接合体、功率模块用基板、功率模块及接合体的制造方法

接合体、功率模块用基板、功率模块及接合体的制造方法
【专利摘要】本发明的接合体为由包含Al的陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件接合而成的接合体，所述陶瓷部件与所述Cu部件之间形成有接合部，在该接合部的陶瓷部件侧形成有由包含活性金属的化合物构成的活性金属化合物区域，从该活性金属化合物区域的成为所述Cu部件侧的一面朝向所述Cu部件侧，距离0.5μm～3μm的厚度范围中的所述接合部的Al浓度在0.5原子％以上且15原子％以下的范围。
【专利说明】
接合体、功率模块用基板、功率模块及接合体的制造方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种坚固地接合陶瓷部件与Cu部件的接合体、具备该接合体的功率模 块用基板、功率模块及接合体的制造方法。
[0002] 本申请主张基于2014年3月20日于日本申请的专利申请2014-058869号的优先权， 并将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] LED或功率模块等的半导体装置具备在由导电材料构成的电路层上接合半导体元 件的结构。
[0004] 为了控制风力发电、电动汽车等电动车辆等大功率而使用的功率半导体元件的发 热量较多。因此，作为搭载这种半导体元件的基板，例如能够使用Si 3N4(氮化硅）、A1N(氮化 铝）、A1203(氧化铝)等耐热性及绝缘性优异的陶瓷基板。而且，在该陶瓷基板的一个面，将导 电性优异的Cu板作为电路层接合的功率模块用基板以往就被广泛使用。并且，有时也在陶 瓷基板的另一个面接合金属板。
[0005] 以往，作为对陶瓷基板接合Cu板的方法，例如已知有在陶瓷基板上重叠Cu板的状 态下，对这些施加载荷，在吣气氛中加热至1000°C以上的所谓的DBC法（Direct Bonding Copper法）（例如，参考专利文献1)。
[0006] 专利文献1:日本专利公开平04-162756号公报
[0007] 然而，通过专利文献1所示的DBC法接合陶瓷基板与Cu板时，由于在1000°C以上加 热且接合陶瓷基板与Cu板，因此对陶瓷基板施加热负载，而有使陶瓷基板与Cu板的接合可 靠性降低的忧虑。

【发明内容】

[0008] 本发明是鉴于前述情况而完成的，其目的在于，提供一种陶瓷部件与Cu部件的接 合可靠性高的接合体、功率模块用基板、功率模块及接合体的制造方法。
[0009] 为了解决上述课题，本发明的几个方式，提供如下接合体、功率模块用基板、功率 模块及接合体的制造方法。
[0010] 本发明的第一方式所涉及的接合体是由包含A1的陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或 Cu合金构成的Cu部件接合而成的接合体，其中，所述陶瓷部件与所述Cu部件之间形成有接 合部，在该接合部的陶瓷部件侧形成有由包含活性金属的化合物构成的活性金属化合物区 域，从该活性金属化合物区域的成为所述Cu部件侧的一面朝向所述Cu部件侧，距离0.5mi~ 3mi的厚度范围中的所述接合部的A1浓度在0.5原子％以上且15原子％以下的范围。
[0011] 接合部中的A1成分是通过陶瓷部件的构成材料、即包含A1的陶瓷的一部分在陶瓷 部件与Cu部件接合时被分解，A1成分朝向接合部扩散而产生。A1浓度表示陶瓷部件的分解 程度，A1浓度越高，表示进行陶瓷部件的分解而提高陶瓷部件与接合部的接合力。
[0012] 在此，若所述A1浓度小于0.5原子％，则没有进行陶瓷部件的分解，陶瓷部件与Cu 部件的剥离率会增加。并且，若所述A1浓度超过15原子％，则接合部中的A1成分会变多，A1 的金属间化合物等会增加。由此，接合部的硬度上升，且陶瓷部件与Cu部件的接合可靠性降 低。
