專(zhuān)利名稱(chēng)：功率模塊用基板及制法、自帶散熱器的該基板及功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制大電流、高電壓的半導(dǎo)體裝置中使用的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、具備該功率模塊用基板的功率模塊及該功率模塊用基板的制造方法
背景技術(shù)：
由于在半導(dǎo)體元件中用于電力供給的功率元件的發(fā)熱量比較高，所以作為搭載該功率元件的基板，例如，如專(zhuān)利文獻(xiàn)I所示，使用如下功率模塊用基板在由A1N(氮化鋁)構(gòu)成的陶瓷基板上通過(guò)釬料接合有Al (鋁)金屬板。并且，該金屬板形成為電路層，在其金屬板上通過(guò)焊料搭載有功率元件(半導(dǎo)體元件)。另外，提出有如下內(nèi)容為了散熱，在陶瓷基板的下面也接合Al等金屬板而設(shè)為金屬層，在散熱板上通過(guò)該金屬層接合功率模塊用基板整體。并且，作為形成電路層的手段，除了提出有在陶瓷基板上接合金屬板之后，在該金屬板上形成電路圖案的方法之外，例如如專(zhuān)利文獻(xiàn)2公開(kāi)，還提出有將預(yù)先形成為電路圖案的金屬片接合于陶瓷基板上的方法。在此，為了獲得作為所述電路層及所述金屬層的金屬板與陶瓷基板的良好的接合強(qiáng)度，例如在下述專(zhuān)利文獻(xiàn)3中公開(kāi)有將陶瓷基板的表面粗糙度設(shè)為不到O. 5 μ m的技術(shù)。專(zhuān)利文獻(xiàn)I :日本專(zhuān)利公開(kāi)2003-086744號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :日本專(zhuān)利公開(kāi)2008-311294號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3 :日本專(zhuān)利公開(kāi)平3-234045號(hào)公報(bào)但是，將金屬板接合于陶瓷基板時(shí)，存在如下問(wèn)題點(diǎn)僅降低陶瓷基板表面的粗糙度也不能獲得充分高的接合強(qiáng)度，不能謀求可靠性的提高。例如，了解到可知，以干式對(duì)陶瓷基板的表面進(jìn)行基于A(yíng)l2O3顆粒的研磨處理，即使將表面粗糙度設(shè)為Ra = O. 2 μ m，在剝離試驗(yàn)中有時(shí)也產(chǎn)生界面剝離。并且，存在如下情況即使通過(guò)研磨法將表面粗糙度設(shè)為Ra=O. I μ m以下,仍同樣產(chǎn)生界面剝離。尤其，最近在進(jìn)行功率模塊的小型化、薄壁化的同時(shí)，其使用環(huán)境也日趨嚴(yán)峻，存在來(lái)自被搭載的半導(dǎo)體元件等電子零件的發(fā)熱量變大的趨勢(shì)，如前所述，需要在散熱板上配設(shè)功率模塊用基板。此時(shí)，因功率模塊用基板受散熱板限制，所以在熱循環(huán)負(fù)荷時(shí)，巨大的剪切力作用于金屬板與陶瓷基板的接合界面，與以往相比，更加要求陶瓷基板與金屬板之間的接合強(qiáng)度的提高及可靠性的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種確實(shí)接合金屬板與陶瓷基板且熱循環(huán)可靠性高的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、具備該功率模塊用基板的功率模塊及該功率模塊用基板的制造方法。
為了解決這種課題并實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明的功率模塊用基板，在陶瓷基板的表面層壓接合有鋁制金屬板，其特征在于，在所述金屬板中，除了 Si之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Si及所述添加元素的濃度總計(jì)設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。在該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板中，由于在所述金屬板中，除了 Si之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種 以上的添加元素，因此使金屬板的接合界面?zhèn)炔糠止倘軓?qiáng)化。由此，可防止金屬板部分處的破裂，能夠提高接合可靠性。在此，由于在所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Si及所述添加元素的濃度總計(jì)為O. 05質(zhì)量％以上，所以可確實(shí)地固溶強(qiáng)化金屬板的接合界面?zhèn)炔糠?。并且，所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Si及所述添加元素的濃度總計(jì)為5質(zhì)量％以下，所以可防止金屬板的接合界面的強(qiáng)度過(guò)于變高，在該功率模塊用基板上負(fù)荷冷熱循環(huán)時(shí)，可由金屬板吸收熱應(yīng)力，并可防止陶瓷基板的破裂等。在此，所述陶瓷基板由AlN或Al2O3構(gòu)成，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面，也可形成有Si濃度為所述金屬板中Si濃度的5倍以上的Si高濃度部。此時(shí)，由于在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面形成有Si濃度為所述金屬板中Si濃度的5倍以上的Si高濃度部，所以通過(guò)存在于接合界面的Si原子提高由AlN或Al2O3構(gòu)成的陶瓷基板與鋁制金屬板的接合強(qiáng)度。另外，在此，金屬板中的Si濃度是指，在金屬板中從接合界面遠(yuǎn)離一定距離(例如，50nm以上)的部分的Si濃度。