接合體、功率模塊用基板、功率模塊及接合體的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的接合體為由包含Al的陶瓷構(gòu)成的陶瓷部件與由Cu或Cu合金構(gòu)成的Cu部件接合而成的接合體，所述陶瓷部件與所述Cu部件之間形成有接合部，在該接合部的陶瓷部件側(cè)形成有由包含活性金屬的化合物構(gòu)成的活性金屬化合物區(qū)域，從該活性金屬化合物區(qū)域的成為所述Cu部件側(cè)的一面朝向所述Cu部件側(cè)，距離0.5μm～3μm的厚度范圍中的所述接合部的Al濃度在0.5原子％以上且15原子％以下的范圍。
【專利說(shuō)明】
接合體、功率模塊用基板、功率模塊及接合體的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種堅(jiān)固地接合陶瓷部件與Cu部件的接合體、具備該接合體的功率模 塊用基板、功率模塊及接合體的制造方法。
[0002] 本申請(qǐng)主張基于2014年3月20日于日本申請(qǐng)的專利申請(qǐng)2014-058869號(hào)的優(yōu)先權(quán)， 并將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術(shù)】
[0003] LED或功率模塊等的半導(dǎo)體裝置具備在由導(dǎo)電材料構(gòu)成的電路層上接合半導(dǎo)體元 件的結(jié)構(gòu)。
[0004] 為了控制風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等電動(dòng)車輛等大功率而使用的功率半導(dǎo)體元件的發(fā) 熱量較多。因此，作為搭載這種半導(dǎo)體元件的基板，例如能夠使用Si 3N4(氮化硅）、A1N(氮化 鋁）、A1203(氧化鋁)等耐熱性及絕緣性優(yōu)異的陶瓷基板。而且，在該陶瓷基板的一個(gè)面，將導(dǎo) 電性優(yōu)異的Cu板作為電路層接合的功率模塊用基板以往就被廣泛使用。并且，有時(shí)也在陶 瓷基板的另一個(gè)面接合金屬板。
[0005] 以往，作為對(duì)陶瓷基板接合Cu板的方法，例如已知有在陶瓷基板上重疊Cu板的狀 態(tài)下，對(duì)這些施加載荷，在吣氣氛中加熱至1000°C以上的所謂的DBC法（Direct Bonding Copper法）（例如，參考專利文獻(xiàn)1)。
[0006] 專利文獻(xiàn)1:日本專利公開(kāi)平04-162756號(hào)公報(bào)
[0007] 然而，通過(guò)專利文獻(xiàn)1所示的DBC法接合陶瓷基板與Cu板時(shí)，由于在1000°C以上加 熱且接合陶瓷基板與Cu板，因此對(duì)陶瓷基板施加熱負(fù)載，而有使陶瓷基板與Cu板的接合可 靠性降低的憂慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明是鑒于前述情況而完成的，其目的在于，提供一種陶瓷部件與Cu部件的接 合可靠性高的接合體、功率模塊用基板、功率模塊及接合體的制造方法。
[0009] 為了解決上述課題，本發(fā)明的幾個(gè)方式，提供如下接合體、功率模塊用基板、功率 模塊及接合體的制造方法。
[0010] 本發(fā)明的第一方式所涉及的接合體是由包含A1的陶瓷構(gòu)成的陶瓷部件與由Cu或 Cu合金構(gòu)成的Cu部件接合而成的接合體，其中，所述陶瓷部件與所述Cu部件之間形成有接 合部，在該接合部的陶瓷部件側(cè)形成有由包含活性金屬的化合物構(gòu)成的活性金屬化合物區(qū) 域，從該活性金屬化合物區(qū)域的成為所述Cu部件側(cè)的一面朝向所述Cu部件側(cè)，距離0.5mi~ 3mi的厚度范圍中的所述接合部的A1濃度在0.5原子％以上且15原子％以下的范圍。
[0011] 接合部中的A1成分是通過(guò)陶瓷部件的構(gòu)成材料、即包含A1的陶瓷的一部分在陶瓷 部件與Cu部件接合時(shí)被分解，A1成分朝向接合部擴(kuò)散而產(chǎn)生。A1濃度表示陶瓷部件的分解 程度，A1濃度越高，表示進(jìn)行陶瓷部件的分解而提高陶瓷部件與接合部的接合力。
[0012] 在此，若所述A1濃度小于0.5原子％，則沒(méi)有進(jìn)行陶瓷部件的分解，陶瓷部件與Cu 部件的剝離率會(huì)增加。并且，若所述A1濃度超過(guò)15原子％，則接合部中的A1成分會(huì)變多，A1 的金屬間化合物等會(huì)增加。由此，接合部的硬度上升，且陶瓷部件與Cu部件的接合可靠性降 低。
[0013] 因此，如本發(fā)明，通過(guò)將接合部的A1濃度設(shè)在規(guī)定的范圍內(nèi)，可較高地維持陶瓷部 件與接合部的接合力，并降低接合部中的剝離率，且能夠?qū)崿F(xiàn)堅(jiān)固地接合陶瓷部件與Cu部 件的接合體。
[0014] 在本發(fā)明的接合體中，所述活性金屬化合物區(qū)域的所述一面是具有凹凸的面，所 述厚度范圍是由所述凹凸之中最接近于所述Cu部件的地點(diǎn)起算的范圍。
