铜-陶瓷接合体及功率模块用基板的制作方法

铜-陶瓷接合体及功率模块用基板的制作方法
【专利摘要】本发明的铜?陶瓷接合体接合由铜或铜合金构成的铜部件(22)与由氮化物陶瓷构成的陶瓷部件(11)，在铜部件(22)与陶瓷部件(11)的接合界面，形成有含有活性元素和氧的活性元素氧化物层(30)，该活性元素氧化物层(30)的厚度t设在5nm以上且220nm以下的范围内。
【专利说明】
铜-陶瓷接合体及功率模块用基板
技术领域
[0001] 本发明涉及一种接合由铜或铜合金构成的铜部件与陶瓷部件而成的铜-陶瓷接合 体、及由该铜-陶瓷接合体构成的功率模块用基板。
[0002] 本申请主张基于2014年2月12日于日本申请的专利申请2014-024410号、2014年3 月14日于日本申请的专利申请2014-052594、及2014年7月2日于日本申请的专利申请2014-136567号的优先权，并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] 在LED或功率模块等的半导体装置中，被设为如下结构，即在由导电材料构成的电 路层上接合半导体元件。
[0004] 为了控制风力发电、电动汽车、混合动力汽车等而使用的大功率控制用功率半导 体元件，由于发热量多，因此在作为搭载该元件的基板，例如从以往就广泛使用具备由A1N (氮化铝）、ai2〇3(氧化铝)等构成的陶瓷基板、及在该陶瓷基板的一个面接合导电性优异的 金属板而形成的电路层的功率模块用基板。另外，作为功率模块用基板，也提供在陶瓷基板 的另一个面接合金属板而形成金属层的技术。
[0005] 例如，在专利文献1提出有，将构成电路层及金属层的第一金属板及第二金属板设 为铜板，并通过DBC(Direct Bonding Copper)法将该铜板直接接合在陶瓷基板的功率模块 用基板。在该DBC法中，通过利用铜和铜氧化物的共晶反应，从而在铜板和陶瓷基板的界面 产生液相，且接合铜板和陶瓷基板。
[0006] 并且，在专利文献2提出有，在陶瓷基板的一个面及另一个面，通过接合铜板而形 成电路层及金属层的功率模块用基板。在该功率模块用基板中，在陶瓷基板的一个面及另 一个面，夹着Ag-Cu-Ti系钎料配置铜板，并通过进行加热处理而接合铜板(所谓的活性金属 钎焊法）。该活性金属钎焊法中，由于使用含有作为活性金属的Ti的钎料，因此提高熔融的 钎料与陶瓷基板的润湿性，并良好地接合陶瓷基板与铜板。
[0007] 专利文献1:日本专利公开平04-162756号公报 [0008] 专利文献2:日本专利第3211856号公报
[0009] 然而，如专利文献1所公开，通过DBC法接合陶瓷基板与铜板时，需要将接合温度设 为1065Γ以上(铜与铜氧化物的共晶点温度以上），因此接合时陶瓷基板有可能会劣化。
[0010] 并且，如专利文献2所公开，通过活性金属钎焊法接合陶瓷基板与铜板时，接合温 度被设为900°C较高温度，因此仍然存在陶瓷基板有可能劣化的问题。在此，若降低接合温 度，则钎料不与陶瓷基板充分反应，导致陶瓷基板与铜板的界面中的接合率降低，而无法提 供可靠性较高的功率模块用基板。
[0011] 而且，活性金属钎焊法中，在陶瓷基板与铜板的接合界面形成有TiN层。由于该TiN 层硬且脆，因此，在冷热循环负载时陶瓷基板有可能会产生破裂。
[0012] 而且，通过活性金属钎焊法接合由氧化铝构成的陶瓷基板与铜板时，在陶瓷基板 与铜板的接合界面较厚地形成有Ti氧化物层。由于该Ti氧化物层硬且脆，在冷热循环负载 时陶瓷基板有可能会产生破裂。

【发明内容】

[0013] 本发明的第1方式是鉴于前述情况而完成的，其目的在于提供一种可靠地接合由 铜或铜合金构成的铜部件与由氮化物陶瓷构成的陶瓷部件的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶 瓷接合体构成的功率模块用基板。
[0014] 本发明的第2方式是鉴于前述情况而完成的，其目的在于提供一种可靠地接合由 铜或铜合金构成的铜部件与由氧化铝构成的陶瓷部件的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶瓷接 合体构成的功率模块用基板。
[0015] [第1方式]
[0016] 为了解决这种课题，达到所述目的，本发明的第1方式的铜-陶瓷接合体为接合由 铜或铜合金构成的铜部件与由氮化物陶瓷构成的陶瓷部件的铜-陶瓷接合体，其特征在于， 在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，形成有含有活性元素和氧的活性元素氧化物 层，该活性元素氧化物层的厚度被设在5nm以上且220nm以下的范围内。
[0017] 在该结构的铜-陶瓷接合体中，被设为如下结构，即在由铜或铜合金构成的铜部件 与由氮化物陶瓷构成的陶瓷部件的接合界面，形成有含有活性元素和氧的活性金属元素氧 化物层。而且，第1方式中，该活性元素氧化物层的厚度被设为5nm以上，因此能够可靠地接 合陶瓷部件与铜部件，并能够确保接合强度。另一方面，由于活性元素氧化物层的厚度被设 为220nm以下，因此较硬且脆的活性元素氧化层的厚度较薄，例如可抑制由于冷热循环负载 时的热应力在陶瓷部件产生破裂的现象。
[0018] 在此，夹杂活性元素以高温保持的条件接合铜部件与由氮化物陶瓷构成的陶瓷部 件时，活性元素与氮化物陶瓷的氮进行反应而形成氮化物层。第1方式中，通过以低温的条 件接合铜部件与由氮化物陶瓷构成的陶瓷部件，从而能够形成活性元素氧化物层来代替氮 化物层。并且，通过介于铜部件与陶瓷部件之间的活性元素与包含在形成于铜部件或陶瓷 部件的表面的氧化物或接合材的氧进行反应而形成上述活性元素氧化物层。
[0019] 另外，在第1方式中，作为活性元素，可使用Ti、Zr、Hf及Nb等。而且，作为氮化物陶 瓷，可使用AlN、Si3N4等。
[0020] 在第1方式的铜-陶瓷接合体中，所述活性元素氧化物层可以含有P。
[0021] 此时，若在接合界面夹杂P，则该P与活性元素进行结合且与氧进行反应，从而在陶 瓷部件的表面很容易形成含有P的所述活性元素氧化物层。因而，即使在低温的条件下，也 能够可靠地接合铜部件与陶瓷部件。由此，可抑制在接合时的陶瓷部件的热劣化等。
[0022] 并且，在第1方式的铜-陶瓷接合体中，在所述活性元素氧化物层与所述铜部件之 间可以形成有Cu-Al共晶层。
[0023] 此时，通过在接合界面夹杂A1，从而即使在低温的条件下，也能够可靠地接合铜部 件与陶瓷部件。此时，通过A1与Cu进行反应，从而在上述活性元素氧化层与铜部件之间形成 有Cu _Al共晶层。