并且，也可以為如下所述陶瓷基板由AlN或Si3N4構(gòu)成，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面形成有氧濃度高于所述金屬板中及所述陶瓷基板中的氧濃度的氧高濃度部，該氧高濃度部的厚度為4nm以下。此時(shí)，由于在由AlN或Si3N4構(gòu)成的陶瓷基板與鋁制金屬板的接合界面形成有氧濃度高于所述金屬板中及所述陶瓷基板中的氧濃度的氧高濃度部，所以通過(guò)存在于接合界面的氧提高由AlN或Si3N4構(gòu)成的陶瓷基板與鋁制金屬板的接合強(qiáng)度。另外，由于該氧高濃度部的厚度為4nm以下，因此可抑制通過(guò)負(fù)荷熱循環(huán)時(shí)的應(yīng)力產(chǎn)生在氧高濃度部的裂紋。另外，在此，金屬板中及陶瓷基板中的氧濃度是指，金屬板及陶瓷基板中從接合界面遠(yuǎn)離一定距離(例如，50nm以上)的部分的氧濃度。本發(fā)明的自帶散熱器的功率模塊用基板的特征在于，具備所述功率模塊用基板和冷卻該功率模塊用基板的散熱器。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的自帶散熱器的功率模塊用基板，由于具備有冷卻功率模塊用基板的散熱器，所以能夠通過(guò)散熱器有效冷卻功率模塊用基板中產(chǎn)生的熱。本發(fā)明的功率模塊的特征在于，具備所述功率模塊用基板和搭載于該功率模塊用基板上的電子零件。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊，陶瓷基板與金屬板的接合強(qiáng)度高，即使在嚴(yán)峻的使用環(huán)境下，也可飛躍提高其可靠性。本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法，其為在陶瓷基板的表面層壓接合有鋁制金屬板的功率模塊用基板的制造方法，其特征在于，具有固著工序，在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，除了 Si之外,還固著選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li種的I種或2種以上的添加元素，形成含有Si及所述添加元素的固著層；層壓工序，通過(guò)所述固著層，層壓所述陶瓷基板和所述金屬板；加熱工序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r(shí)加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及凝固工序，通過(guò)凝固該熔融金屬區(qū)域來(lái)接合所述陶瓷基板與所述金屬板，其中在所述固著工序中，使Si及所述添加元素在O. lmg/cm2以上lOmg/cm2以下的范圍內(nèi)介入在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面，在所述加熱工序中，通過(guò)使所述固著層的Si及所述添加元素向所述金屬板側(cè)擴(kuò)散，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成所述熔融金屬區(qū)域。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板的制造方法，由于具備有在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，除了 Si之外,還固著選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，形成含有Si及所述添加元素的固著層的固著工序，所以在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面，除了 Si之外，還介入有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素。在此，由于Si及Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li 之類(lèi)的元素為降低鋁的熔點(diǎn)的元素，因此在比較低溫條件下，可在金屬板與陶瓷基板的界面形成熔融金屬區(qū)域。從而，即使在比較低溫、短時(shí)間的接合條件下接合，也能緊固接合陶瓷基板與金屬板。并且，在加熱工序中，通過(guò)使固著層的Si和選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素向所述金屬板側(cè)擴(kuò)散，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成所述熔融金屬區(qū)域，并凝固該熔融金屬區(qū)域，從而成為接合所述金屬板與所述陶瓷基板的結(jié)構(gòu)，所以無(wú)需使用釬料箔等就能夠以低成本制造金屬板與陶瓷基板確實(shí)接合的功率模塊用基板。如此，不使用釬料箔就能接合所述陶瓷基板與所述金屬板，因此無(wú)需進(jìn)行釬料箔的對(duì)位作業(yè)等，例如，將預(yù)先形成為電路圖案形的金屬片接合于陶瓷基板時(shí)，也可將由錯(cuò)位等引起的麻煩防患于未然。并且，在所述固著工序中，將介入于所述陶瓷基板與所述金屬板的界面的Si及所述添加元素的固著量設(shè)為O. lmg/cm2以上，因此在陶瓷基板與金屬板的界面，可確實(shí)地形成熔融金屬區(qū)域，并可緊固地接合陶瓷基板與金屬板。另外，將介入于所述陶瓷基板與所述金屬板的界面的Si及所述添加元素的固著量設(shè)為lOmg/cm2以下，因此可防止在固著層中產(chǎn)生裂紋，并可在陶瓷基板與金屬板的界面確實(shí)地形成熔融金屬區(qū)域。另外，能夠防止Si及所述添加元素過(guò)于向金屬板側(cè)擴(kuò)散而界面附近的金屬板的強(qiáng)度過(guò)于變高。由此，在功率模塊用基板負(fù)荷冷熱循環(huán)時(shí)，可由金屬板吸收熱應(yīng)力，并可防止陶瓷基板的破裂等。 另外，在所述固著工序中，使Si及所述添加元素在O. lmg/cm2以上10mg/cm2以下的范圍內(nèi)介入于所述陶瓷基板與所述金屬板的界面，因此可制造如下功率模塊用基板在所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Si及所述添加元素的濃度總計(jì)在O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。而且，由于在金屬板及陶瓷基板上直接形成固著層，因此氧化薄膜只形成在金屬板的表面。于是，與使用了在兩面形成氧化薄膜的釬料箔時(shí)相比，存在于金屬板及陶瓷基板的界面的氧化薄膜的總計(jì)厚度變薄，因此能夠提高初始接合的成品率。