[0015] 由此，能夠更加正確地把握基于A1濃度的陶瓷部件的分解程度，且可靠地實(shí)現(xiàn)接 合部中的剝離率的降低。
[0016] 在本發(fā)明的接合體中，所述陶瓷部件由AlN、Al2〇3中的任一種構(gòu)成。
[0017]通過(guò)選擇AlN、Al2〇3作為陶瓷部件，從而能夠制造絕緣性及耐熱性優(yōu)異的接合體。
[0018] 在本發(fā)明的接合體中，所述活性金屬化合物區(qū)域包含活性金屬的氮化物、活性金 屬的氧化物中的任一種。
[0019] 通過(guò)在活性金屬化合物區(qū)域，包含活性金屬的氮化物、活性金屬的氧化物，從而能 夠提高陶瓷部件與Cu部件的接合性，且能夠可靠地實(shí)現(xiàn)陶瓷部件與Cu部件的剝離率的降 低。
[0020] 本發(fā)明的第二方式所涉及的功率模塊用基板是具備前述接合體的功率模塊用基 板，將所述Cu部件用作電路層，在所述陶瓷部件中的接合有所述電路層的面的相反面形成 有金屬層。
[0021] 該功率模塊用基板將Cu部件用作電路層，在陶瓷部件中的接合有該電路層的面的 相反面形成有金屬層。因此，形成于陶瓷部件與電路層之間的接合部的A1濃度保持在規(guī)定 的范圍內(nèi)，可較高地維持陶瓷部件與接合部的接合力，并降低接合部中的剝離率，且能夠?qū)?現(xiàn)堅(jiān)固地接合陶瓷部件與電路層的功率模塊用基板。
[0022] 在本發(fā)明的功率模塊用基板中，所述金屬層由Cu或Cu合金構(gòu)成。
[0023] 此時(shí)，在陶瓷部件的接合有電路層的面的相反面，形成有由Cu或Cu合金構(gòu)成的金 屬層，因此可實(shí)現(xiàn)散熱性優(yōu)異的功率模炔基板。
[0024] 在本發(fā)明的功率模塊用基板中，所述金屬層由A1或A1合金構(gòu)成。
[0025] 此時(shí)，在陶瓷部件的接合有電路層的面的相反面，通過(guò)接合由A1或A1合金構(gòu)成的 金屬層而減少變形電阻，對(duì)陶瓷部件施加熱應(yīng)力時(shí)，可通過(guò)由A1或A1合金構(gòu)成的金屬層吸 收該熱應(yīng)力，并能夠抑制由陶瓷部件的熱應(yīng)力引起的破損。
[0026] 本發(fā)明的第三方式所涉及的功率模塊具備:前述的功率模塊用基板;及電子組件， 接合于所述電路層中的與所述陶瓷部件相反側(cè)的面。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的功率模塊，使用具有如前述的接合體的功率模塊用基板，因此堅(jiān)固 地接合陶瓷部件與電路層，且可靠性優(yōu)異。
[0028] 本發(fā)明的第四方式所涉及的接合體的制造方法是由包含A1的陶瓷構(gòu)成的陶瓷部 件與由Cu或Cu合金構(gòu)成的Cu部件接合而成的接合體的制造方法，其中，所述方法具備:層疊 工序，形成層疊體，所述層疊體經(jīng)由Cu-P系釬料與含有活性金屬的活性金屬材，在所述陶瓷 部件層疊所述Cu部件而成;及加熱處理工序，對(duì)所述層疊體進(jìn)行加熱處理，使所述Cu-P系釬 料熔融，且使包含于所述陶瓷部件的A1朝向所述Cu-P系釬料擴(kuò)散。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的接合體的制造方法，在加熱處理工序中，通過(guò)將包含于陶瓷部件的 A1朝向Cu-P系釬料擴(kuò)散，從而可較高地維持陶瓷部件與接合部的接合力，并降低接合部中 的剝離率，且能夠制造堅(jiān)固地接合陶瓷部件與Cu部件的接合體。
[0030] 在本發(fā)明的接合體的制造方法中，所述Cu-P系釬料含有3質(zhì)量％以上且10質(zhì)量％ 以下的P。
[0031] 含有3質(zhì)量％以上且10質(zhì)量％以下的P的Cu-P系釬料由于融點(diǎn)較低，因此加熱時(shí)容 易產(chǎn)生融液，且容易進(jìn)行陶瓷部件與Cu部件的反應(yīng)，因此能夠堅(jiān)固地接合陶瓷部件與Cu部 件。
[0032]在本發(fā)明的接合體的制造方法中，所述Cu-P系釬料是選自Cu-P釬料、Cu-P-Sn釬 料、Cu-P-Sn-Ni釬料、Cu-P-Zn釬料中的任一種。
[0033] 使用這種釬料時(shí)，釬料的融點(diǎn)低，因此能夠可靠地進(jìn)行陶瓷部件與Cu部件的接合。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供陶瓷部件與Cu部件的接合可靠性高的接合體、功率模塊用 基板、功率模塊及接合體的制造方法。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的一例的剖視圖。
[0036]圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的接合部的主要部分放大剖視圖。
[0037] 圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的接合部的截面觀察照片。