[0013] 因此，如本发明，通过将接合部的A1浓度设在规定的范围内，可较高地维持陶瓷部 件与接合部的接合力，并降低接合部中的剥离率，且能够实现坚固地接合陶瓷部件与Cu部 件的接合体。
[0014] 在本发明的接合体中，所述活性金属化合物区域的所述一面是具有凹凸的面，所 述厚度范围是由所述凹凸之中最接近于所述Cu部件的地点起算的范围。
[0015] 由此，能够更加正确地把握基于A1浓度的陶瓷部件的分解程度，且可靠地实现接 合部中的剥离率的降低。
[0016] 在本发明的接合体中，所述陶瓷部件由AlN、Al2〇3中的任一种构成。
[0017]通过选择AlN、Al2〇3作为陶瓷部件，从而能够制造绝缘性及耐热性优异的接合体。
[0018] 在本发明的接合体中，所述活性金属化合物区域包含活性金属的氮化物、活性金 属的氧化物中的任一种。
[0019] 通过在活性金属化合物区域，包含活性金属的氮化物、活性金属的氧化物，从而能 够提高陶瓷部件与Cu部件的接合性，且能够可靠地实现陶瓷部件与Cu部件的剥离率的降 低。
[0020] 本发明的第二方式所涉及的功率模块用基板是具备前述接合体的功率模块用基 板，将所述Cu部件用作电路层，在所述陶瓷部件中的接合有所述电路层的面的相反面形成 有金属层。
[0021] 该功率模块用基板将Cu部件用作电路层，在陶瓷部件中的接合有该电路层的面的 相反面形成有金属层。因此，形成于陶瓷部件与电路层之间的接合部的A1浓度保持在规定 的范围内，可较高地维持陶瓷部件与接合部的接合力，并降低接合部中的剥离率，且能够实 现坚固地接合陶瓷部件与电路层的功率模块用基板。
[0022] 在本发明的功率模块用基板中，所述金属层由Cu或Cu合金构成。
[0023] 此时，在陶瓷部件的接合有电路层的面的相反面，形成有由Cu或Cu合金构成的金 属层，因此可实现散热性优异的功率模炔基板。
[0024] 在本发明的功率模块用基板中，所述金属层由A1或A1合金构成。
[0025] 此时，在陶瓷部件的接合有电路层的面的相反面，通过接合由A1或A1合金构成的 金属层而减少变形电阻，对陶瓷部件施加热应力时，可通过由A1或A1合金构成的金属层吸 收该热应力，并能够抑制由陶瓷部件的热应力引起的破损。
[0026] 本发明的第三方式所涉及的功率模块具备:前述的功率模块用基板;及电子组件， 接合于所述电路层中的与所述陶瓷部件相反侧的面。
[0027] 根据本发明的功率模块，使用具有如前述的接合体的功率模块用基板，因此坚固 地接合陶瓷部件与电路层，且可靠性优异。
[0028] 本发明的第四方式所涉及的接合体的制造方法是由包含A1的陶瓷构成的陶瓷部 件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件接合而成的接合体的制造方法，其中，所述方法具备:层叠 工序，形成层叠体，所述层叠体经由Cu-P系钎料与含有活性金属的活性金属材，在所述陶瓷 部件层叠所述Cu部件而成;及加热处理工序，对所述层叠体进行加热处理，使所述Cu-P系钎 料熔融，且使包含于所述陶瓷部件的A1朝向所述Cu-P系钎料扩散。
[0029]根据本发明的接合体的制造方法，在加热处理工序中，通过将包含于陶瓷部件的 A1朝向Cu-P系钎料扩散，从而可较高地维持陶瓷部件与接合部的接合力，并降低接合部中 的剥离率，且能够制造坚固地接合陶瓷部件与Cu部件的接合体。
[0030] 在本发明的接合体的制造方法中，所述Cu-P系钎料含有3质量％以上且10质量％ 以下的P。
[0031] 含有3质量％以上且10质量％以下的P的Cu-P系钎料由于融点较低，因此加热时容 易产生融液，且容易进行陶瓷部件与Cu部件的反应，因此能够坚固地接合陶瓷部件与Cu部 件。
