接合体及功率模块用基板的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种陶瓷部件与化部件接合而成的接合体及在陶瓷基板的其中一个 面形成有电路层的功率模块用基板。
[0002] 本申请主张基于2013年8月26日申请的日本专利申请第2013-175001号及2014 年7月15日申请的日本专利申请第2014-145115的优先权，并将所有内容援用于本说明书 中。
【背景技术】
[0003] L邸或功率模块等半导体装置具备在由导电材料构成的电路层上接合有半导体元 件的结构。
[0004] 用于控制风力发电、电动汽车等电动车辆等而使用的大功率控制用功率半导体元 件的发热量较多。因此，作为搭载运种功率半导体元件的基板，至今W来广泛使用例如在由 AlN(氮化侣）等构成的陶瓷基板的其中一个面接合导电性优异的金属板W作为电路层的 功率模块用基板。并且，也有在陶瓷基板的另一个面接合金属板W作为金属层。
[0005] 例如，专利文献1所示的功率模块用基板结构如下，即在陶瓷基板（陶瓷部件）的 其中一个面接合Cu板（Cu部件）来形成电路层。该功率模块用基板中，在陶瓷基板的其中 一个面夹着化-Mg-Ti针料配置化板的状态下进行加热处理，从而接合化板。
[0006] 专利文献1 :日本专利第4375730号公报
[0007] 然而，如专利文献1中所公开的那样，若通过化-Mg-Ti针料将陶瓷基板与化板接 合，则在陶瓷基板的附近形成包含化、Mg或Ti的金属间化合物。
[0008] 由于形成在该陶瓷基板附近的金属间化合物较硬，因此存在当功率模块用基板受 到冷热循环时，使得在陶瓷基板产生的热应力变大，从而存在容易在陶瓷基板产生裂纹的 问题。
[0009] 并且，若接合陶瓷基板与电路层时在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间化合物， 则有可能使陶瓷基板与电路层的接合率下降，有可能无法将它们良好地接合。
【发明内容】
[0010] 本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够良好地接合陶瓷部件 与化部件，并且能够在受到冷热循环时抑制在陶瓷部件产生裂纹的接合体及功率模块用 基板。
[0011] 为解决上述课题，本发明的第一方式所设及的接合体，由陶瓷构成的陶瓷部件与 由化或化合金构成的化部件通过化-P-Sn系针料及Ti材接合而成，在所述陶瓷部件与 所述化部件的接合界面形成有：位于所述陶瓷部件侧且Sn固溶于化中的化-Sn层；及位 于所述化部件与所述化-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。
[0012] 根据本发明的第一方式所设及的接合体，在陶瓷部件与化部件的接合界面， 化-P-Sn系针料中所含的P进入到形成于化部件侧的金属间化合物层中。由此，在陶瓷部 件侧形成不具有含P的金属间化合物或含P的金属间化合物极少的Cu-Sn层。目P，由于没 有在陶瓷部件的附近形成较硬的金属间化合物，因此能够减少受到冷热循环时在陶瓷部件 产生的热应力。其结果，能够抑制在陶瓷部件产生裂纹。
[0013] 并且，在陶瓷部件与化部件的接合界面，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的 金属间化合物，因此可提高陶瓷部件与化部件的接合率，且陶瓷部件与化部件被良好地接 厶 1=1 O
[0014] 并且，优选所述金属间化合物层形成于自所述陶瓷部件与所述化-Sn层的界面距 离0. 1JimW上100JimW下的范围内。
[0015] 此时，由于金属间化合物层形成于自陶瓷部件与化-Sn层的界面距离0. 1ymW上 IOOymW下的范围内，因此不会在陶瓷部件的附近形成较硬的金属间化合物，且即便受到 冷热循环也能够可靠地抑制在陶瓷部件产生裂纹。并且，如上所述，由于没有在陶瓷部件的 附近形成较硬的金属间化合物，因此能够可靠地提高陶瓷部件与化部件的接合率。