[0038] 圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的接合部的另一例的主要部分放大 剖視圖。
[0039]圖5是分步驟地表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的制造方法的剖視圖。
[0040] 圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的功率模塊用基板及功率模塊的剖視圖。
[0041] 圖7是表示實(shí)施例中的活性金屬化合物區(qū)域的觀察例的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 以下，參考附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體及其制造方法進(jìn)行說(shuō)明。另 外，在以下所示的各實(shí)施方式是為了使發(fā)明的宗旨更容易理解而具體說(shuō)明的例子，只要沒(méi) 有特別指定，并不限定本發(fā)明。并且，有時(shí)在以下的說(shuō)明中使用的附圖為了容易理解本發(fā)明 的特征，為方便起見(jiàn)，放大表示成為重要部位的部分時(shí)，各構(gòu)成要件的尺寸比率等不限于與 實(shí)際上相同。
[0043] (接合體）
[0044]圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的一例的剖視圖。
[0045]接合體10,例如用作功率模塊用基板，該功率模塊用基板構(gòu)成具備功率半導(dǎo)體的 功率模塊。如圖1所示，該接合體10具備陶瓷基板(陶瓷部件）11、及配設(shè)于該陶瓷基板11的 一面11a(圖1中的上表面）的Cu部件12。并且，該陶瓷基板11與Cu部件12通過(guò)接合部13而接 合。例如通過(guò)加熱處理活性金屬材及Cu-P系釬料而形成接合層13。另外，接合體10的制造方 法稍后詳述。
[0046]陶瓷基板11由包含A1的絕緣性高的陶瓷，例如，A1N(氮化鋁）、A1203(氧化鋁）等構(gòu) 成。本實(shí)施方式中，陶瓷基板11由散熱性優(yōu)異的A1N構(gòu)成。陶瓷基板11的厚度例如被設(shè)定在 0.2~1.5mm的范圍內(nèi)，本實(shí)施方式中，使用0.635mm的基板。
[0047] Cu部件12使用由具有高導(dǎo)電性的Cu或Cu合金構(gòu)成的金屬板。本實(shí)施方式中，作為 Cu部件12使用由無(wú)氧銅構(gòu)成的金屬板。該Cu部件12的厚度例如被設(shè)定在0.1mm以上且1.0mm 以下的范圍內(nèi)，本實(shí)施方式中，使用0.6mm的基板。
[0048]這種Cu部件12，例如用作功率模塊用基板的電路層。
[0049] 圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的接合部13的概要的主要部分放大 剖視圖。并且，圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的接合部13的截面觀察照片。另外， 圖2及圖3所示的本實(shí)施方式所涉及的接合部13的構(gòu)成是在陶瓷基板11與Cu部件12的接合 中，使用Cu-P-Sn-Ni釬料與作為活性金屬而使用Ti時(shí)的一例。并且，作為活性金屬，除了Ti 以外，例如可以舉出Zr、Nb、Hf等。
[0050] 接合部13是將活性金屬材(本實(shí)施方式中為Ti)及Cu-P系釬料以規(guī)定的溫度、時(shí)間 進(jìn)行熱處理而產(chǎn)生的接合層。
[0051] 接合部13具備位于Cu部件12側(cè)的合金層17、及位于陶瓷基板11側(cè)的活性金屬化合 物區(qū)域16。
[0052] 在本實(shí)施方式中，活性金屬化合物區(qū)域16以由活性金屬材擴(kuò)散的Ti與包含于構(gòu)成 陶瓷基板11的A1N的N進(jìn)行化合而形成的Ti氮化物，例如以TiN為主體而構(gòu)成。合金層17由釬 料的成分Cu、P、Sn、Ni、由活性金屬材擴(kuò)散的Ti、這些的合金或金屬間化合物構(gòu)成。
[0053]在這種結(jié)構(gòu)的接合部13中，從活性金屬化合物區(qū)域16的成為Cu部件12側(cè)的一面 16a朝向Cu部件12側(cè)，距離0.5wii~3wii的厚度范圍E中的A1濃度成為0.5原子％以上且15原 子％以下的范圍的方式形成。即，在從活性金屬化合物區(qū)域16的一面16a朝向Cu部件12距離 0.5wn( A tl)的位置擴(kuò)展的面與朝向Cu部件12距離3wn( A t2)的位置擴(kuò)展的面之間的、擴(kuò)展 于2.5mi的厚度范圍E的區(qū)域內(nèi)，A1濃度被設(shè)為0.5原子％以上且15原子％以下。另外，A1濃 度被設(shè)為厚度范圍E中的平均值。優(yōu)選上述厚度范圍E中的A1濃度設(shè)為0.5原子％以上且10 原子％以下，但并不限定于此。