[0032]在本发明的接合体的制造方法中，所述Cu-P系钎料是选自Cu-P钎料、Cu-P-Sn钎 料、Cu-P-Sn-Ni钎料、Cu-P-Zn钎料中的任一种。
[0033] 使用这种钎料时，钎料的融点低，因此能够可靠地进行陶瓷部件与Cu部件的接合。
[0034] 根据本发明，能够提供陶瓷部件与Cu部件的接合可靠性高的接合体、功率模块用 基板、功率模块及接合体的制造方法。
【附图说明】
[0035]图1是表示本发明的实施方式所涉及的接合体的一例的剖视图。
[0036]图2是表示本发明的实施方式所涉及的接合体的接合部的主要部分放大剖视图。
[0037] 图3是本发明的实施方式所涉及的接合体的接合部的截面观察照片。
[0038] 图4是表示本发明的实施方式所涉及的接合体的接合部的另一例的主要部分放大 剖视图。
[0039]图5是分步骤地表示本发明的实施方式所涉及的接合体的制造方法的剖视图。
[0040] 图6是表示本发明的实施方式所涉及的功率模块用基板及功率模块的剖视图。
[0041] 图7是表示实施例中的活性金属化合物区域的观察例的图。
【具体实施方式】
[0042] 以下，参考附图，对本发明的实施方式所涉及的接合体及其制造方法进行说明。另 外，在以下所示的各实施方式是为了使发明的宗旨更容易理解而具体说明的例子，只要没 有特别指定，并不限定本发明。并且，有时在以下的说明中使用的附图为了容易理解本发明 的特征，为方便起见，放大表示成为重要部位的部分时，各构成要件的尺寸比率等不限于与 实际上相同。
[0043] (接合体）
[0044]图1是表示本发明的实施方式所涉及的接合体的一例的剖视图。
[0045]接合体10,例如用作功率模块用基板，该功率模块用基板构成具备功率半导体的 功率模块。如图1所示，该接合体10具备陶瓷基板(陶瓷部件）11、及配设于该陶瓷基板11的 一面11a(图1中的上表面）的Cu部件12。并且，该陶瓷基板11与Cu部件12通过接合部13而接 合。例如通过加热处理活性金属材及Cu-P系钎料而形成接合层13。另外，接合体10的制造方 法稍后详述。
[0046]陶瓷基板11由包含A1的绝缘性高的陶瓷，例如，A1N(氮化铝）、A1203(氧化铝）等构 成。本实施方式中，陶瓷基板11由散热性优异的A1N构成。陶瓷基板11的厚度例如被设定在 0.2~1.5mm的范围内，本实施方式中，使用0.635mm的基板。
[0047] Cu部件12使用由具有高导电性的Cu或Cu合金构成的金属板。本实施方式中，作为 Cu部件12使用由无氧铜构成的金属板。该Cu部件12的厚度例如被设定在0.1mm以上且1.0mm 以下的范围内，本实施方式中，使用0.6mm的基板。
[0048]这种Cu部件12，例如用作功率模块用基板的电路层。
[0049] 图2是表示本发明的实施方式所涉及的接合体的接合部13的概要的主要部分放大 剖视图。并且，图3是本发明的实施方式所涉及的接合体的接合部13的截面观察照片。另外， 图2及图3所示的本实施方式所涉及的接合部13的构成是在陶瓷基板11与Cu部件12的接合 中，使用Cu-P-Sn-Ni钎料与作为活性金属而使用Ti时的一例。并且，作为活性金属，除了Ti 以外，例如可以举出Zr、Nb、Hf等。
[0050] 接合部13是将活性金属材(本实施方式中为Ti)及Cu-P系钎料以规定的温度、时间 进行热处理而产生的接合层。
[0051] 接合部13具备位于Cu部件12侧的合金层17、及位于陶瓷基板11侧的活性金属化合 物区域16。
[0052] 在本实施方式中，活性金属化合物区域16以由活性金属材扩散的Ti与包含于构成 陶瓷基板11的A1N的N进行化合而形成的Ti氮化物，例如以TiN为主体而构成。合金层17由钎 料的成分Cu、P、Sn、Ni、由活性金属材扩散的Ti、这些的合金或金属间化合物构成。