[0024]第1方式的功率模块用基板为在由氮化物陶瓷构成的陶瓷部件的表面接合由铜或 铜合金构成的铜板的功率模块用基板，其特征在于，由上述铜-陶瓷接合体构成。
[0025]根据该结构的功率模块用基板，由于由上述铜-陶瓷接合体构成，因此通过在低温 的条件下接合，而能够减轻对陶瓷基板的热负载，并能够抑制陶瓷基板的劣化。并且，即使 在低温的条件下接合的情况下，也能够可靠地接合陶瓷基板与铜板，并确保接合可靠性。另 外，在陶瓷基板的表面接合的铜板可用作电路层或金属层。
[0026] [第2方式]
[0027] 为了解决上述课题，达到所述目的，本发明的第2方式的铜-陶瓷接合体为接合由 铜或铜合金构成的铜部件与由氧化铝构成的陶瓷部件的铜-陶瓷接合体，其特征在于，在所 述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，形成有含有活性元素、氧及磷的活性元素氧化物层， 该活性元素氧化物层的厚度被设在5nm以上且220nm以下的范围内。
[0028] 在该结构的铜-陶瓷接合体中，被设为如下结构，即在由铜或铜合金构成的铜部件 与由氧化铝构成的陶瓷部件的接合界面，形成有含有活性元素、氧及磷的活性元素氧化物 层。而且，第2方式中，该活性元素氧化物层的厚度被设为5nm以上，因此能够可靠地接合陶 瓷部件与铜部件，并能够确保接合强度。另一方面，由于活性元素氧化物层的厚度被设为 220nm以下，因此较硬且脆的活性元素氧化物层的厚度较薄，例如可抑制由于冷热循环负载 时的热应力在陶瓷部件产生破裂的现象。
[0029] 在此，夹杂活性元素以高温保持的条件接合铜部件与由氧化铝构成的陶瓷部件 时，活性元素与氧化铝的氧进行反应而形成较厚的氧化物层。第2方式中，通过以低温的条 件接合铜部件与由氧化铝构成的陶瓷部件，从而可较薄地形成活性元素氧化物层。
[0030] 并且，若在接合界面夹杂磷(P)，则该磷(P)与活性元素进行结合且与氧进行反应， 从而在陶瓷部件的表面很容易形成含有磷(P)的所述活性元素氧化物层。因而，即使在低温 的条件下，也能够可靠地接合铜部件与陶瓷部件。由此，可抑制在接合时的陶瓷部件的热劣 化等。
[0031] 另外，在第2方式中，作为活性元素，可使用Ti、Zr及Hf等。而且，作为氧化铝，可使 用92%的氧化铝(Al2〇3纯度为92质量％以上）、96%的氧化铝(Al 2〇3纯度为96质量％以上）、 98%的氧化铝(Al2〇3纯度为98质量％以上)及氧化锆强化氧化铝等。
[0032] 在第2方式的铜-陶瓷接合体中，所述活性元素氧化物层中的磷浓度被设在1.5质 量％以上且10质量％以下的范围内。
[0033] 此时，由于所述活性元素氧化物层中的磷浓度(P浓度)被设为1.5质量％以上，因 此即使在低温的条件下，也能够可靠地形成所述活性元素氧化物层，且能够坚固地接合铜 部件与陶瓷部件。并且，由于所述活性元素氧化物层中的磷浓度(P浓度)被设为10质量％以 下，因此所述活性元素氧化物层不会过度变硬，例如可抑制由于冷热循环负载时的热应力 在陶瓷部件产生破裂的现象。
[0034] 第2方式的功率模块用基板为在由氧化铝构成的陶瓷基板的表面接合由铜或铜合 金构成的铜板的功率模块用基板，其特征在于，所述功率模块用基板由上述铜-陶瓷接合体 构成。
[0035] 根据该结构的功率模块用基板，由于由上述铜-陶瓷接合体构成，因此通过在低温 的条件下接合而能够减轻对陶瓷基板的热负载，并能够抑制陶瓷基板的劣化。并且，即使在 低温的条件下接合的情况下，也能够可靠地接合陶瓷基板与铜板，并能够确保接合可靠性。 另外，在陶瓷基板的表面接合的铜板可用作电路层或金属层。
[0036] 根据本发明的第1方式，能够提供一种可靠地接合由铜或铜合金构成的铜部件与 由氮化物陶瓷构成的陶瓷部件的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶瓷接合体构成的功率模块用 基板。
[0037] 根据本发明的第2方式，能够提供一种可靠地接合由铜或铜合金构成的铜部件与 由氧化铝构成的陶瓷部件的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶瓷接合体构成的功率模块用基 板。
【附图说明】
[0038] 图1是使用作为本发明的第一实施方式的功率模块用基板的功率模块的概略说明 图。
[0039] 图2是作为本发明的第一实施方式的功率模块用基板的电路层(铜部件)与陶瓷基 板(陶瓷部件)的接合界面的示意图。
[0040]图3是表示作为本发明的第一实施方式的功率模块用基板的制造方法的流程图。 [0041]图4是表示作为本发明的第一实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
[0042] 图5是作为本发明的第二实施方式的功率模块用基板的电路层(铜部件)与陶瓷基 板(陶瓷部件)的接合界面的示意图。
[0043] 图6是本发明例A1的铜-陶瓷接合体(功率模块用基板)中的接合界面的观察照片。
[0044] 图7是本发明例A13的铜-陶瓷接合体（功率模块用基板）中的接合界面的观察照 片。
[0045] 图8是使用作为本发明的第三实施方式的功率模块用基板的功率模块的概略说明 图。
[0046] 图9是作为本发明的第三实施方式的功率模块用基板的电路层(铜部件)与陶瓷基 板(陶瓷部件)的接合界面的示意图。
[0047] 图10是表示作为本发明的第三实施方式的功率模块用基板的制造方法的说明图。
[0048] 图11是本发明例B2的铜-陶瓷接合体（功率模块用基板）中的接合界面的观察照 片。
【具体实施方式】 [0049][第1方式]
[0050][第一实施方式]
[0051]以下，参考附图，对本发明的第1方式所涉及的第一实施方式进行说明。
[0052]本发明的第一实施方式所涉及的铜-陶瓷接合体被设为，通过接合作为由氮化物 陶瓷构成的陶瓷部件的陶瓷基板11与作为由铜或铜合金构成的铜部件的铜板22(电路层 12)而构成的功率模块用基板10。
[0053]图1中示出作为本发明的第一实施方式的功率模块用基板10及使用该功率模块用 基板10的功率模块1。
[0054]该功率模块1具备功率模块用基板10、经由焊锡层2接合在该功率模块用基板10的 一侧（图1中的上侧)面的半导体元件3、及配置于功率模块用基板10的另一侧（图1中的下 侦1|)的散热器51。
[0055]在此，焊锡层2被设为例如Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊锡材料。
[0056] 功率模块用基板10具备陶瓷基板11、配设于该陶瓷基板11的一个面(图1中的上表 面)的电路层12、及配设于陶瓷基板11的另一个面(图1中的下表面)的金属层13。