[0054]關(guān)于接合部13中的A1成分，由陶瓷基板11的構(gòu)成材料、即包含A1的陶瓷的一部分， 在陶瓷基板11與Cu部件12接合時(shí)被分解，且A1成分朝向接合部13擴(kuò)散而產(chǎn)生。本實(shí)施方式 中，構(gòu)成陶瓷基板11的A1N分解，且A1朝向接合部13擴(kuò)散。
[0055]這種接合部13的厚度范圍E中的A1濃度的控制通過(guò)陶瓷基板11與Cu部件12的接合 時(shí)的在加熱處理工序的接合溫度的設(shè)定或加熱時(shí)間的設(shè)定而控制在所希望的值。
[0056] 另外，本實(shí)施方式中，活性金屬化合物區(qū)域16以活性金屬材與包含于構(gòu)成陶瓷基 板11的A1N的N進(jìn)行化合而形成的活性金屬的氮化物為主體而構(gòu)成，但作為陶瓷基板11使用 Al 2〇3時(shí)，活性金屬化合物區(qū)域16以包含于Al2〇3的0與活性金屬進(jìn)行化合而形成的活性金屬 的氧化物為主體而構(gòu)成。
[0057] 并且，圖2中，示意性地將活性金屬化合物區(qū)域16的一面16a設(shè)為平面，實(shí)際上，如 圖3的觀察照片所示，該活性金屬化合物區(qū)域16的一面16a被設(shè)為具有多數(shù)凹凸的面。此時(shí)， 例如圖4所示，只要將規(guī)定A1濃度的接合部13的厚度范圍E被定義為活性金屬化合物區(qū)域16 的一面16a中，最接近于Cu部件的地點(diǎn)Sp (最向Cu部件12側(cè)突出的頂部Sp)為基點(diǎn)，距離0.5y m~3tim的厚度范圍E即可。
[0058] 并且，在陶瓷基板11的另一個(gè)面lib側(cè)，進(jìn)一步優(yōu)選接合金屬部件，例如由A1或A1 合金構(gòu)成的A1部件、由Cu或Cu合金構(gòu)成的Cu部件的結(jié)構(gòu)。作為這種金屬部件的一例，可以舉 出由4N-A1構(gòu)成的A1部件或由無(wú)氧銅構(gòu)成的Cu部件。在陶瓷部件11與金屬部件的接合中例 如可以使用Al-Si系釬料或Cu-P系釬料等。作為Al-Si系釬料，可以舉出Si含量為1質(zhì)量％至 12質(zhì)量％的釬料。
[0059] 根據(jù)如上構(gòu)成的接合體10,接合陶瓷基板11與Cu部件12的接合部13從活性金屬化 合物區(qū)域16的一面16a朝向Cu部件12側(cè)，距離0.5wii~3wii的厚度范圍E中的A1濃度成為0.5 原子％以上且15原子％以下的方式形成。關(guān)于該A1，構(gòu)成陶瓷基板11的A1N或Al2〇3分解，且 朝向接合部13擴(kuò)散。因此，A1的濃度表示這些A1N或Al 2〇3的分解程度，A1的濃度越高，表示進(jìn) 行A1N或Al2〇 3的分解而提高陶瓷基板11與接合部13的接合力。
[0060] 因此，通過(guò)管理接合部13的特定區(qū)域的A1濃度，能夠較高地維持陶瓷基板11與接 合部13的接合力，并能夠降低接合部13的剝離率。
[00611 (接合體的制造方法）
[0062] 對(duì)如上述構(gòu)成的接合體的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。
[0063] 圖5是分步驟地表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的接合體的制造方法的剖視圖。 [0064]例如，制造用作功率模塊用基板的接合體時(shí)，首先準(zhǔn)備由包含A1N(氮化鋁）、A1 203 (氧化鋁)等A1的陶瓷構(gòu)成的陶瓷基板(陶瓷部件）11(參考圖5的(a))。本實(shí)施方式中，使用 由A1N構(gòu)成且厚度為0.635mm的陶瓷基板。
[0065] 接著，在陶瓷基板11的一面1 la側(cè)，依次層疊釬料31、活性金屬材32及Cu部件12，形 成層疊體35(參考圖5的(b):層疊工序）。釬料31使用Cu-P系釬料。作為Cu-P系的釬料，例如 可以舉出Cu-P釬料、Cu-P-Sn系釬料、Cu-P-Sn-Ni系釬料、Cu-P-Zn系釬料、Cu-P-Sn-Mn系釬 料、Cu-P-Sn-Cr系釬料、Cu-P-Sn-Fe系釬料等，本實(shí)施方式中使用Cu-P-Sn-Ni釬料。
[0066] Cu-P-Sn-Ni釬料的組成具體被設(shè)為Cu-7質(zhì)量％P-15質(zhì)量％Sn-10質(zhì)量％Ni。在此， Cu-P-Sn-Ni釬料的厚度以成為5mi以上且150mi以下的方式形成。
[0067] Cu-P系釬料的成分P為具有使釬料融點(diǎn)降低的作用效果的元素。并且，該P(yáng)是具有 如下作用效果的元素:通過(guò)P的氧化而產(chǎn)生的P氧化物來(lái)覆蓋釬料表面，防止釬料的氧化，且 為通過(guò)以流動(dòng)性良好的P氧化物覆蓋熔融的釬料的表面而提高釬料的潤(rùn)濕性。