[0053]在这种结构的接合部13中，从活性金属化合物区域16的成为Cu部件12侧的一面 16a朝向Cu部件12侧，距离0.5wii~3wii的厚度范围E中的A1浓度成为0.5原子％以上且15原 子％以下的范围的方式形成。即，在从活性金属化合物区域16的一面16a朝向Cu部件12距离 0.5wn( A tl)的位置扩展的面与朝向Cu部件12距离3wn( A t2)的位置扩展的面之间的、扩展 于2.5mi的厚度范围E的区域内，A1浓度被设为0.5原子％以上且15原子％以下。另外，A1浓 度被设为厚度范围E中的平均值。优选上述厚度范围E中的A1浓度设为0.5原子％以上且10 原子％以下，但并不限定于此。
[0054]关于接合部13中的A1成分，由陶瓷基板11的构成材料、即包含A1的陶瓷的一部分， 在陶瓷基板11与Cu部件12接合时被分解，且A1成分朝向接合部13扩散而产生。本实施方式 中，构成陶瓷基板11的A1N分解，且A1朝向接合部13扩散。
[0055]这种接合部13的厚度范围E中的A1浓度的控制通过陶瓷基板11与Cu部件12的接合 时的在加热处理工序的接合温度的设定或加热时间的设定而控制在所希望的值。
[0056] 另外，本实施方式中，活性金属化合物区域16以活性金属材与包含于构成陶瓷基 板11的A1N的N进行化合而形成的活性金属的氮化物为主体而构成，但作为陶瓷基板11使用 Al 2〇3时，活性金属化合物区域16以包含于Al2〇3的0与活性金属进行化合而形成的活性金属 的氧化物为主体而构成。
[0057] 并且，图2中，示意性地将活性金属化合物区域16的一面16a设为平面，实际上，如 图3的观察照片所示，该活性金属化合物区域16的一面16a被设为具有多数凹凸的面。此时， 例如图4所示，只要将规定A1浓度的接合部13的厚度范围E被定义为活性金属化合物区域16 的一面16a中，最接近于Cu部件的地点Sp (最向Cu部件12侧突出的顶部Sp)为基点，距离0.5y m~3tim的厚度范围E即可。
[0058] 并且，在陶瓷基板11的另一个面lib侧，进一步优选接合金属部件，例如由A1或A1 合金构成的A1部件、由Cu或Cu合金构成的Cu部件的结构。作为这种金属部件的一例，可以举 出由4N-A1构成的A1部件或由无氧铜构成的Cu部件。在陶瓷部件11与金属部件的接合中例 如可以使用Al-Si系钎料或Cu-P系钎料等。作为Al-Si系钎料，可以举出Si含量为1质量％至 12质量％的钎料。
[0059] 根据如上构成的接合体10,接合陶瓷基板11与Cu部件12的接合部13从活性金属化 合物区域16的一面16a朝向Cu部件12侧，距离0.5wii~3wii的厚度范围E中的A1浓度成为0.5 原子％以上且15原子％以下的方式形成。关于该A1，构成陶瓷基板11的A1N或Al2〇3分解，且 朝向接合部13扩散。因此，A1的浓度表示这些A1N或Al 2〇3的分解程度，A1的浓度越高，表示进 行A1N或Al2〇 3的分解而提高陶瓷基板11与接合部13的接合力。
[0060] 因此，通过管理接合部13的特定区域的A1浓度，能够较高地维持陶瓷基板11与接 合部13的接合力，并能够降低接合部13的剥离率。
[00611 (接合体的制造方法）
[0062] 对如上述构成的接合体的制造方法进行说明。
[0063] 图5是分步骤地表示本发明的实施方式所涉及的接合体的制造方法的剖视图。 [0064]例如，制造用作功率模块用基板的接合体时，首先准备由包含A1N(氮化铝）、A1 203 (氧化铝)等A1的陶瓷构成的陶瓷基板(陶瓷部件）11(参考图5的(a))。本实施方式中，使用 由A1N构成且厚度为0.635mm的陶瓷基板。