另外，成為如下結(jié)構(gòu)在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方直接固著Si及所述添加元素，但從生產(chǎn)性的觀(guān)點(diǎn)考慮，優(yōu)選在金屬板的接合面固著Si及所述添加元素。并且，可以在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，分別單獨(dú)固著Si及所述添加元素而形成Si層及添加元素層?；蛘撸部梢栽谒鎏沾苫宓慕雍厦婕八鼋饘侔宓慕雍厦嬷械闹辽僖环剑瑫r(shí)固著Si及所述添加元素而形成Si和所述添加元素的固著層。在此，所述固著工序中，優(yōu)選成為與Si及所述添加元素一同固著Al的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，由于與Si及所述添加元素一同固著Al，因此所形成的固著層含有Al，在加熱工序中，該固著層能夠優(yōu)先熔融而確實(shí)形成熔融金屬區(qū)域，并能夠緊固地接合陶瓷基板和金屬板。并且，能夠防止Mg、Ca、Li等氧化活性元素的氧化。另外，為了與Si及所述添加元素一同固著Al，可同時(shí)蒸鍍Si及所述添加元素和Al，也可將Si及所述添加元素與Al的合金作為靶進(jìn)行濺射。另外，也可層壓Si及添加元素和Al。并且，所述固著工序優(yōu)選通過(guò)電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者通過(guò)涂布分散有粉末的糊劑及墨水等，在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方固著Si及所述添加元素。此時(shí)，由于通過(guò)電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者通過(guò)涂布分散有粉末的糊劑及墨水等，Si及所述添加元素被確實(shí)固著于所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，因此能夠使Si及所述添加元素確實(shí)介入于陶瓷基板與金屬板的接合界面。并且，可高精度調(diào)節(jié)Si及所述添加元素的固著量，并可以確實(shí)形成熔融金屬區(qū)域而緊固地接合陶瓷基板與金屬板。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供金屬板與陶瓷基板確實(shí)接合且熱循環(huán)可靠性高的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、具備該功率模塊用基板的功率模塊及該功率模塊用基板的制造方法。


圖I是使用本發(fā)明的第I實(shí)施方式的功率模塊用基板的功率模塊的簡(jiǎn)要說(shuō)明圖。圖2是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的Si濃度及添加元素濃度的說(shuō)明圖。圖3是本發(fā)明的第I實(shí)施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層(金屬板)與陶瓷基板的接合界面的示意圖。圖4是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。圖5是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的功率模塊用基板的制造方法的說(shuō)明圖。圖6是表示圖5中的金屬板與陶瓷基板的接合界面附近的說(shuō)明圖。圖7是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的Si濃度及添加元素濃度的說(shuō)明圖。圖8是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層(金屬板)與陶瓷基板的接合界面的示意圖。圖9是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。、
圖10是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的功率模塊用基板的制造方法的說(shuō)明圖。符號(hào)說(shuō)明I-功率模塊，3-半導(dǎo)體芯片(電子零件)，10-功率模塊用基板，11、111-陶瓷基板，12、112-電路層，13、113-金屬層，22、23、122、123-金屬板，24、25_ 固著層，26、27、126、127-熔融金屬區(qū)域，30、130-接合界面，124A、125A_Si層，124B、125B-添加元素層。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。圖I中表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板及功率模塊。 該功率模塊I具備有功率模塊用基板10，配設(shè)有電路層12 ;半導(dǎo)體芯片3，通過(guò)焊層2接合于電路層12的表面；及散熱器4。在此，焊層2例如為Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊料。另外，在本實(shí)施方式中，電路層12與焊層2之間設(shè)置有Ni鍍層(未圖示)O功率模塊用基板10具備有陶瓷基板11 ;電路層12，配設(shè)于該陶瓷基板11的一面(在圖I中為上部)；及金屬層13，配設(shè)于陶瓷基板11的另一面(在圖I中為下部)。