[0068] P含量小于3質(zhì)量％時(shí)，無(wú)法充分得到使釬料融點(diǎn)降低的效果而有可能使釬料的融 點(diǎn)上升，或釬料的流動(dòng)性不足，且降低陶瓷基板11與Cu部件12的接合性。并且，P含量超過(guò)10 質(zhì)量％時(shí)，有可能形成許多脆的金屬間化合物，陶瓷基板11與Cu部件12的接合性或接合可 靠性降低。
[0069]由于這種理由，優(yōu)選包含于Cu-P系釬料的P的含量在3質(zhì)量％以上且10質(zhì)量％以下 的范圍內(nèi)。進(jìn)一步優(yōu)選包含于上述Cu-P系釬料的P的含量在6質(zhì)量％以上且8質(zhì)量％以下的 范圍內(nèi)，但并不限定于此。
[0070] CU-P系釬料的成分的一例Sn是具有使釬料融點(diǎn)降低的作用效果的元素。Sn的含量 為0.5質(zhì)量％以上時(shí)，能夠可靠地降低釬料的融點(diǎn)。并且，Sn的含量為25質(zhì)量％以下時(shí)，可抑 制釬料的低溫脆化，并能夠提高陶瓷基板11與Cu部件12的接合可靠性。
[0071]由于這種理由，在Cu-P系釬料含有Sn時(shí)，優(yōu)選其含量設(shè)在0.5質(zhì)量％以上且25質(zhì) 量％以下的范圍內(nèi)。
[0072] Cu-P系釬料的成分的一例附、0、？6、1111等是具有如下作用效果的元素:抑制在陶 瓷基板11與釬料的界面形成含有P的金屬間化合物。
[0073]附、(>、？6111中的任意一種或兩種以上的含量合計(jì)在2質(zhì)量％以上時(shí)，可抑制在陶 瓷基板11與釬料的接合界面形成含有P的金屬間化合物的現(xiàn)象，且提高陶瓷基板11與Cu部 件12的接合可靠性。
[0074] 并且，附、(>、？6111的中的任意一種或兩種以上的含量合計(jì)在20質(zhì)量％以下時(shí)，可 抑制釬料的融點(diǎn)的上升，并抑制釬料的流動(dòng)性的降低，且能夠提高陶瓷基板11與Cu部件12 的接合性。
[0075]由于這種理由，在Cu-p系釬料含有附、〇、？0、]\111中的任意一種或兩種以上時(shí)，優(yōu)選 這些合計(jì)含量設(shè)在2質(zhì)量％以上且20質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。
[0076] Cu-P系釬料的成分的一例Zn是具有提高釬料的耐氧化性的作用效果的元素。
[0077] Zn含量為0.5質(zhì)量％以上時(shí)，能夠充分確保釬料的耐氧化性，且提高接合性。并且， Zn含量為50質(zhì)量％以下時(shí)，能夠防止形成許多脆的金屬間化合物，并能夠確保陶瓷基板11 與Cu部件12的接合可靠性。
[0078]由于這種理由，在Cu-P系釬料含有Zn時(shí)，優(yōu)選其含量設(shè)在0.5質(zhì)量％以上且50質(zhì) 量％以下的范圍內(nèi)。
[0079] 通過(guò)混合構(gòu)成元素的成分的粉末，且通過(guò)適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑，將設(shè)為漿料狀的材料(釬 料漿料)涂布在陶瓷基板11的一面11a而形成釬料31。
[0080] 活性金屬材32至少含有活性元素。作為活性金屬材32的性狀，可以舉出箱、粉末、 在粉末加入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑混勻的漿料等。
[00811本實(shí)施方式中，作為活性金屬材，使用Ti箱，Ti箱的厚度被設(shè)為0.5wii以上且25wii 以下。并且，也可以將Ti箱的組成設(shè)為純度99.4質(zhì)量％以上，本實(shí)施方式中純度為99.6質(zhì) 量％。
[0082]另外，本實(shí)施方式中，活性金屬材32配置于Cu部件12的一側(cè)，但也可配置于陶瓷部 件11的一側(cè)。此時(shí)，層疊體35的層疊順序成為陶瓷部件11、活性金屬材32、釬料31及Cu部件 12的順序。
[0083] 接著，如圖5的（c)所示，將層疊體35放入至真空加熱處理爐H，加壓層疊體35,且加 熱直到成為釬料31的熔融溫度(接合溫度）以上(加熱處理工序）。由此，釬料31熔融。之后， 若冷卻，如圖5的(d)所示，可得到陶瓷部件11與Cu部件12通過(guò)接合部13而接合的接合體10。 [0084]本實(shí)施方式中，作為加熱處理工序中的加熱處理?xiàng)l件，分別設(shè)定成層疊體35對(duì)層 疊方向的加壓力為1~35kgf/cm 2(0.10~3.43MPa)，真空加熱爐內(nèi)的壓力為10-6Pa以上且 10 一 3Pa以下，加熱溫度為700 °C以上且850 °C以下，加熱時(shí)間為10分鐘以上且60分鐘以下。 [0085]在加熱處理工序中，陶瓷基板11的一面11a的A1N被分解，進(jìn)行加熱處理直到A1擴(kuò) 散到接合部13的程度為止。即，在如圖2所示的得到的接合體10的接合部13中，從活性金屬 化合物區(qū)域16的構(gòu)成Cu部件12側(cè)的一面16a朝向Cu部件12側(cè)，距離0 ? 5mi~3mi的厚度范圍E 中的A1濃度成為0.5原子％以上且15原子％以下的范圍的方式進(jìn)行加熱處理。