[0065] 接着，在陶瓷基板11的一面1 la侧，依次层叠钎料31、活性金属材32及Cu部件12，形 成层叠体35(参考图5的(b):层叠工序）。钎料31使用Cu-P系钎料。作为Cu-P系的钎料，例如 可以举出Cu-P钎料、Cu-P-Sn系钎料、Cu-P-Sn-Ni系钎料、Cu-P-Zn系钎料、Cu-P-Sn-Mn系钎 料、Cu-P-Sn-Cr系钎料、Cu-P-Sn-Fe系钎料等，本实施方式中使用Cu-P-Sn-Ni钎料。
[0066] Cu-P-Sn-Ni钎料的组成具体被设为Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％Ni。在此， Cu-P-Sn-Ni钎料的厚度以成为5mi以上且150mi以下的方式形成。
[0067] Cu-P系钎料的成分P为具有使钎料融点降低的作用效果的元素。并且，该P是具有 如下作用效果的元素:通过P的氧化而产生的P氧化物来覆盖钎料表面，防止钎料的氧化，且 为通过以流动性良好的P氧化物覆盖熔融的钎料的表面而提高钎料的润湿性。
[0068] P含量小于3质量％时，无法充分得到使钎料融点降低的效果而有可能使钎料的融 点上升，或钎料的流动性不足，且降低陶瓷基板11与Cu部件12的接合性。并且，P含量超过10 质量％时，有可能形成许多脆的金属间化合物，陶瓷基板11与Cu部件12的接合性或接合可 靠性降低。
[0069]由于这种理由，优选包含于Cu-P系钎料的P的含量在3质量％以上且10质量％以下 的范围内。进一步优选包含于上述Cu-P系钎料的P的含量在6质量％以上且8质量％以下的 范围内，但并不限定于此。
[0070] CU-P系钎料的成分的一例Sn是具有使钎料融点降低的作用效果的元素。Sn的含量 为0.5质量％以上时，能够可靠地降低钎料的融点。并且，Sn的含量为25质量％以下时，可抑 制钎料的低温脆化，并能够提高陶瓷基板11与Cu部件12的接合可靠性。
[0071]由于这种理由，在Cu-P系钎料含有Sn时，优选其含量设在0.5质量％以上且25质 量％以下的范围内。
[0072] Cu-P系钎料的成分的一例附、0、？6、1111等是具有如下作用效果的元素:抑制在陶 瓷基板11与钎料的界面形成含有P的金属间化合物。
[0073]附、(>、？6111中的任意一种或两种以上的含量合计在2质量％以上时，可抑制在陶 瓷基板11与钎料的接合界面形成含有P的金属间化合物的现象，且提高陶瓷基板11与Cu部 件12的接合可靠性。
[0074] 并且，附、(>、？6111的中的任意一种或两种以上的含量合计在20质量％以下时，可 抑制钎料的融点的上升，并抑制钎料的流动性的降低，且能够提高陶瓷基板11与Cu部件12 的接合性。
[0075]由于这种理由，在Cu-p系钎料含有附、〇、？0、]\111中的任意一种或两种以上时，优选 这些合计含量设在2质量％以上且20质量％以下的范围内。
[0076] Cu-P系钎料的成分的一例Zn是具有提高钎料的耐氧化性的作用效果的元素。
[0077] Zn含量为0.5质量％以上时，能够充分确保钎料的耐氧化性，且提高接合性。并且， Zn含量为50质量％以下时，能够防止形成许多脆的金属间化合物，并能够确保陶瓷基板11 与Cu部件12的接合可靠性。
[0078]由于这种理由，在Cu-P系钎料含有Zn时，优选其含量设在0.5质量％以上且50质 量％以下的范围内。
[0079] 通过混合构成元素的成分的粉末，且通过适当的粘结剂，将设为浆料状的材料(钎 料浆料)涂布在陶瓷基板11的一面11a而形成钎料31。
[0080] 活性金属材32至少含有活性元素。作为活性金属材32的性状，可以举出箱、粉末、 在粉末加入适当的粘结剂混匀的浆料等。
[00811本实施方式中，作为活性金属材，使用Ti箱，Ti箱的厚度被设为0.5wii以上且25wii 以下。并且，也可以将Ti箱的组成设为纯度99.4质量％以上，本实施方式中纯度为99.6质 量％。