[0057] 陶瓷基板11防止电路层12与金属层13之间的电连接，第一实施方式的陶瓷基板11 由作为氮化物陶瓷的1种的A1N(氮化铝)构成。在此，优选陶瓷基板11的厚度被设定在0.2~ 1.5mm的范围内，在第一实施方式中，被设定为0.635mm。
[0058] 如图4所示，通过在陶瓷基板11的一个面接合由铜或铜合金构成的铜板22而形成 电路层12。在第一实施方式中，作为构成电路层12的铜板22,使用无氧铜的乳制板。在该电 路层12中形成有电路图案，其中一个面(图1中的上表面)被设为搭载有半导体元件3的搭载 面。在此，优选电路层12的厚度被设定在0.1mm以上且1.0mm以下的范围内，在第一实施方式 中，被设定为0.6mm。
[0059] 如图4所示，通过在陶瓷基板11的另一个面接合铝板23而形成金属层13。在第一实 施方式中，通过由纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝）的乳制板构成的铝板23接合 于陶瓷基板11而形成有金属层13。
[0060] 另外，优选该铝板23的0.2%屈服强度被设为30N/mm2以下。在此，优选金属层13 (错板23)的厚度被设定在0.5mm以上且6mm以下的范围内，在第一实施方式中，被设定为 2.0mm〇
[0061] 散热器51用于冷却前述的功率模块用基板10,具备与功率模块用基板10接合的顶 板部52和用于流通冷却介质(例如冷却水)的流路53。希望散热器51(顶板部52)由导热性良 好的材质构成，在第一实施方式中，由A6063(铝合金)构成。
[0062] 该散热器51(顶板部52)在第一实施方式中，通过钎焊直接接合于功率模块用基板 10的金属层13。
[0063] 在此，如图2所示，在陶瓷基板11与电路层12(铜板22)的接合界面，形成有包含活 性元素与氧的活性元素氧化物层30。第一实施方式中，该活性元素氧化物层30的厚度t被设 在5nm以上且220nm以下的范围内。优选活性元素氧化物层30的厚度t为10nm以上且220nm以 下，更优选为lOmii以上且50nm以下。另外，活性元素氧化物层30中的活性元素的浓度被设定 在35原子％~70原子％的范围内。另外，这里的活性元素的浓度是将活性元素、P及0的合计 量设为100时的浓度。
[0064]在第一实施方式中，作为活性元素具有Ti，上述活性元素氧化物层30被设为包含 Ti与氧的Ti-o层。
[0065]并且，在第一实施方式中，如后述，由于使用包含P的Cu-P系钎料24而结合陶瓷基 板11与电路层12(铜板22)，因此在活性元素氧化物层30含有P。另外，第一实施方式中，优选 活性元素氧化物层30中的P的含量被设在1.5质量％以上且10质量％以下的范围内，更优选 设在3质量％以上且8质量％以下的范围内。另外，这里的P的含量是将Ti、P及0的合计量设 为100时的浓度。
[0066]由于P的含量被设为1.5质量％以上，因此能够可靠地形成活性元素氧化物层30， 并能够可靠地接合陶瓷基板11与电路层12。并且，由于P的含量被设为10质量％以下，因此 活性元素氧化物层30不会过度变硬，例如可减轻由冷热循环负载时的热应力引起的对陶瓷 基板的负载，并能够防止接合界面的可靠性的降低。
[0067]另外，未使用包含P的Cu-P系钎料24而接合陶瓷基板11与电路层12(铜板22)时，作 为钎料24，可使用后述的Cu-Al系钎料等。
[0068]关于活性元素氧化物层30的厚度t，使用透射电子显微镜，以倍数20万倍观察接合 界面，将活性元素的浓度在35原子％~70原子％的范围内的部位看成活性元素氧化物层 30,测定并得到该厚度。关于活性元素的浓度(原子％)，利用透射电子显微镜附带的EDS(能 量分散型X射线分光仪)测定，其设为将P浓度、活性元素浓度及0浓度的合计设为100时的活 性元素的浓度。活性元素氧化物层的厚度设为5个视场的平均值。
[0069]关于活性元素氧化物层30的P的含量(质量％ )，利用透射电子显微镜附带的EDS测 定活性元素氧化物层30中的P浓度(质量％ )、Ti浓度(质量％ )及0浓度(质量％ )，计算并得 到将P浓度、Ti浓度及0浓度的合计设为100时的P浓度(质量％ )。关于P的含量(质量％ )，将 测定点设为5个点，并取该平均值。
[0070] 接着，参考图3及图4,对作为上述第一实施方式的功率模块用基板10的制造方法 进行说明。
[0071] 首先，如图4所示，在陶瓷基板11的一个面（图4中的上表面)依次层叠 Cu-P系钎料 24、Ti材25(活性元素材)及成为电路层12的铜板22(第1层叠工序S01)，且在陶瓷基板11的 另一个面（图4中的下表面)经由接合材27依次层叠成为金属层13的A1板23(第2层叠工序 S02)〇
[0072] 在此，第一实施方式中，作为Cu-P系钎料24,以3质量％以上且10质量％以下的范 围包含P，并且，以7质量％以上且50质量％以下的范围包含作为低熔点元素的Sn，而且，优 选使用以2质量％以上且15质量％以下的范围包含Ni的Cu-P-Sn-Ni钎料。而且，优选Cu-P系 钎料24的厚度设在5μπι以上且50μπι以下的范围。
[0073]作为Cu-P系钎料24，另外可使用Cu-P-Zn钎料等。
[0074]并且，在第一实施方式中，优选Ti材25的厚度被设在Ο.?μπι以上且25μπι以下的范围 内，第一实施方式中使用厚度12μι的Ti箱。另外，优选Ti材25在厚度为Ο.?μπι以上且0·5μπι以 下时，通过蒸镀或溅射而成膜，且优选厚度为〇.5μπι以上时使用箱材。
[0075] 而且，第一实施方式中，作为将铝板23接合于陶瓷基板11的接合材27,优选使用含 有作为熔点下降元素的Si的Al-Si系钎料(例如Α1-7.5质量％Si钎料）。
[0076] 作为接合材27,另外可使用Al-Cu钎料或Cu等。作为接合材27,使用Cu(例如，作为 固定量为〇. 〇8mg/cm2以上且2.7mg/cm2以下）时，可通过所谓的瞬间液相连接法(Transient Liquid Phase Diffusion Bonding、TLP)来接合。
[0077] 接着，在层叠方向上，将陶瓷基板ll、Cu-P系钎料24、Ti箱25、铜板22、接合材27及 A1板23进行加压(压力1~35kgf/cm2)的状态下，装入至真空加热炉内并进行加热（加热处 理工序S03)。在第一实施方式中，真空加热炉内的压力被设定在l(T 6Pa以上且l(T3Pa以下的 范围内，加热温度被设定在600°C以上且650°C以下的范围内，保持时间被设定在30分钟以 上且360分钟以下的范围内。