[0086]由此，構(gòu)成陶瓷基板11的A1N的分解程度成為適當(dāng)?shù)姆秶?，從而提高陶瓷基?1與 接合部13的接合力。因此，可較高地維持接合體10的陶瓷基板11與接合部13的接合力，且能 夠降低接合部13的初始剝離率。
[0087] (功率模塊用基板及功率模塊）
[0088] 對(duì)使用了上述接合體的本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的功率模塊用基板及功率模塊 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。另外，對(duì)與圖1、圖2所示的接合體10相同的結(jié)構(gòu)賦予相同的符號(hào)，并省略 其詳細(xì)的說(shuō)明。
[0089] 圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的功率模塊用基板及功率模塊的剖視圖。
[0090] 功率模塊1具備功率模塊用基板40、及通過(guò)焊錫層2而接合于該功率模塊用基板40 的一方側(cè)(圖6中的上側(cè))的面的功率半導(dǎo)體(電子組件)3。
[0091]在此，焊錫層2例如被設(shè)為Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊錫材料。
[0092]功率模塊用基板40具備接合體10,該接合體10由陶瓷基板（陶瓷部件）11、配設(shè)于 該陶瓷基板11的一面11a(在圖6中的上表面)的Cu部件（電路層）12、及接合陶瓷基板11及Cu 部件12的接合部13而構(gòu)成。
[0093]并且，功率模塊用基板40在相對(duì)于配設(shè)有Cu部件（電路層）12的陶瓷基板11的一面 11a構(gòu)成相反面的陶瓷基板11的另一個(gè)面lib(在圖6中下表面)具備金屬層41。金屬層41，例 如使用由Cu或Cu合金構(gòu)成的金屬板。本實(shí)施方式中，作為金屬層41使用由無(wú)氧銅構(gòu)成的金 屬板。該Cu部件12的厚度，例如被設(shè)定在0? 1mm以上且1.0mm以下的范圍內(nèi)，本實(shí)施方式中， 使用0.6mm的部件。
[0094]功率模塊用基板40中的Cu部件（電路層）12適用于功率模塊時(shí)，構(gòu)成功率半導(dǎo)體的 電路層。即，Cu部件12構(gòu)成功率半導(dǎo)體的導(dǎo)電體。并且，陶瓷基板11構(gòu)成對(duì)該導(dǎo)電體的下層 側(cè)進(jìn)行絕緣的絕緣體。
[0095]根據(jù)這種功率模塊用基板40及功率模塊1，通過(guò)適用圖1所示的接合體10而管理接 合陶瓷基板11與Cu部件（電路層）12的接合部13的特定區(qū)域的A1濃度，可實(shí)現(xiàn)較高地維持陶 瓷基板11與接合部13的接合力的功率模塊用基板40及功率模塊1。
[0096]另外，本實(shí)施方式中，作為功率模塊用基板40,在陶瓷基板11的另一個(gè)面lib形成 有金屬層41，但可以為不特別形成這種金屬層41的結(jié)構(gòu)。并且，金屬層41并不限定于Cu或Cu 合金，能夠使用各種金屬。例如，可以將A1或A1合金作為金屬層適用。
[0097] 若通過(guò)A1或A1合金形成金屬層41，對(duì)陶瓷部件施加熱應(yīng)力時(shí)，可通過(guò)由A1或A1合 金構(gòu)成的金屬層吸收該熱應(yīng)力，且能夠抑制由陶瓷部件的熱應(yīng)力引起的破損。通過(guò)A1或A1 合金形成金屬層時(shí)，優(yōu)選金屬層的厚度被設(shè)定在〇. 1mm~3.0mm的范圍內(nèi)。
[0098] 實(shí)施例
[0099](實(shí)施例1)
[0100] 在由表1記載的材質(zhì)構(gòu)成的陶瓷基板(40mm X 40mm X厚度0.635mm)的一個(gè)面，依次 層疊表1記載的釬料(37mmX 37mm)、表1記載的活性金屬材(37mm X 37mm)及由無(wú)氧銅構(gòu)成的 Cu板(37mmX 37mmX厚度0? 3mm)，從而形成層疊體。并且，對(duì)于本發(fā)明例4,將由Cu-7質(zhì)量％ p-15質(zhì)量％ Sn-10質(zhì)量％ Ni粉末與T i粉末構(gòu)成的楽:料用作釬料及活性元素。另外，楽:料的涂 布厚度設(shè)為80wii。
[0101 ] 而且，通過(guò)在層疊方向上，以壓力5kgf/cm2(0.49MPa)加壓的狀態(tài)下將層疊體投入 至真空加熱爐，并通過(guò)進(jìn)行加熱而將Cu板接合在陶瓷基板的一個(gè)面。加熱溫度及時(shí)間如表1 所記載。