陶瓷基板11防止電路層12與金屬層13之間的電連接，由絕緣性高的A1N(氮化鋁)構(gòu)成。并且，陶瓷基板11的厚度設(shè)定在O. 2 I. 5mm的范圍內(nèi)，在本實(shí)施方式中設(shè)定為0.635_。另外，如圖I所示，在本實(shí)施方式中，陶瓷基板11的寬度設(shè)定為寬于電路層12及金屬層13的覽度。如圖5所示，電路層12通過(guò)在陶瓷基板11的一面接合具有導(dǎo)電性的金屬板22而形成。在本實(shí)施方式中，電路層12通過(guò)由純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)壓延板構(gòu)成的金屬板22接合于陶瓷基板11而形成。如圖5所示，金屬層13通過(guò)在陶瓷基板11的另一面接合金屬板23而形成。在本實(shí)施方式中，金屬層13與電路層12同樣通過(guò)由純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)壓延板構(gòu)成的金屬板23接合于陶瓷基板11而形成。散熱器4用于冷卻所述功率模塊用基板10，具備有頂板部5，與功率模塊用基板10相接合；及流路6，用于使冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)流通。散熱器4(頂板部5)優(yōu)選由熱傳導(dǎo)性良好的材質(zhì)構(gòu)成,在本實(shí)施方式中，由A6063(鋁合金)構(gòu)成。并且，在本實(shí)施方式中，散熱器4的頂板部5與金屬層13之間設(shè)置有由鋁或鋁合金或者含有鋁的復(fù)合材料(例如AlSiC等)構(gòu)成的緩沖層15。而且，如圖2所示，在陶瓷基板11與電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30的寬度方向中央部中，在電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中，除了 Si之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素。在電路層12及金屬層13的接合界面30的附近處形成有Si濃度及所述添加元素的濃度隨著從接合界面30向?qū)訅悍较螂x開(kāi)而降低的濃度傾斜層33。在此，該濃度傾斜層33的接合界面30側(cè)(電路層12及金屬層13的接合界面30的附近)的Si及所述添加元素的濃度總計(jì)設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。另外，電路層12及金屬層13的接合界面30附近的Si及所述添加元素的濃度是通過(guò)EPMA分析(斑點(diǎn)直徑30 μ m)在距離接合界面30的50 μ m位置進(jìn)行5點(diǎn)測(cè)定的平均值。并且，圖2的圖表是在電路層12(金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的中央部分向?qū)訅悍较蜻M(jìn)行線(xiàn)性分析，并將所述50 μ m位置處的濃度作為基準(zhǔn)而求出的圖表。在此，本實(shí)施方式中，將Ge作為添加元素使用，且電路層12及金屬層13的接合界面30附近的Ge濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上I質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，Si濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上O. 5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。并且，在透射電子顯微鏡中觀(guān)察陶瓷基板11與電路層12(金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30時(shí)，如圖3所示，在接合界面30形成有濃縮Si的Si高濃度部32。在該Si高濃度部32中，Si濃度比電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的Si濃度高出5倍以上。另外，該Si高濃度部32的厚度H為4nm以下。在此，如圖3所示，所觀(guān)察的接合界面30將電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的晶格像的界面?zhèn)榷瞬颗c陶瓷基板11的晶格像的界面?zhèn)榷瞬恐g的中央設(shè)為基準(zhǔn)面S。 以下，參照?qǐng)D4至圖6對(duì)所述結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板10的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。(固著工序SI)首先，如圖5及圖6所示，通過(guò)濺射在金屬板22、23的各接合面固著Si和選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，形成固著層24、25。在此，在本實(shí)施方式中，將Ge作為添加元素使用，固著層24、25中的Si量設(shè)定在O. 002mg/cm2 以上 I. 2mg/cm2 以下，Ge 量設(shè)定在 O. 002mg/cm2 以上 2. 5mg/cm2 以下。(層壓工序S2)接著，如圖5所示，將金屬板22層壓在陶瓷基板11的一面?zhèn)?，并且將金屬?3層壓在陶瓷基板11的另一面?zhèn)取４藭r(shí)，如圖5及圖6所示，以金屬板22、23中形成有固著層24、25的面朝向陶瓷基板11的方式層壓。即，在金屬板22、23與陶瓷基板11之間分別介入有固著層24、25 (Si及所述添加元素)。如此形成層壓體20。(加熱工序S3)接著，將在層壓工序S2中形成的層壓體20以向其層壓方向加壓(壓力為I 35kgf/cm2)的狀態(tài)裝入真空加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱，如圖6所示，在金屬板22、23與陶瓷基板11的界面分別形成熔融金屬區(qū)域26、27。