[0016] 本发明的第二方式所设及的功率模块用基板由上述接合体构成，且所述功率模 块用基板具备：陶瓷基板，由所述陶瓷部件构成；及电路层，在该陶瓷基板的第一面通过 化-p-ai系针料接合由所述化部件构成的化板而成，在所述陶瓷基板与所述电路层的接合 界面形成有：位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于化中的化-Sn层；及位于所述电路层与所述 化-Sn层之间且含P及Ti的金属间化合物层。
[0017] 根据本发明的第二方式所设及的功率模块用基板，在陶瓷基板与电路层的接合界 面，化-P-Sn系针料中所含的P进入到形成于电路层侧的金属间化合物层中。由此，在陶瓷 基板侧形成不具有含P的金属间化合物或含P的金属间化合物极少的化-Sn层。目P，由于 没有在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间化合物，因此能够减少受到冷热循环时在陶瓷基 板产生的热应力。其结果，能够抑制在陶瓷基板产生裂纹。
[0018] 并且，在陶瓷基板与电路层的接合界面，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的 金属间化合物，因此可提高陶瓷基板与电路层的接合率，且陶瓷基板与电路层被良好地接 合。
[0019] 并且，在本发明的第二方式所设及的功率模块用基板中，优选在所述陶瓷基板的 第二面形成有金属层。
[0020] 此时，由于在陶瓷基板的第二面形成有金属层，因此能够通过金属层有效地散发 陶瓷基板侧的热量。
[0021] 并且，优选如下：所述金属层在所述陶瓷基板的第二面通过化-P-Sn系针料及Ti 材接合由化或化合金构成的化板而成，在所述陶瓷基板与所述金属层的接合界面形成 有：位于所述陶瓷基板侧且Sn固溶于化中的化-Sn层；及位于所述金属层与所述化-Sn层 之间且含P及Ti的金属间化合物层。
[0022] 此时，在陶瓷基板与金属层的接合界面，化-P-Sn系针料中所含的P进入到形成于 金属层侧的金属间化合物层中。由此，在陶瓷基板侧形成有不具有含P的金属间化合物或 含P的金属间化合物极少的化-Sn层。目P，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的金属间 化合物，因此能够减少受到冷热循环时在陶瓷基板产生的热应力。其结果，能够抑制在陶瓷 基板产生裂纹。
[0023] 并且，在陶瓷基板与电路层的接合界面，由于没有在陶瓷基板的附近形成较硬的 金属间化合物，因此可提高陶瓷基板与电路层的接合率，且陶瓷基板与电路层被良好地接 厶 1=1O
[0024] 并且，所述金属层也可W由Al或Al合金构成。
[00对此时，由Al或Al合金构成的金属层的强度较低，因此受到冷热循环时，能够减少 在陶瓷基板产生的热应力。
[00%] 根据本发明，可提供一种能够良好地接合陶瓷部件与化部件，并且能够在受到冷 热循环时抑制陶瓷部件产生裂纹的接合体及功率模块用基板。
【附图说明】
[0027] 图1为使用本发明的第一实施方式所设及的功率模块用基板的功率模块的概略 说明图。
[0028] 图2为本发明的第一实施方式所设及的功率模块用基板的概略说明图。
[0029] 图3为拍摄图2所示的电路层与陶瓷基板的接合界面的截面的电子显微镜照片及 其概略图。
[0030] 图4为说明本发明的第一实施方式所设及的功率模块用基板的制造方法及功率 模块的制造方法的流程图。
[0031] 图5为本发明的第一实施方式所设及的功率模块用基板的制造方法及功率模块 的制造方法的概略说明图。
[0032] 图6为使用本发明的第二实施方式所设及的功率模块用基板的功率模块的概略 说明图。