[0102]如此，得到了本發(fā)明例1~8,比較例1~3的接合體。對(duì)所得到的接合體"活性金屬 化合物區(qū)域的有無(wú)" "接合部中的A1濃度""接合率"進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
[0103](活性金屬氧化物的有無(wú)）
[0104] 通過(guò)EPMA(電子射線顯微分析儀，Japan Electron Optics Laboratory制JXA-8530F)以倍率10000倍測(cè)量接合體的截面，獲得包含于陶瓷基板的元素(AIN時(shí)為N、Al2〇 3時(shí) 為0)及活性金屬元素的元素映射圖。在得到的元素映射圖中，包含于活性金屬元素與陶瓷 基板的元素存在于相同區(qū)域時(shí)判斷為有活性金屬化合物區(qū)域。
[0105] 圖7中示出活性金屬化合物區(qū)域的觀察例。在該圖7中，包含于活性金屬元素(Ti) 與陶瓷基板(A1N)的元素(N)存在于相同區(qū)域，判斷為有活性金屬化合物區(qū)域。
[0106] (接合部中的A1濃度）
[0107]作為接合部中的A1濃度的測(cè)量方法，通過(guò)EPMA(電子射線顯微分析儀，Japan Electron Optics Laboratory制JXA-8530F)分析接合部的截面，定量分析從活性金屬化合 物區(qū)域的一面距離0.5wii~3wii的范圍，并測(cè)量A1濃度。具體而言，分析所述范圍內(nèi)的任意部 位10個(gè)點(diǎn)，將其平均值作為A1濃度。
[0108] (冷熱循環(huán)試驗(yàn)）
[0109] 冷熱循環(huán)試驗(yàn)使用冷熱沖擊試驗(yàn)機(jī)(Espec公司制TSB-51)，對(duì)功率模塊用基板，以 液相(電子氟化液），在-40 °C下5分鐘與150°C下5分鐘的循環(huán)，實(shí)施了 2000個(gè)循環(huán)。
[0110] (接合率）
[0111] 關(guān)于接合率的評(píng)價(jià)，針對(duì)接合體，對(duì)陶瓷基板與Cu部件的界面的接合率使用超聲 波探傷裝置(Hitachi Power Solutions co.，Ltd制FineSAT200)，進(jìn)行評(píng)價(jià)，并由以下公式 計(jì)算接合率。
[0112] 在此，初始接合界面積是指接合前的應(yīng)接合的面積，即本實(shí)施例中設(shè)為Cu部件的 面積(37mmX37mm)。在將超音波探傷影像二值化處理的圖像中，剝離以接合部?jī)?nèi)的白色部 分表示，因此將該白色部分的面積設(shè)為剝離面積。
[0113] (接合率（％ )) = {(初始接合面積)-(剝離面積）}/(初始接合面積）X 100
[0114] 在進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗(yàn)前(初始接合率)及冷熱循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行了接合率的評(píng)價(jià)。
[0115] 將結(jié)果示于表1。
[0117] (實(shí)施例2)
[0118] (本發(fā)明例9~10)
[0119] 使用由實(shí)施例1得到的接合體，在陶瓷基板的另一個(gè)面通過(guò)Al-Si系釬料而接合純 度99.99質(zhì)量％以上的鋁(4N-A1)，制作形成有金屬層的功率模塊用基板。本發(fā)明例9中使用 本發(fā)明例2的接合體，本發(fā)明例10中使用本發(fā)明例8的接合體。另外，實(shí)施例9~10中，作為 Al-Si釬料，使用了 A1-7質(zhì)量％Si釬料。
[0120] (本發(fā)明例11~12)
[0121] 在陶瓷基板的一個(gè)面及另一個(gè)面，依次層疊Cu-7質(zhì)量％P-15質(zhì)量％Sn-10質(zhì)量％ Ni釬料、Ti箱、由無(wú)氧銅(0FC)構(gòu)成的Cu板，從而形成層疊體。在層疊方向加壓的狀態(tài)下，將 該層疊體投入至真空加熱爐，通過(guò)進(jìn)行加熱而制作了在陶瓷基板的一個(gè)面及另一個(gè)面接合 Cu板的功率模塊用基板。本發(fā)明例11中，作為陶瓷基板使用A1N，本發(fā)明例12中使用Al 2〇3。
[0122] 對(duì)于所得到的本發(fā)明例9~12的功率模塊用基板，評(píng)價(jià)了電路層(陶瓷基板的一個(gè) 面)的接合率。評(píng)價(jià)方法與實(shí)施例1記載的相同。
[0123] 將結(jié)果示于表2。
[0124] [表 2]
[0126] 由表1所示的結(jié)果，關(guān)于本發(fā)明例1~8,可確認(rèn)到A1濃度在0.5原子％以上且15原 子％以下的范圍，因此陶瓷基板與Cu板的初始接合率高，并堅(jiān)固地接合。并且，冷熱循環(huán)后 的接合率也高，且可得到接合可靠性優(yōu)異的Cu板與陶瓷基板的接合體。