如圖6所示，該熔融金屬區(qū)域26、27是通過(guò)如下而形成的固著層24、25的Si及所述添加元素向金屬板22、23側(cè)擴(kuò)散，從而金屬板22、23的固著層24、25附近的Si濃度及所述添加元素的濃度(在本實(shí)施方式中為Ge濃度)上升，熔點(diǎn)降低。另外，上述壓力不到lkgf/cm2時(shí)，有可能無(wú)法良好地進(jìn)行陶瓷基板11與金屬板22、23的接合。并且，上述壓力超過(guò)35kgf/cm2時(shí)，金屬板22、23有可能變形。從而，上述加壓壓力優(yōu)選設(shè)在I 35kgf/cm2的范圍內(nèi)。在此，本實(shí)施方式中，真空加熱爐內(nèi)的壓力設(shè)定在10_3 10_6Pa的范圍內(nèi)，加熱溫度設(shè)定在550°C以上650°C以下的范圍內(nèi)。(凝固工序S4)接著，在形成有熔融金屬區(qū)域26、27的狀態(tài)下將溫度保持為恒定。這樣，熔融金屬區(qū)域26、27中的Si及添加元素(在本實(shí)施方式中為Ge)進(jìn)一步向金屬板22、23側(cè)擴(kuò)散。由此，曾為熔融金屬區(qū)域26、27的部分的Si濃度及所述添加元素的濃度(在本實(shí)施方式中為Ge濃度)逐漸降低，熔點(diǎn)上升，在將溫度保持為恒定的狀態(tài)下進(jìn)行凝固。即，陶瓷基板11和金屬板 22、23 通過(guò)所謂擴(kuò)散接合(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding)而接合。如此，進(jìn)行凝固之后冷卻至常溫。
如此，成為電路層12及金屬層13的金屬板22、23與陶瓷基板11接合，制造出本實(shí)施方式的功率模塊用基板10。在成為如以上結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式的功率模塊用基板10及功率模塊I中，由于具備有在金屬板22、23的接合面固著Si及所述添加元素(在本實(shí)施方式中為Ge)的固著工序SI，所以在金屬板22、23與陶瓷基板11的接合面30介入有Si及所述添加元素。在此，由于Si及Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li之類(lèi)的元素為降低鋁的熔點(diǎn)的元素，因此在比較低溫的條件下，也能夠在金屬板與陶瓷基板的界面形成熔融金屬區(qū)域。另外，陶瓷基板11與電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)通過(guò)使形成于金屬板22、23的接合面的含有Si及所述添加元素的固著層24、25的Si及所述添加元素向金屬板22、23側(cè)擴(kuò)散來(lái)形成熔融金屬區(qū)域26、27，并通過(guò)使該熔融金屬區(qū)域26、27中的Si及所述添加元素向金屬板22、23擴(kuò)散而凝固并接合，因此在比較低溫、短時(shí)間的接合條件下接合，也能夠緊固接合陶瓷基板11和金屬板22、23。并且，在陶瓷基板11與電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30的寬度方向中央部中，在電路層12(金屬板22)及金屬層13(金屬板23)固溶有Si及所述添加元素，電路層12及金屬層13的各接合界面30側(cè)的Si及所述添加元素的濃度總計(jì)設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，在本實(shí)施方式中,將Ge作為添加元素使用，電路層12及金屬層13的接合界面30附近的Ge濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上I質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，Si濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上O. 5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，所以電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30側(cè)的部分固溶強(qiáng)化，能夠防止電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的龜裂的產(chǎn)生。并且，在加熱工序S3中Si及所述添加元素充分向金屬板22、23側(cè)擴(kuò)散，并緊固接合金屬板22、23和陶瓷基板11。另外，在本實(shí)施方式中，陶瓷基板11由AlN構(gòu)成，在金屬板22、23與陶瓷基板11的接合界面30形成有Si濃度成為電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的Si濃度的5倍以上的Si高濃度部32，因此能夠通過(guò)存在于接合界面30的Si謀求陶瓷基板11和金屬板22、23的接合強(qiáng)度的提高。并且，具備有在金屬板的接合面固著Si及所述添加元素而形成固著層24、25的固著工序SI，且構(gòu)成為如下在加熱工序S3中，通過(guò)使固著層24、25的Si及所述添加元素向金屬板22、23側(cè)擴(kuò)散，從而在陶瓷基板11與金屬板22、23的界面形成熔融金屬區(qū)域26、27，因此，無(wú)需使用制造困難的Al-Si系的釬料箔，就能夠以低成本制造金屬板22、23和陶瓷基板11確實(shí)接合的功率模塊用基板10。另外，在本實(shí)施方式中，在固著工序SI中，介入于陶瓷基板11與金屬板22、23的界面的Si量及Ge量設(shè)定為Si :0. 002mg/cm2以上、Ge :0. 002mg/cm2以上，因此能夠在陶瓷基板11與金屬板22、23的界面確實(shí)地形成熔融金屬區(qū)域26、27，并能夠緊固接合陶瓷基板11和金屬板22、23。另外，由于將介入于陶瓷基板11與金屬板22、23的界面的Si量及Ge量設(shè)定為Si :1. 2mg/cm2以下、Ge :2. 