[0078]通过以上的工序S01~S03,制造作为第一实施方式的功率模块用基板10。
[0079]接着，在功率模块用基板10的金属层13的另一个面侧接合散热器51(散热器接合 工序S04)。
[0080]经由钎料28层叠功率模块用基板10与散热器51，在层叠方向上进行加压且装入至 真空炉内并进行钎焊。由此，接合功率模块用基板10的金属层13与散热器51的顶板部52。此 时，作为钎料28，例如可使用厚度20~11(^111的41-51系钎料箱（例如41-10质量％51钎料 箱），钎焊温度设定为低于加热处理工序S03中的温度条件的温度。
[0081]接着，通过焊接，在功率模块用基板10的电路层12的一个面接合半导体元件3(半 导体元件搭载工序S05)。
[0082] 通过以上的工序SO 1~S05，制造出图1所示的功率模块1。
[0083]在此，在加热处理工序S03中，在陶瓷基板11与铜板22的接合界面，Ti箱25的Ti、 Cu-P系钎料24的P、及存在于陶瓷基板11或Cu-P系钎料24等的氧进行反应，而形成有包含P 的活性元素氧化物层30(Ti-0层）。另外，作为存在于陶瓷基板11或Cu-P系钎料24等的氧，例 如可举出存在于陶瓷基板11的表面的氧化物、包含于Ti箱25或Cu-P系钎料24的氧化物等。
[0084]根据如上构成的第一实施方式的铜-陶瓷接合体(功率模块用基板10)，由于经由 Cu-P系钎料24及Ti箱25，接合由无氧铜构成的铜板22 (电路层12)与由A1N构成的陶瓷基板 11，且在陶瓷基板11与铜板22(电路层12)的接合界面形成有活性元素氧化物层30(Ti-0 层），因此坚固地接合陶瓷基板11与电路层12。
[0085]第一实施方式中，由于活性元素氧化物层30(Ti-0层）的厚度t被设为5nm以上，因 此可靠地接合陶瓷基板11与铜板22(电路层12)，能够确保它们的接合强度。另一方面，由于 活性元素氧化物层30(Ti-0层)的厚度t被设为220nm以下，因此可抑制由于冷热循环负载时 的热应力在陶瓷部件11产生破裂的现象。
[0086]另外，为了起到上述的作用效果，优选将活性元素氧化物层30(Ti-0层)的厚度t设 为10nm以上且220nm以下。
[0087]并且，活性元素氧化物层30中的活性元素(第一实施方式中Ti)的浓度被设在35原 子％~70原子％的范围内。另外，这里的活性元素的浓度是将活性元素（第一实施方式中 Ti)、P及0的合计量设为100时的浓度。
[0088]而且，第一实施方式中，由于使用Cu-P系钎料24而接合，因此Cu-P系钎料24的P与 Ti箱25的Ti进行反应，而且通过与氧进行反应，从而可靠地形成有含有P的活性元素氧化物 层30(Ti-0层）。由此，能够可靠地接合陶瓷基板11与铜板22(电路层12)。即，通过容易与活 性元素 Ti进行反应，并且，使容易与氧进行反应的元素 P夹杂在界面，从而促进上述活性元 素氧化物层30(Ti-0层)的形成，即使在低温的条件下也能够可靠地接合陶瓷基板11与铜板 22〇
[0089] 并且，在夹杂Ti，且高温保持由A1N构成的陶瓷基板11与铜板22时（例如，790°C~ 850°C)，陶瓷基板11中的氮与Ti进行反应，形成有TiN，但第一实施方式中，由于在加热处理 工序S03中设为低温的条件(600°C以上且650°C以下的范围），因此未形成有TiN而形成活性 元素氧化物层30(Ti-0层）。
[0090] 而且，第一实施方式中，如上述，由于能够以低温的条件接合陶瓷基板11与铜板 22,因此第一实施方式中，在加热处理工序S03中，同时接合陶瓷基板11与铜板22及陶瓷基 板11与错板23。因而，能够大幅提尚功率_旲块用基板10的制造效率，且减少制造成本。并且， 由于在陶瓷基板11的两个面同时接合铜板22及铝板23,因此可抑制接合时的陶瓷基板11的 翘曲的产生。
[0091] [第二实施方式]
[0092]以下，参考附图，对本发明的第1方式所涉及的第二实施方式进行说明。
[0093] 本发明的第二实施方式所涉及的铜-陶瓷接合体与第一实施方式同样地被设为， 通过接合作为由氮化物陶瓷构成的陶瓷部件的陶瓷基板11与作为由铜或铜合金构成的铜 部件的铜板22(电路层12)而构成的功率模块用基板，图1所示的功率模块用基板中，陶瓷基 板11与铜板22(电路层12)的接合界面的结构不同。
[0094] 图5中示出本发明的第二实施方式中的陶瓷基板11与铜板22(电路层12)的接合界 面的结构。
[0095] 在第二实施方式中，如图5所示，陶瓷基板11与电路层12(铜板22)的接合界面层叠 配置有包含活性元素与氧的活性元素氧化物层130与Cu-Al共晶层131。即，在活性元素氧化 物层130与铜板22(电路层12)之间形成有Cu-Al共晶层131。
[0096] 在此，第二实施方式中，活性元素氧化物层130的厚度t被设在5nm以上且220nm以 下的范围内，优选在l〇nm以上且220nm以下的范围内，更优选在10nm以上且50nm以下的范围 内。并且，在第二实施方式中，作为活性元素而具有Ti，上述活性元素氧化物层130被设为包 含Ti与氧的Ti-Ο层。
[0097] 并且，第二实施方式中，优选Cu-Al共晶层131的厚度te在ΙΟμπι以上且60μπι以下的 范围内，更优选在lOwn以上且30μηι以下的范围内。另外，在Cu-Al共晶层131中，在活性元素 氧化物层130侧可以具备活性元素(第二实施方式中Ti)浓化了的活性元素浓化层131a。
[0098]活性元素氧化物层130中的活性元素的浓度被设在35原子％~70原子％的范围 内。
[0099] Cu-Al共晶层是指将组成合计Cu浓度与A1浓度为100原子％时的Cu浓度为60原 子％~90原子％的部位。
[0100]优选活性元素浓化层131a中的活性元素的浓度在40原子％~60原子％的范围内， 更优选在50原子％~60原子％的范围内。优选活性元素浓化层13la的厚度在10nm以上且 200nm以下的范围内，更优选在10nm以上且50nm以下的范围内。
[0101] 以与第一实施方式的活性元素氧化物层30的活性元素的浓度及厚度相同的方法 测定活性元素氧化物层130的活性元素的浓度及厚度。
[0102] 关于CU-A1共晶层的厚度，使用透射电子显微镜附带的EDS，测定5处将组成合计Cu 浓度与A1浓度为100原子％时的Cu浓度为60原子％~90原子％的部位的厚度，并求出该平 均值。
[0103] 使用透射电子显微镜附带的m)S测定活性元素浓化层131a的组成。
[0104] 作为第二实施方式的功率模块用基板的制造方法相对于第一实施方式中的功率 模块用基板的制造方法，在代替Cu-P系钎料24,使用Cu-Al系钎料的这一点上不同。