[0127] 另一方面，比較例1及比較例2中，由于A1濃度偏離0.5原子％以上且15原子％以下 的范圍，因此陶瓷基板與Cu板的初始接合率及冷熱循環(huán)后的接合率與本發(fā)明例相比較差。 并且，接合時(shí)未使用活性金屬材的比較例3中，Cu板與陶瓷基板未能接合。
[0128] 并且，由表2所示的結(jié)果，可確認(rèn)到關(guān)于本發(fā)明例9~12,冷熱循環(huán)試驗(yàn)后的接合率 高，接合可靠性高。
[0129] 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0130] 根據(jù)本發(fā)明所涉及的接合體及其制造方法、功率模塊用基板，能夠提高陶瓷部件 與Cu部件的接合可靠性。因此，根據(jù)本發(fā)明所涉及的接合體的制造方法，能夠制造適合于為 了控制風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等電動(dòng)車輛等而使用的大功率控制用的功率半導(dǎo)體元件的使用 環(huán)境嚴(yán)酷的功率模塊的接合體及功率模塊用基板。
[0131] 符號(hào)說(shuō)明
[0132] 1-功率模塊，3-功率半導(dǎo)體(電子組件），10-接合體，11-陶瓷基板(陶瓷部件），12-Cu部件，13-接合部，31-釬料，32-活性金屬材，40-功率模塊用基板，41-金屬層。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種接合體，其為由包含A1的陶瓷構(gòu)成的陶瓷部件與由Cu或Cu合金構(gòu)成的Cu部件接 合而成的接合體，其中， 所述陶瓷部件與所述Cu部件之間形成有接合部，在該接合部的陶瓷部件側(cè)形成有由包 含活性金屬的化合物構(gòu)成的活性金屬化合物區(qū)域， 從該活性金屬化合物區(qū)域的成為所述Cu部件側(cè)的一面朝向所述Cu部件側(cè)，距離0.5μπι ~3μπι的厚度范圍中的所述接合部的Α1濃度在0.5原子％以上且15原子％以下的范圍。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的接合體，其中， 所述活性金屬化合物區(qū)域的所述一面是具有凹凸的面，所述厚度范圍是從所述凹凸之 中最接近于所述Cu部件的地點(diǎn)起算的范圍。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的接合體，其中， 所述陶瓷部件由A1N和Al2〇3中的任一種構(gòu)成。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的接合體，其中， 所述活性金屬化合物區(qū)域包含活性金屬的氮化物和活性金屬的氧化物中的任一種。5. -種功率模塊用基板，其具備權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的接合體，其中， 將所述Cu部件用作電路層，在所述陶瓷部件中的接合有所述電路層的面的相反面形成 有金屬層。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率模塊用基板，其中， 所述金屬層由Cu或Cu合金構(gòu)成。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率模塊用基板，其中， 所述金屬層由A1或A1合金構(gòu)成。8. -種功率模塊，其具備： 權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板;及電子組件，接合于所述電路層中的 與所述陶瓷部件相反側(cè)的面。9. 一種接合體的制造方法，其為由包含A1的陶瓷構(gòu)成的陶瓷部件與由Cu或Cu合金構(gòu)成 的Cu部件接合而成的接合體的制造方法，其中，所述接合體的制造方法具備： 層疊工序，形成層疊體，所述層疊體經(jīng)由Cu-P系釬料與含有活性金屬的活性金屬材，在 所述陶瓷部件層疊所述Cu部件而成;及 加熱處理工序，對(duì)所述層疊體進(jìn)行加熱處理，使所述Cu-P系釬料熔融，且使包含于所述 陶瓷部件的A1朝向所述Cu-P系釬料擴(kuò)散。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的接合體的制造方法，其中， 所述Cu-P系釬料含有3質(zhì)量％以上且10質(zhì)量％以下的P。11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的接合體的制造方法，其中， 所述Cu-P系釬料是選自Cu-P釬料、Cu-P-Sn釬料、Cu-P-Sn-Ni釬料及Cu-P-Zn釬料中的 任一種。
【文檔編號(hào)】H01L23/13GK105829266SQ201580003060
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日
【發(fā)明人】寺崎伸幸, 長(zhǎng)友義幸
【申請(qǐng)人】三菱綜合材料株式會(huì)社