5mg/cm2以下，因此能夠防止在固著層24、25發(fā)生裂紋,并能夠在陶瓷基板11與金屬板22、23的界面確實(shí)形成熔融金屬區(qū)域26、27。另外，能夠防止Si及所述添加元素過(guò)于向金屬板22、23側(cè)擴(kuò)散而界面附近的金屬板22、23的強(qiáng)度變得過(guò)高。由此，在功率模塊用基板10負(fù)荷冷熱循環(huán)時(shí)，可由電路層12、金屬層13(金屬板22、23)吸收熱應(yīng)力，并能夠防止陶瓷基板11的破裂等。并且，由于不使用釬料箔，在金屬板22、23的接合面直接形成固著層24、25，因此無(wú)需進(jìn)行釬料箔的對(duì)位作業(yè)等，就能夠確實(shí)接合陶瓷基板11與金屬板22、23。從而，能夠有效制造出該功率模塊用基板10。而且，由于在金屬板22、23的接合面形成有固著層24、25，由此介入于金屬板22、23與陶瓷基板11的界面的氧化薄膜只存在于金屬板22、23的表面，因此能夠提高初始接合的成品率。 接著，參照?qǐng)D7至圖10對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。該第2實(shí)施方式的功率模塊用基板中，陶瓷基板111由Si3N4構(gòu)成。在陶瓷基板111與電路層112 (金屬板122)及金屬層113 (金屬板123)的接合界面130的寬度方向中央部中，如圖7所示，在電路層112(金屬板122)及金屬層113(金屬板123)中，除了 Si之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2中以上的添加元素。在此，電路層112及金屬層113的接合界面130附近的Si及所述添加元素的濃度總計(jì)設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。另外，電路層112及金屬層113的接合界面130附近的Si及所述添加元素的濃度是通過(guò)EPMA分析(斑點(diǎn)直徑30 μ m)在距離接合界面130的50 μ m位置進(jìn)行5點(diǎn)測(cè)定的平均值。并且，圖7的圖表是在電路層112(金屬板122)及金屬層113(金屬板123)的中央部分向?qū)訅悍较蜻M(jìn)行線(xiàn)性分析，并將所述50 μ m位置處的濃度作為基準(zhǔn)而求出的圖表。在此，本實(shí)施方式中，將Ag作為添加元素使用，在電路層112及金屬層113的接合界面130附近的Ag濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上I. 5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，Si濃度設(shè)定在
O.05質(zhì)量％以上O. 5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。并且，在透射電子顯微鏡中觀(guān)察陶瓷基板111與電路層112(金屬板122)及金屬層113 (金屬板123)的接合界面130時(shí)，如圖8所示，在接合界面130形成有濃縮氧的氧高濃度部132。在該氧高濃度部132中，氧濃度高于電路層112 (金屬板122)及金屬層113(金屬板123)中的氧濃度。另外，該氧高濃度部132的厚度H為4nm以下。另外，如圖8所示，在此觀(guān)察的接合界面130將電路層112 (金屬板122)及金屬層113(金屬板123)的晶格像的界面?zhèn)榷瞬颗c陶瓷基板111的晶格像的接合界面?zhèn)榷瞬恐g的中央設(shè)為基準(zhǔn)面S。以下，參照?qǐng)D9及圖10對(duì)所述結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板的制造方法進(jìn)行說(shuō)明。另外，在本實(shí)施方式中，固著工序分為Si固著工序SlO和添加元素固著工序S11。(Si 固著工序 S10)首先，如圖10所示，通過(guò)濺射在金屬板122、123的各接合面固著Si，形成Si層124A、125A。在此，Si 層 124AU25A 的 Si 量設(shè)定在 O. 002mg/cm2 以上 I. 2mg/cm2 以下。并且，Si層124A、125A的厚度優(yōu)選設(shè)定在O. 01 μ m以上5 μ m以下的范圍內(nèi)。(添加元素固著工序Sll)接著，通過(guò)濺射在所述Si層124A、125A上固著選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，形成添加元素層124B、125B。在此，在本實(shí)施方式中，使用Ag作為添加元素，添加元素層124B、125B中的Ag量設(shè)定在O. 08mg/cm2以上5. 4mg/cm2以下。并且，添加元素層124B、125B的厚度優(yōu)選設(shè)定在O. Ol μ m以上5 μ m以下的范圍內(nèi)。(層壓工序S12)接著，將金屬板122層壓在陶瓷基板111的一面?zhèn)?，并且將金屬?23層壓在陶瓷基板111的另一面?zhèn)取４藭r(shí)，如圖10所示，以金屬板122、123中形成有Si層124A、125A及添加元素層124BU25B的面朝向陶瓷基板111的方式層壓。即，在金屬板122、123與陶瓷 基板111之間分別介入有Si層124A、125A及添加元素層124B、125B。如此形成層壓體。(加熱工序SI3)接著，將在層壓工序S12中形成的層壓體以向其層壓方向加壓(壓力為I 35kgf/cm2)的狀態(tài)裝入真空加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱，如圖10所示，在金屬板122、123與陶瓷基板111的界面分別形成熔融金屬區(qū)域126、127。如圖10所示，該熔融金屬區(qū)域126、127是通過(guò)如下而形成的Si層124A、125A及添加元素層124B、125B的Si及添加元素(在本實(shí)施方式中為Ag)向金屬板122、123側(cè)擴(kuò)散，從而金屬板122、123的Si層124A、125A及添加元素層124BU25B附近的Si濃度及添加元素的濃度上升，熔點(diǎn)降低。