[0105]第二实施方式中，作为Cu-Al系钎料，使用以45质量％以上且95质量％以下的范围 包含A1的Cu-Al系钎料。而且，优选Cu-Al系钎料的厚度被设在5μπι以上且50μπι以下的范围。 [0106]另外，希望接合时的加热温度设为580°C以上且650°C以下。
[0107] 在第二实施方式中，使用包含A1的Cu-Al系钎料而接合陶瓷基板11与电路层12(铜 板22)，该Cu-Al系钎料中的A1与Cu进行共晶反应，由此在低温条件下产生液相，形成上述 Cu_Al共晶层131。
[0108] 根据如上构成的第二实施方式的铜-陶瓷接合体(功率模块用基板），在陶瓷基板 11与铜板22(电路层12)的接合界面形成有活性元素氧化物层130(Ti-0层），因此坚固地接 合陶瓷基板11与电路层12。
[0109]并且，由于活性元素氧化物层130与铜板22(电路层12)之间形成有CU-A1共晶层 131，因此通过共晶反应，在低温条件下产生液相，能够可靠地接合陶瓷基板11与电路层12。 [0110]在此，由于Cu-Al共晶层131的厚度te被设为ΙΟμπι以上，因此如上所述充分形成液 相，并能够可靠地接合陶瓷基板11与电路层12。并且，由于Cu-Al共晶层131的厚度t e被设为 60μπι以下，因此能够抑制接合界面附近变脆，并能够确保较高的冷热循环可靠性。
[0111] 以上，对本发明的第1方式所涉及的第一实施方式及第二实施方式进行了说明，但 本发明并不限定于此，在不脱离该发明的技术思想的范围，可进行适当的变更。
[0112] 例如，将接合作为铜部件的铜板（电路层)与作为陶瓷部件的陶瓷基板的功率模块 用基板为例进行了说明，但并不限定于此，只要是接合由铜或铜合金构成的铜部件与由氮 化物陶瓷构成的陶瓷部件的铜-陶瓷接合体即可。
[0113] 并且，对通过接合铜板而形成电路层的例子进行了说明，但并不限定于此，也可以 通过接合铜板而形成金属层。
[0114] 而且，将铜板作为无氧铜或韧铜的乳制板进行了说明，但并不限定于此，也可以由 其他的铜或铜合金构成。
[0115] 并且，将构成金属层的铝板作为纯度99.99质量％的纯铝板的乳制板进行了说明， 但并不限定于此，也可以由纯度99质量％的铝(2Ν错)等、其他的铝或铝合金构成。
[0116] 而且，金属层并不限定于由铝板构成，也可以由其他的金属构成。
[0117] 并且，作为氮化物陶瓷，将Α1Ν为例进行了说明，但并不限定于此，也可适用Si3N4等 其他的氮化物陶瓷。
[0118] 而且，作为活性元素，将Ti为例进行了说明，但并不限定于此，可适用Zr、Hf及Nb等 其他活性元素。
[0119] 并且，本发明的第一实施方式及第二实施方式中，对作为形成于接合界面的活性 元素氧化物层中含有P的例子进行了说明，但并不限定于此。
[0120]而且，本发明的第一实施方式及第二实施方式中，对使用Cu-P-Sn-Ni系钎料及Cu-A1系钎料而接合陶瓷基板与铜板的例子进行了说明，但并不限定于此，也可以使用其他钎 料。
[0121] 并且，本发明的第一实施方式及第二实施方式中，对在陶瓷基板与铜板之间夹杂 Cu-P-Sn-Ni系钎料及Cu-Al系钎料、Ti箱的例子进行了说明，但并不限定于此，可以夹杂Cu-P-Sn-Ni浆料及Cu-Al浆料、Ti浆料等。
[0122] 并且，上述第一实施方式及第二实施方式中，对夹杂Ti箱的例子进行了说明，但不 限于此而可使用氢化Ti。此时，可使用直接夹杂氢化Ti的粉末的方法或涂布氢化Ti浆料的 方法。并且，不仅是氢化Ti，也可使用Zr、Hf及Nb等其他活性元素的氢化物。
[0123] 而且，散热器并不限定于以本发明的第一实施方式及第二实施方式例示的例子， 散热器的结构并无特别限定。
[0124] 并且，散热器的顶板部或散热板与金属层之间可以设置由铝或铝合金、或者包含 铝的复合材(例如AlSiC等)构成的缓冲层。
[0125] [第2方式]
[0126] [第三实施方式]
[0127] 以下，参考附图，对本发明的第2方式所涉及的第三实施方式进行说明。
[0128] 在具有与第一实施方式相同的结构的部件中，使用相同的符号，并省略详细的说 明。
[0129] 第三实施方式所涉及的铜-陶瓷接合体被设为，通过接合作为由氧化铝构成的陶 瓷部件的陶瓷基板211与作为由铜或铜合金构成的铜部件的铜板22(电路层12)而构成的功 率模块用基板210。
[0130] 图8中示出作为本发明的第三实施方式的功率模块用基板210及使用该功率模块 用基板210的功率模块201。
[0131] 该功率模块201具备功率模块用基板210、经由焊锡层2接合在该功率模块用基板 210的一侧（图8中的上侧)面的半导体元件3、及配置于功率模块用基板210的另一侧（图8中 的下侧)的散热器51。
[0132] 焊锡层2中，可使用与第一实施方式相同的焊锡材料。
[0133] 功率模块用基板210具备陶瓷基板211、配设于该陶瓷基板211的一个面（图8中的 上表面)的电路层12、及配设于陶瓷基板211的另一个面(图8中的下表面)的金属层13。
[0134] 陶瓷基板211用于防止电路层12与金属层13之间的电连接，第三实施方式的陶瓷 基板211由作为氧化铝的1种的98%的氧化铝(Al 2〇3纯度为98质量％以上）构成。在此，优选 陶瓷基板211的厚度被设定在0.2~1.5mm的范围内，在第三实施方式中，被设定为0.38mm。
[0135] 如图10所示，在陶瓷基板211的一个面，通过接合由铜或铜合金构成的铜板22而形 成电路层12。在第三实施方式中，电路层12具有与第一实施方式的电路层12相同的结构(材 料、使用法、厚度等）。
[0136] 如图10所示，在陶瓷基板211的另一个面，通过接合铝板23而形成有金属层13。在 第三实施方式中，通过由纯度为99.99质量％以上的铝(所谓的4N铝）的乳制板构成的铝板 23接合于陶瓷基板211而形成金属层13。
[0137] 另外，该第三实施方式的铝板23具有与第一实施方式的铝板23相同的结构（屈服 强度、厚度等）。
[0138] 散热器51用于冷却前述的功率模块用基板210，除了功率模块用基板10为功率模 块用基板210以外，具有与第一实施方式的散热器51相同的结构(结构、材料、功率模块用基 板与金属层13的接合方法等）。
[0139] 在此，如图9所示，在陶瓷基板211与电路层12(铜板22)的接合界面，形成有包含活 性元素、氧及磷的活性元素氧化物层230。第三实施方式中，该活性元素氧化物层230的厚度 t被设在5nm以上且220nm以下的范围内。优选活性元素氧化物层230的厚度t为10nm以上且 220nm以下，更优选为10nm以上且50nm以下。
