音波探傷機((股)日立Power Solutions製造的FineSAT200)進行評估，由以下公式算出接合率。 　　在此，所謂初期接合面積，是接合前之應該接合的面積，亦即在本實施例為電路層及金屬層的面積(37mm× 37mm)。 　　(接合率)={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積)×100 　　在把超音波探傷影像二值化處理之後的影像，剝離以接合部內的白色部來顯示，所以此白色部的面積為剝離面積。 　　這些結果顯示於表2。

於比較例1，接合溫度設定為較低之620℃，金屬間化合物未形成部長度L_i 為37μm，比本發明的範圍更大，前述長度比ΣL_i /L₀ 為0.25比本發明的範圍更大。藉此，冷熱循環試驗後之接合率降低為86.5%。

於比較例2，在接合溫度之保持時間縮短設定為60分鐘，前述長度比ΣL_i /L₀ 為0.28比本發明的範圍更大。藉此，冷熱循環試驗後之接合率降低為85.7%。

於比較例3，加壓荷重設定為較低之5kgf/cm² ，金屬間化合物未形成部長度L_i 為31μm，比本發明的範圍更大。藉此，冷熱循環試驗後之接合率降低為87.4%。

於從前例，使用圖11所示之加壓治具加壓，所以於加壓溫度加壓荷重變低，金屬間化合物未形成部長度L_i 增大為42μm，前述長度比ΣL_i /L₀ 為0.29，比本發明的範圍更大。藉此，冷熱循環試驗後之接合率降低為82.0%。

對此，於金屬間化合物未形成部長度L_i 為20μm，前述長度比ΣL_i /L₀ 為0.16以下之本發明例1～10，冷熱循環試驗後之接合率全部都在90.6%以上，冷熱循環試驗之接合可信賴性優異。此外，本發明例1～7、10與本發明例8及本發明例9，變更了銅板的材質，任一之冷熱循環後的接合率都變高。

由以上可之，根據本發明例，即使在負荷直到比從前更高溫度為止的冷熱循環的場合，於銅構件與鈦層之接合界面也可以抑制剝離的發生，可以得到特別是可信賴性優異的銅鈦鋁接合體。 [產業上利用可能性]

根據本發明，可以提供即使在負荷直到比從前更高溫度為止的冷熱循環的場合，於銅構件與鈦層之接合界面也可以抑制剝離的發生，特別是可信賴性優異的銅鈦鋁接合體、及具備彼之絕緣電路基板、附散熱塊絕緣電路基板、功率模組、LED模組、熱電模組。

1‧‧‧電源模組3‧‧‧功率半導體元件10‧‧‧絕緣電路基板11‧‧‧陶瓷基板20‧‧‧電路層30‧‧‧金屬層21、31‧‧‧鋁層(鋁構件)22、32‧‧‧銅層(銅構件)25、35‧‧‧鈦層27、37‧‧‧金屬間化合物相28、38‧‧‧金屬間化合物未形成部101‧‧‧電源模組110‧‧‧絕緣電路基板130‧‧‧金屬層(鋁構件)141‧‧‧散熱塊(銅構件)140‧‧‧附散熱塊絕緣電路基板

圖1係顯示本發明的第1實施形態之銅鈦鋁接合體、絕緣電路基板及功率模組之剖面圖。 　　圖2係圖1所示之銅鈦鋁接合體(電路層及金屬層)之接合界面附近之重要部位擴大剖面圖。 　　圖3係顯示圖1所示的絕緣電路基板及功率模組之製造方法之流程圖。 　　圖4係顯示圖1所示之絕緣電路基板之製造方法之說明圖。 　　圖5係顯示本發明的第2實施形態之銅鈦鋁接合體、附散熱塊絕緣電路基板，及功率模組之剖面圖。 　　圖6係圖5所示之銅鈦鋁接合體(金屬層與散熱塊)之接合界面附近之重要部位擴大剖面圖。 　　圖7係顯示圖5所示的附散熱塊絕緣電路基板及功率模組之製造方法之流程圖。 　　圖8係顯示圖5所示之附散熱塊絕緣電路基板之製造方法之說明圖。 　　圖9係顯示本發明的其他實施形態之銅鈦鋁接合體、絕緣電路基板及功率模組之剖面圖。 　　圖10係顯示本發明的其他實施形態之銅鈦鋁接合體、絕緣電路基板及功率模組之剖面圖。 　　圖11係於比較例使用的加壓治具之說明圖。 　　圖12係本發明例1之銅鈦鋁接合體之接合界面的剖面之組成像。

21、31‧‧‧鋁層(鋁構件)

22、32‧‧‧銅層(銅構件)

25、35‧‧‧鈦層

26、36‧‧‧Al-Ti-Si層

27、37‧‧‧金屬間化合物相

28、38‧‧‧金屬間化合物未形成部

Claims (11)

1. 一種銅鈦鋁接合體，係由銅或銅合金構成的銅構件，與由鋁或鋁合金構成的鋁構件，中介著鈦層接合而成，其特徵為： 　　於前述銅構件與前述鈦層之接合界面，被形成含有銅與鈦的金屬間化合物，於前述銅構件與前述鈦層之接合界面，未被形成前述金屬間化合物之金屬間化合物未形成部的沿著接合界面之長度L_i 的最大值為20μm以下，前述金屬間化合物未形成部的沿著接合界面之長度的合計ΣL_i ，與前述接合界面的總長L₀ 之比ΣL_i /L₀ 為0.16以下。
2. 一種絕緣電路基板，其特徵為具備：陶瓷基板，與被形成於前述陶瓷基板一方之面的電路層；前述電路層，係申請專利範圍第1項之銅鈦鋁接合體。
3. 一種絕緣電路基板，其特徵為具備：陶瓷基板，與被形成於前述陶瓷基板一方之面的電路層，以及被形成於前述陶瓷基板之另一方之面的金屬層；前述金屬層，係申請專利範圍第1項之銅鈦鋁接合體。
4. 一種絕緣電路基板，其特徵為具備：陶瓷基板，與被形成於前述陶瓷基板一方之面的電路層，以及被形成於前述陶瓷基板之另一方之面的金屬層；前述電路層及前述金屬層，係申請專利範圍第1項之銅鈦鋁接合體。
5. 一種附散熱塊絕緣電路基板，其特徵為 　　具備：陶瓷基板、被形成於前述陶瓷基板一方之面的電路層、被形成於前述陶瓷基板之另一方之面的金屬層、以及被接合於前述金屬層的散熱塊； 　　前述金屬層及前述散熱塊，係申請專利範圍第1項之銅鈦鋁接合體。
6. 一種功率模組，其特徵為具備 　　申請專利範圍第2至4項之任一項之絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的功率半導體元件。
7. 一種功率模組，其特徵為具備 　　申請專利範圍第5項之附散熱塊絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的功率半導體元件。
8. 一種LED模組，其特徵為具備 　　申請專利範圍第2至4項之任一項之絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的LED元件。
9. 一種LED模組，其特徵為具備 　　申請專利範圍第5項之附散熱塊絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的LED元件。
10. 一種熱電模組，其特徵為具備 　　申請專利範圍第2至4項之任一項之絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的熱電元件。
11. 一種熱電模組，其特徵為具備 　　申請專利範圍第5項之附散熱塊絕緣電路基板，及被接合於前述電路層之一方面側的熱電元件。

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