在此，本實(shí)施方式中，真空加熱爐內(nèi)的壓力設(shè)定在10_3 10_6Pa的范圍內(nèi)，加熱溫度設(shè)定在550°C以上650°C以下的范圍內(nèi)。(凝固工序S15)接著，在形成有熔融金屬區(qū)域126、127的狀態(tài)下將溫度保持為恒定。這樣，熔融金屬區(qū)域126、127中的Si及添加元素進(jìn)一步向金屬板122、123側(cè)擴(kuò)散。由此，曾為熔融金屬區(qū)域126、127的部分的Si濃度及添加元素的濃度逐漸降低，熔點(diǎn)上升，在溫度保持為恒定的狀態(tài)下進(jìn)行凝固。即，陶瓷基板111與金屬板122、123通過(guò)所謂擴(kuò)散接合(TransientLiquid Phase Diffusion Bonding)而接合。如此,進(jìn)行凝固之后冷卻至常溫。如此，成為電路層112及金屬層113的金屬板122、123與陶瓷基板111接合，制造出本實(shí)施方式的功率模塊用基板。在成為如以上結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式的功率模塊用基板中，由于具備有在金屬板122、123的接合面固著Si的Si固著工序S10、及固著所述添加元素(在本實(shí)施方式中為Ag)的添加元素固著工序S11，所以在金屬板122、123與陶瓷基板111的接合界面130中介入有Si及所述添加元素。在此，Si及Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li之類(lèi)的元素降低招的熔點(diǎn),所以能夠在低溫條件下接合。另外，陶瓷基板111與電路層112 (金屬板122)及金屬層113 (金屬板123)通過(guò)使形成于金屬板122、123的接合面的Si層124A、125A和添加元素層124B、125B的Si及添加元素向金屬板122、123側(cè)擴(kuò)散來(lái)形成熔融金屬區(qū)域126、127，并通過(guò)使該熔融金屬區(qū)域126、127中的Si及添加元素向金屬板122、123擴(kuò)散而凝固并接合，因此在比較低溫、短時(shí)間的接合條件下，也能夠緊固接合陶瓷基板111與金屬板122、123。并且，本實(shí)施方式中，由于陶瓷基板111由Si3N4構(gòu)成，在成為電路層112及金屬層113的金屬板122、123與陶瓷基板111的接合界面130生成有氧濃度高于構(gòu)成電路層112及金屬層113的金屬板122、123中的氧濃度的氧高濃度部132，因此可通過(guò)此氧謀求陶瓷基板111與金屬板122、123的接合強(qiáng)度的提高。并且，由于該氧高濃度部132的厚度為4nm以下，因此抑制通過(guò)負(fù)荷熱循環(huán)時(shí)的應(yīng)力產(chǎn)生在氧高濃度部132中的裂紋。以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于此，在不脫離其發(fā)明的技術(shù)思想的范圍可適當(dāng)變更。例如，對(duì)于將構(gòu)成電路層及金屬層的金屬板作為純度99. 99%的純鋁壓延板的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但并不局限于此，也可以是純度為99 %的鋁(2N鋁)。并且，在固著工序中，對(duì)于在金屬板的接合面固著Si及所述添加元素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說(shuō)明，但并不局限于此，可以在陶瓷基板的接合面固著Si及所述添加元素，也可以在陶瓷基板的接合面及金屬板的接合面分別固著Si及所述添加元素。并且，在固著工序中，可以與Si及所述添加元素一同固著Al。另外，在固著工序中，對(duì)通過(guò)濺射固著Si及所述添加元素的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但并不局限于此，也可通過(guò)電鍍、蒸鍍、CVD、冷噴涂、或者通過(guò)涂布分散有粉末的糊劑及墨水 等，固著Si及所述添加元素。并且，在第2實(shí)施方式中，對(duì)固著工序作中在Si固著工序SlO之后進(jìn)行添加元素固著工序Sll的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但并不局限于此，可以在添加元素固著工序后進(jìn)行Si固
著工序。另外，可使用添加元素和Si等的合金來(lái)形成Si和添加元素的合金層。并且，對(duì)使用真空加熱爐進(jìn)行陶瓷基板與金屬板的接合的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但并不局限于此，也可以在N2氣氛、Ar氣氛及He氣氛等條件下進(jìn)行陶瓷基板與金屬板的接合。并且，對(duì)于在散熱器的頂板部與金屬層之間設(shè)置由鋁或鋁合金或者含有鋁的復(fù)合材料(例如AlSiC等)構(gòu)成的緩沖層的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但也可以沒(méi)有該緩沖層。另外，對(duì)由鋁構(gòu)成散熱器的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但也可以由鋁合金或含有鋁的復(fù)合材料等構(gòu)成。另外，對(duì)具有冷卻介質(zhì)的流路作為散熱器的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但散熱器的結(jié)構(gòu)并無(wú)特別限定，可使用各種結(jié)構(gòu)的散熱器。并且，對(duì)由AIN、Si3N4構(gòu)成陶瓷基板的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但并不限定于此，也可以由Al2O3等其他陶瓷構(gòu)成。[實(shí)施例]對(duì)為了確認(rèn)本發(fā)明的有效性而進(jìn)行的比較實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明。