[0140]在第三实施方式中，作为活性元素具有Ti，上述活性元素氧化物层230被设为包含 Ti、氧(0)及磷(P)的 Ti-p-o 层。
[0141]另外，作为活性元素使用Zr时，活性元素氧化物层230被设为Zr-p-o层，使用Nb时 被设为Nb-Ρ-Ο层，使用Hf时被设为Hf-Ρ-Ο层。
[0142] 活性元素氧化物层230中的活性元素的浓度被设在35原子％~70原子％的范围 内。另外，这里的活性元素的浓度是将活性元素、P及〇的合计量设为100时的浓度。
[0143] 并且，在第三实施方式中，优选活性元素氧化物层230中的P的含量被设在1.5质 量％以上且10质量％以下的范围内，更优选为3质量％以上且8质量％以下的范围内。另外， 这里的P的含量是将活性元素、P及〇的合计量设为100时的含量。
[0144] 由于P的含量被设为1.5质量％以上，因此能够可靠地形成活性元素氧化物层230， 并能够可靠地接合陶瓷基板211与电路层12。并且，P的含量被设为10质量％以上，因此活性 元素氧化物层230不会过度变硬，例如可减轻由冷热循环负载时的热应力引起的对陶瓷基 板的负载，并能够防止接合界面的可靠性的降低。
[0145] 以与第一实施方式的活性元素氧化物层30的活性元素的浓度及厚度、和P含量相 同的方法测定活性元素氧化物层230的活性元素的浓度及厚度、和P含量。
[0146] 接着，参考图3及图10,对作为上述第三实施方式的功率模块用基板210的制造方 法进行说明。
[0147] 首先，如图10所示，在陶瓷基板211的一个面（图10中的上表面)依次层叠 Cu-P系钎 料224、Ti箱225及成为电路层12的铜板22(第1层叠工序S01)，且在陶瓷基板211的另一个面 (图10中的下表面)经由接合材27依次层叠成为金属层13的A1板23(第2层叠工序S02)。
[0148] 在此，第三实施方式中，作为Cu-P系钎料224,以3质量％以上且10质量％以下的范 围包含P，并且，以7质量％以上且50质量％以下的范围包含作为低熔点元素的Sn，而且，优 选使用以2质量％以上且15质量％以下的范围包含Ni的Cu-P-Sn-Ni钎料。而且，优选Cu-P系 钎料224的厚度设在5μπι以上且50μπι以下的范围。
[0149] 作为Cu-P系钎料224,另外可使用Cu-P-Zn钎料等。
[0150] 并且，在第三实施方式中，优选Ti箱225的厚度被设在0.5μπι以上且25μπι以下的范 围内，第三实施方式中使用厚度12μι的Ti箱。
[0151] 而且，第三实施方式中，作为将铝板23接合于陶瓷基板211的接合材27,优选使用 含有作为熔点下降元素的Si的Al-Si系钎料(例如A1-7.5质量％ Si钎料）。作为接合材27,另 外可使用与第一实施方式举出的钎料相同的钎料。
[0152] 接着，在层叠方向上，将陶瓷基板211、〇1-?系钎料224、1^箱225、铜板22、接合材 27、A1板23进行加压(压力1~35kgf/cm 2)的状态下，装入至真空加热炉内并进行加热（加热 处理工序S03)。在第三实施方式中，真空加热炉内的压力被设定在l(T 6Pa以上且l(T3Pa以下 的范围内，加热温度被设定在600 °C以上且650 °C以下的范围内，保持时间被设定在30分钟 以上且360分钟以下的范围内。
[0153] 通过以上的工序S01~S03,制造作为第三实施方式的功率模块用基板210。
[0154]接着，在功率模块用基板210的金属层13的另一个面侧接合散热器51(散热器接合 工序S04)。
[0155]经由钎料28层叠功率模块用基板210与散热器51，在层叠方向上进行加压且装入 至真空炉内并进行钎焊。由此，接合功率模块用基板210的金属层13与散热器51的顶板部 52。此时，作为钎料28,例如可使用厚度20~ΙΙΟμπι的Al-Si系钎料箱(例如A1-10质量％Si钎 料箱），钎焊温度设定为低于加热处理工序S03中的温度条件的温度。
[0156]接着，通过焊接，在功率模块用基板210的电路层12的一个面接合半导体元件3(半 导体元件搭载工序S05)。
[0157] 通过以上的工序S01~S05,制造出图8所示的功率模块201。
[0158] 在此，在加热处理工序S03中，在陶瓷基板211与铜板22的接合界面，Ti箱225的Ti、 Cu-P系钎料224的P、及存在于陶瓷基板211或Cu-P系钎料224等的氧进行反应，而形成有包 含P的活性元素氧化物层30(Ti-P-0层）。作为存在于陶瓷基板211或Cu-P系钎料224等的氧， 例如可举出存在于陶瓷基板211的表面的氧化物、包含于Ti箱225或Cu-P系钎料224的氧化 物等。另外，第三实施方式中，在低温的条件下实施加热处理工序S03,因此可抑制构成陶瓷 基板211的氧化铝的分解，并抑制来自氧化铝的氧的供给，且较薄地形成活性金属氧化物层 230〇
[0159]根据如上构成的第三实施方式的铜-陶瓷接合体(功率模块用基板210)，经由Cu-P 系钎料224及Ti箱225,接合由无氧铜构成的铜板22(电路层12)与由氧化铝构成的陶瓷基板 211，且在陶瓷基板211与铜板22(电路层12)的接合界面形成有活性元素氧化物层230(Ti-P-0层），因此坚固地接合陶瓷基板211与电路层12。
[0160]第三实施方式中，活性元素氧化物层230(Ti-P-0层）的厚度t被设为5nm以上，因此 能够可靠地接合陶瓷基板211与铜板22(电路层12)，确保它们的接合强度。另一方面，活性 元素氧化物层230(Ti-P-0层）的厚度t被设为220nm以下，因此可抑制由于冷热循环负载时 的热应力在陶瓷部件211产生破裂的现象。
[0161]另外，为了起到上述作用效果，优选活性元素氧化物层230(Ti-P-0层）的厚度t设 为10nm以上且220nm以下。
[0162] 而且，第三实施方式中，使用Cu-P系钎料224而接合，因此通过Cu-P系钎料224的P 与Ti箱225的Ti进行反应，而且与氧进行反应，从而可靠地形成有含有P的活性元素氧化物 层230(Ti-P-0层）。
[0163] 由此，能够可靠地接合陶瓷基板211与铜板22(电路层12)。即，通过容易与活性元 素 Ti进行反应，并且，使容易与氧进行反应的元素 P夹杂在界面，从而促进上述活性元素氧 化物层230(Ti-P-0层)的形成，即使在低温的条件下也能够可靠地接合陶瓷基板211与铜板 22〇
[0164] 并且，在夹杂Ti，且高温保持由氧化铝构成的陶瓷基板211与铜板22时(例如790 °C ~850°C)，陶瓷基板211中的氧与Ti进行反应，形成有较厚的Ti氧化物层，但第三实施方式 中，由于在加热处理工序S03设为低温的条件(600°C以上且650°C以下的范围），因此较薄地 形成上述活性元素氧化物层230(Ti-P-0层）。