[0033] 图7为本发明的第二实施方式所设及的功率模块用基板的概略说明图。
[0034] 图8为图7所示的金属层与陶瓷基板的接合界面的截面的概略图。
[0035] 图9为说明本发明的第二实施方式所设及的功率模块用基板的制造方法及功率 模块的制造方法的流程图。
[0036] 图10为本发明的第二实施方式所设及的功率模块用基板的制造方法及功率模块 的制造方法的概略说明图。
[0037] 图11为使用本发明的第=实施方式所设及的功率模块用基板的功率模块的概略 说明图。
[0038] 图12为本发明的第=实施方式所设及的功率模块用基板的概略说明图。
[0039] 图13为说明本发明的第=实施方式所设及的功率模块用基板的制造方法及功率 模块的制造方法的流程图。
[0040] 图14为本发明的第=实施方式所设及的功率模块用基板的制造方法及功率模块 的制造方法的概略说明图。
[0041] 图15为使用本发明的第四实施方式所设及的功率模块用基板的功率模块的概略 说明图。
[0042] 图16为拍摄本发明的第四实施方式所设及的功率模块用基板的电路层与陶瓷基 板的接合界面的截面的电子显微镜照片。
[0043] 图17为说明本发明的第四实施方式所设及的功率模块用基板的制造方法及功率 模块的制造方法的流程图。
[0044] 图18为本发明的第四实施方式所设及的功率模块用基板的制造方法及功率模块 的制造方法的概略说明图。
【具体实施方式】 柳45](第一实施方式）
[0046] W下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。首先，对本发明的第一实施方式进 行说明。
[0047] 本实施方式所设及的接合体为由陶瓷部件即陶瓷基板11与化部件即化板22 (电 路层12)接合而成的功率模块用基板10。图1示出具备本实施方式即功率模块用基板10 的功率模块1。
[0048] 该功率板块1具备：配设有电路层12的功率板块用基板10 ;及在电路层12的其 中一个面（图1中为上表面）通过接合层2而接合的半导体元件3。
[0049] 如图2所示，功率模块用基板10具备：具有第一面和第二面的陶瓷基板11 ;及配 设于该陶瓷基板11的其中一个面即第一面（图2中为上表面）的电路层12。
[0050] 陶瓷基板11由绝缘性较高的A1N(氮化侣）、Si3N4(氮化娃）、Al2〇3(氧化侣）等 陶瓷构成。在本实施方式中，陶瓷基板11由散热性优异的AlN(氮化侣）构成。并且，陶瓷 基板11的厚度被设定在0. 2~1. 5mm范围内，在本实施方式中被设定为0. 635mm。
[0051] 电路层12在陶瓷基板11的第一面通过化-P-Sn系针料及Ti材来接合具有导电 性的化或化合金的金属板（化板22)而形成。作为化板22例如可W是无氧铜、脱氧铜、 初铜等，在本实施方式中为无氧铜。并且，化板22的厚度优选被设定在0. 1~1.Omm范围， 在本实施方式中被设定为0. 6mm。 W巧作为化-P-Sn系针料，具体而言可举出化-P-Sn针料、化-P-Sn-Ni系针料、Qi-P-Sn-化系针料、化-P-Sn-Mn系针料、化-P-Sn-Cr系针料等。优选在Qi-P-Sn系针料中 含有3质量％ ^上10质量％W下的P和0. 5质量％ ^上25质量％W下的Sn。在本实施方 式中，作为化-P-Sn系针料使用化-P-Sn-Ni针料24。另外，化-P-Sn系针料的烙点为710°C W下，在本实施方式中使用的化-P-Sn-Ni针料24的烙点为580°C。另外，在本实施方式中， 将化-P-Sn系针料的固相线溫度作为烙点。
[0053] 在本实施方式中，电路层12在陶瓷基板11的第一面层叠化-P-Sn-Ni针料24、Ti 材25及由无氧铜构成的化板22的状态下，对它们进行加热处理来接合化板22而形成 (参考图5)。
[0054] 其中，在电路层12中的陶瓷基