在由厚度為O. 635mm的AlN構(gòu)成的陶瓷基板，接合由厚度為O. 6mm的4N鋁構(gòu)成的電路層和由厚度為O. 6mm的4N鋁構(gòu)成的金屬層，制作出了功率模塊用基板。在此，在成為電路層及金屬層的鋁板(4N鋁)的接合面固著Si及添加元素而形成固著層，層壓金屬板與陶瓷基板并加壓加熱，接合了金屬板與陶瓷基板。而且，制出變更了固著的添加元素的各種試驗(yàn)片，并使用這些試驗(yàn)片進(jìn)行了接合可靠性的評(píng)價(jià)。作為接合可靠性的評(píng)價(jià)，比較了反復(fù)2000次冷熱循環(huán)(_45°C 125°C )后的接合率。將結(jié)果示于表I至表3。另外，用下式接合率=(初始接合面積-剝離面積)/初始接合面積來(lái)計(jì)算接合率。在此，初始接合面積是指接合前的應(yīng)接合的面積。并且，對(duì)于這些試驗(yàn)片，通過(guò)EPMA分析(斑點(diǎn)直徑30 μ m)測(cè)定金屬板中陶瓷基板的接合界面附近(距接合界面50 μ m)的Si及添加元素的濃度。將Si及添加元素的總計(jì)濃度合并不于表1-3。
權(quán)利要求
1.一種功率模塊用基板，其在陶瓷基板的表面層壓接合有鋁制金屬板，其特征在于， 在所述金屬板中，除了 Si之外,還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg, Ca, Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，在所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Si濃度及所述添加元素的濃度總計(jì)設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求I所述的功率模塊用基板，其特征在于， 所述陶瓷基板由AlN或Al2O3構(gòu)成，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面形成有Si濃度為所述金屬板中Si濃度的5倍以上的Si高濃度部。
3.如權(quán)利要求I所述的功率模塊用基板，其特征在于， 所述陶瓷基板由AlN或Si3N4構(gòu)成，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面，形成有 氧濃度高于所述金屬板中及所述陶瓷基板中的氧濃度的氧高濃度部，該氧高濃度部的厚度為4nm以下。
4.一種自帶散熱器的功率模塊用基板，其特征在于， 具備權(quán)利要求I至3中的任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板及冷卻該功率模塊用基板的散熱器。
5.—種功率模塊，其特征在于， 具備權(quán)利要求I至3中的任一項(xiàng)所述的功率模塊用基板及搭載于該功率模塊用基板上的電子零件。
6.一種功率模塊用基板的制造方法，所述功率模塊用基板在陶瓷基板的表面層壓接合有鋁制金屬板，其特征在于，具有 固著工序，在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，除了 Si之夕卜，還固著選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，形成含有Si及所述添加元素的固著層； 層壓工序，通過(guò)所述固著層，層壓所述陶瓷基板和所述金屬板； 加熱工序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r(shí)加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及 凝固工序，通過(guò)凝固該熔融金屬區(qū)域來(lái)接合所述陶瓷基板與所述金屬板， 在所述固著工序中，使Si及所述添加元素在O. lmg/cm2以上10mg/cm2以下的范圍內(nèi)介入在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面， 在所述加熱工序中，通過(guò)使所述固著層的元素向所述金屬板側(cè)擴(kuò)散，從而在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成所述熔融金屬區(qū)域。
7.如權(quán)利要求6所述的功率模塊用基板的制造方法，其特征在于， 在所述固著工序中，與Si及所述添加元素一同固著Al。
8.如權(quán)利要求6或7所述的功率模塊用基板的制造方法，其特征在于， 所述固著工序通過(guò)電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者通過(guò)涂布分散有粉末的糊劑及墨水，在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方固著Si和選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金屬板與陶瓷基板確實(shí)接合且熱循環(huán)可靠性高的功率模塊用基板、具備該功率模塊用基板的功率模塊及該功率模塊用基板的制造方法。一種功率模塊用基板(10)，其在陶瓷基板(11)的表面層壓接合有鋁制金屬板(12、13)，其特征在于，在金屬板(12、13)中，除了Si之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1種或2種以上的添加元素，在金屬板(12)、(13)中，陶瓷基板(11)的界面附近處的Si濃度及所述添加元素的濃度總計(jì)設(shè)定在0.05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)H01L23/36GK102655126SQ20111005163
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者殿村宏史, 長(zhǎng)友義幸, 黑光祥郎 申請(qǐng)人:三菱綜合材料株式會(huì)社