[0165] 而且，第三实施方式中，如上述，能够以低温的条件接合陶瓷基板211与铜板22,因 此第三实施方式中，在加热处理工序S03,同时接合陶瓷基板211与铜板22及陶瓷基板211与 错板23。因而，能够大幅提尚功率_旲块用基板210的制造效率，且减少制造成本。并且，在陶 瓷基板211的两个面同时接合铜板22及铝板23,因此可抑制接合时的陶瓷基板211的翘曲的 产生。
[0166] 以上，对第三实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离该发明的技 术思想的范围，可进行适当的变更。
[0167] 例如，将接合作为铜部件的铜板（电路层)与作为陶瓷部件的陶瓷基板的功率模块 用基板为例进行了说明，但并不限定于此，只要是接合由铜或铜合金构成的铜部件与由氧 化铝构成的陶瓷部件接合的铜-陶瓷接合体即可。
[0168] 并且，对通过接合铜板而形成电路层的例子进行了说明，但并不限定于此，也可以 通过接合铜板而形成金属层。
[0169] 而且，将铜板作为无氧铜或韧铜的乳制板进行了说明，但并不限定于此，也可以由 其他的铜或铜合金构成。
[0170] 并且，将构成金属层的铝板作为纯度99.99质量％以上的纯铝的乳制板进行了说 明，但并不限定于此，也可以由纯度99质量％以上的铝(2N错)等、其他的铝或铝合金构成。 [0171]而且，金属层并不限定于由铝板构成，也可以由其他的金属构成。
[0172] 并且，作为氮化物陶瓷，将98%的氧化铝(Al2〇3纯度为98质量％以上)为例进行了 说明，但并不限定于此，也可以适用92%的氧化铝(Al 2〇3纯度为92质量％以上）、96%的氧化 铝(Al2〇3纯度为96质量％以上)及氧化锆强化氧化铝等其他的氧化铝。
[0173] 而且，作为活性元素，将Ti为例进行了说明，但并不限定于此，也可以适用Zr、Hf等 其他活性元素。
[0174]而且，第三实施方式中，对使用Cu-P-Sn-Ni系钎料作为接合陶瓷基板与铜板的例 子进行了说明，但并不限定于此，也可以使用其他钎料。
[0175] 并且，第三实施方式中，对在陶瓷基板与铜板之间夹杂Cu-P-Sn-Ni系钎料、Ti箱的 例子进行了说明，但并不限定于此，可以夹杂Cu-P-Sn-Ni楽;料、Ti楽;料等。
[0176] 而且，散热器并不限定于以第三实施方式例示的例子，散热器的结构并无特别限 定。
[0177]并且，散热器的顶板部或散热板与金属层之间可以设置由铝或铝合金、或者包含 铝的复合材(例如AlSiC等)构成的缓冲层。
[0178] 实施例
[0179] 以下，对为了确认本发明的第一实施方式及第二实施方式的有效性而进行的确认 实验进行说明。
[0180] <实施例1>
[0181] 使用表1所示的陶瓷基板、钎料、活性元素、铜板，而形成铜-陶瓷接合体(功率模块 用基板）。
[0182] 若进行详述，在40mm见方且厚度0.635mm的陶瓷基板的一个面及另一个面，夹杂表 1所示的钎料及活性元素，层叠38mm见方的厚度0.3mm的铜板(无氧铜的乳制板），在层叠方 向上以压力6kgf/cm 2进行加压的状态下，将这些装入至真空加热炉内（真空度5 X l(T4Pa)， 通过进行加热制作功率模块用基板。另外，表2中示出加热处理工序的条件。
[0183] 另外，在本发明例A4中，将由Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％Ni粉末与Ti粉末 构成的浆料用作钎料及活性元素。另外，浆料的涂布厚度设为85μπι。
[0184] 对于如此得到的功率模块用基板，进行电路层(铜板)与陶瓷基板的接合界面的观 察，且评价初始接合率、冷热循环后的接合率。
[0185] (接合界面观察）
[0186] 使用透射电子显微镜（Japan Electron Optics Laboratory制JEM-2010F)观察铜 板与陶瓷基板的接合界面。
[0187] 图6中示出本发明例A1的界面观察结果及元素映射。
[0188] 关于活性元素氧化物层的厚度，以倍数20万倍观察接合界面，将活性元素的浓度 在35原子％~70原子％的范围内的部位看成活性元素氧化物层，测定并得到该厚度。另外， 关于活性元素的浓度(原子％ )，利用透射电子显微镜附带的EDS测定P浓度(原子％ )、活性 元素浓度（原子％)及0浓度（原子％ )，其设为将P浓度、活性元素浓度及0浓度的合计设为 100时的活性元素的浓度。活性元素氧化物层的厚度设为5个视场的平均值。
[0189] 关于Ρ浓度(质量％ )，利用透射电子显微镜附带的EDS测定活性元素氧化物层中的 P浓度(质量％)、Ti浓度(质量％ )及0浓度(质量％)，计算将P浓度、Ti浓度及0浓度的合计设 为100时的P浓度，并作为活性元素氧化物层中的P浓度。并且，关于P浓度，将测定点设为5个 点，并取该平均值。
[0190] 表2中示出结果。
[0191] (冷热循环试验）
[0192] 冷热循环试验使用冷热冲击试验机ESTOC制TSB-51，对功率模块用基板，以液相 (电子氟化液)实施了_40°C X5分钟<-->150°C X5分钟的2000次循环。
[0193] (接合率）
[0194] 使用超声波探伤装置，利用以下公式求出铜板与陶瓷基板的接合率。在此，初始接 合面积是指接合前的应接合的面积，即设为铜板的面积。在超声波探伤装置中剥离以接合 部内的白色部分表示，因此将该白色部分的面积设为剥离面积。
[0195] (接合率）= {(初始接合面积)_(剥离面积）}/(初始接合面积）

[0198] 使用Ag-Cu-Ti钎料，在低温条件下接合铜板与陶瓷基板的现有例A1中，未能接合。
[0199] 活性元素氧化物层的厚度被设为小于5nm的比较例A1中，初始接合率较低，且接合 不充分。
[0200] 活性元素氧化物层的厚度超过220nm的比较例A2中，冷热循环后在陶瓷基板产生 破裂。可推测是在接合界面较厚地形成了活性元素氧化物层，因此施加在陶瓷基板的热应 力增加。
[0201] 相对于此，在活性元素氧化物层的厚度被设为5nm以上且220nm以下的本发明例 A1-本发明例A13中，即使在较低温的条件下，初始接合率较高，且可靠地接合了陶瓷基板与 铜板。并且，冷热循环后的接合率较高，且提高了接合可靠性。
[0202] <实施例2>
[0203] 使用表3所示的陶瓷基板、钎料、活性元素、铜板，而形成铜-陶瓷接合体(功率模块 用基板）。
[0204] 若进行详述，在40mm见方且厚度0.635mm的陶瓷基板的一个面及另一个面，夹杂表 1所示的钎料及活性元素，层叠38mm见方的厚度0.3mm的铜板(无氧铜的乳制板），在层叠方 向上以压力6kgf/cm 2进行加压的状态下，将这些装入至真空加热炉内（真空度5 X l(T4Pa)， 通过进行加热制作功率模块用基板。另外，表4中示出加热处理工序的条件。
[0205]对于如此得到的功率模块用基板，进行电路层(铜板)与陶瓷基板的接合界面的观 察，且评价初始接合率、冷热循环后的接合率。评价方法与实施例1相同。
[0206]另外，接合界面观察中，使用透射电子显微镜附带的EDS实施了活性元素氧化物层 的厚度与Cu-Al共晶层的厚度及组成分析。
[0207] 关于Cu-Al共晶层，将组成合计Cu浓度与A1浓度为100原子％时的Cu浓度为60原 子％~90原子％的部位看成Cu-Al共晶层，并测定该厚度。
[0208] 另外，Cu-Al共晶层的组成将测定点设为5个点，并取该平均值。图7中示出观察结 果。并且，表4中示出评价结果。

[0211]在使用Cu-Al系钎料，活性元素氧化物层的厚度被设为5nm以上且220nm以下的本 发明例A14-本发明例A22中，即使在较低温的条件下，初始接合率较高，且可靠地接合了陶 瓷基板与铜板。尤其，在Cu-Al共晶层的厚度被设为ΙΟμπι以上且60μπι以下的本发明例A15-本 发明例Α17及本发明例Α19-本发明例Α22中，得到了冷热循环后的接合率较高，且接合可靠 性较高的功率模块用基板。
[0212] 由以上结果可知，根据本发明，可确认到由铜或铜合金构成的铜部件与由氮化物 陶瓷构成的陶瓷部件即使在低温的条件下，也能够提供可靠地接合的铜-陶瓷接合体(功率 模块用基板）。
[0213] <实施例3>
[0214] 对为了确认本发明的第三实施方式的有效性而进行的确认实验进行说明。
[0215] 使用表5所示的陶瓷基板(MARUWA公司制）、钎料、活性元素、铜板，而形成铜-陶瓷 接合体(功率模块用基板）。
[0216] 若进行详述，在40mm见方且厚度0.38mm的陶瓷基板的一个面及另一个面，夹杂表5 所示的钎料及活性元素，层叠 38_见方的厚度0.3mm的铜板(无氧铜的乳制板），在层叠方向 上以压力7kgf/cm2进行加压的状态下，将这些装入至真空加热炉内（真空度5 X l(T4Pa)，通 过进行加热制作功率模块用基板。另外，表6中示出加热处理工序的条件。
[0217]另外，在本发明例Μ中，将由Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％Ni粉末与Ti粉末 构成的浆料用作钎料及活性元素。另外，浆料的涂布厚度设为80μπι。
[0218]对于如此得到的功率模块用基板，进行电路层(铜板)与陶瓷基板的接合界面的观 察，且评价初始接合率、冷热循环后的接合率。表6的接合界面所示的各层为活性元素氧化 物层。评价方法与实施例1相同。
[0219] 表6中示出评价结果。图11中示出本发明例Β2的界面观察结果。

[0222]在使用Ag-Cu-Ti钎料，在低温的条件下接合铜板与陶瓷基板的现有例B1中，未能 接合。
[0223] 活性元素氧化物层的厚度被设为小于5nm的比较例B1中，初始接合率较低，且接合 不充分。
[0224] 活性元素氧化物层的厚度超过220nm的比较例B2中，冷热循环后在陶瓷基板产生 破裂。可推测是在接合界面较厚地形成了活性元素氧化物层，因此施加在陶瓷基板的热应 力增加。
[0225] 相对于此，在活性元素氧化物层的厚度被设为5nm以上且220nm以下的本发明例 B1-本发明例B11中，即使在较低温的条件下，初始接合率较高，且可靠地接合了陶瓷基板与 铜板。并且，活性元素氧化物层中的磷浓度在1.5质量％以上且10质量％以下的范围内的本 发明例B1-B6及B9-B11中，冷热循环后的接合率高至90%以上，且提高了接合可靠性。
[0226] 由以上结果可知，根据本发明，可确认到由铜或铜合金构成的铜部件与由氧化铝 构成的陶瓷部件即使在低温的条件下，也能够提供可靠地接合的铜-陶瓷接合体(功率模块 用基板）。
[0227] 符号说明
[0228] 10、210_功率模块用基板，11、211_陶瓷基板，12-电路层，13-金属层，22-铜板，24、 224-Cu-P系钎料，25、225-Ti箱，30、130、230-活性元素氧化物层，131-Cu-Al共晶层。
【主权项】
1. 一种铜-陶瓷接合体，其接合由铜或铜合金构成的铜部件与由氮化物陶瓷构成的陶 瓷部件而成，该铜-陶瓷接合体的特征在于， 在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，形成有含有活性元素和氧的活性元素氧化 物层， 该活性元素氧化物层的厚度被设在5nm以上且220nm以下的范围内。2. 根据权利要求1所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于， 所述活性元素氧化物层含有P。3. 根据权利要求1或2所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于， 在所述活性元素氧化物层与所述铜部件之间形成有Cu-Al共晶层。4. 一种功率模块用基板，其在由氮化物陶瓷构成的陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金 构成的铜板，该功率模块用基板的特征在于， 由权利要求1至3中任一项所述的铜-陶瓷接合体构成。5. -种铜-陶瓷接合体，其接合由铜或铜合金构成的铜部件与由氧化铝构成的陶瓷部 件而成，该铜-陶瓷接合体的特征在于， 在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，形成有含有活性元素、氧及磷的活性元素 氧化物层， 该活性元素氧化物层的厚度被设在5nm以上且220nm以下的范围内。6. 根据权利要求5所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于， 所述活性元素氧化物层中的磷浓度被设在1.5质量％以上且10质量％以下的范围内。7. -种功率模块用基板，其在由氧化铝构成的陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金构成 的铜板而成，该功率模块用基板的特征在于， 由权利要求5或6所述的铜-陶瓷接合体构成。
【文档编号】C04B37/02GK105980334SQ201580008014
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年2月12日
【发明人】寺崎伸幸, 长友义幸
【申请人】三菱综合材料株式会社