[0082]另外，本实施方式中，活性金属材32配置于Cu部件12的一侧，但也可配置于陶瓷部 件11的一侧。此时，层叠体35的层叠顺序成为陶瓷部件11、活性金属材32、钎料31及Cu部件 12的顺序。
[0083] 接着，如图5的（c)所示，将层叠体35放入至真空加热处理炉H，加压层叠体35,且加 热直到成为钎料31的熔融温度(接合温度）以上(加热处理工序）。由此，钎料31熔融。之后， 若冷却，如图5的(d)所示，可得到陶瓷部件11与Cu部件12通过接合部13而接合的接合体10。 [0084]本实施方式中，作为加热处理工序中的加热处理条件，分别设定成层叠体35对层 叠方向的加压力为1~35kgf/cm 2(0.10~3.43MPa)，真空加热炉内的压力为10-6Pa以上且 10 一 3Pa以下，加热温度为700 °C以上且850 °C以下，加热时间为10分钟以上且60分钟以下。 [0085]在加热处理工序中，陶瓷基板11的一面11a的A1N被分解，进行加热处理直到A1扩 散到接合部13的程度为止。即，在如图2所示的得到的接合体10的接合部13中，从活性金属 化合物区域16的构成Cu部件12侧的一面16a朝向Cu部件12侧，距离0 ? 5mi~3mi的厚度范围E 中的A1浓度成为0.5原子％以上且15原子％以下的范围的方式进行加热处理。
[0086]由此，构成陶瓷基板11的A1N的分解程度成为适当的范围，从而提高陶瓷基板11与 接合部13的接合力。因此，可较高地维持接合体10的陶瓷基板11与接合部13的接合力，且能 够降低接合部13的初始剥离率。
[0087] (功率模块用基板及功率模块）
[0088] 对使用了上述接合体的本发明的实施方式所涉及的功率模块用基板及功率模块 的结构进行说明。另外，对与图1、图2所示的接合体10相同的结构赋予相同的符号，并省略 其详细的说明。
[0089] 图6是表示本发明的实施方式所涉及的功率模块用基板及功率模块的剖视图。
[0090] 功率模块1具备功率模块用基板40、及通过焊锡层2而接合于该功率模块用基板40 的一方侧(图6中的上侧)的面的功率半导体(电子组件)3。
[0091]在此，焊锡层2例如被设为Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊锡材料。
[0092]功率模块用基板40具备接合体10,该接合体10由陶瓷基板（陶瓷部件）11、配设于 该陶瓷基板11的一面11a(在图6中的上表面)的Cu部件（电路层）12、及接合陶瓷基板11及Cu 部件12的接合部13而构成。
[0093]并且，功率模块用基板40在相对于配设有Cu部件（电路层）12的陶瓷基板11的一面 11a构成相反面的陶瓷基板11的另一个面lib(在图6中下表面)具备金属层41。金属层41，例 如使用由Cu或Cu合金构成的金属板。本实施方式中，作为金属层41使用由无氧铜构成的金 属板。该Cu部件12的厚度，例如被设定在0? 1mm以上且1.0mm以下的范围内，本实施方式中， 使用0.6mm的部件。
[0094]功率模块用基板40中的Cu部件（电路层）12适用于功率模块时，构成功率半导体的 电路层。即，Cu部件12构成功率半导体的导电体。并且，陶瓷基板11构成对该导电体的下层 侧进行绝缘的绝缘体。
[0095]根据这种功率模块用基板40及功率模块1，通过适用图1所示的接合体10而管理接 合陶瓷基板11与Cu部件（电路层）12的接合部13的特定区域的A1浓度，可实现较高地维持陶 瓷基板11与接合部13的接合力的功率模块用基板40及功率模块1。
[0096]另外，本实施方式中，作为功率模块用基板40,在陶瓷基板11的另一个面lib形成 有金属层41，但可以为不特别形成这种金属层41的结构。并且，金属层41并不限定于Cu或Cu 合金，能够使用各种金属。例如，可以将A1或A1合金作为金属层适用。
[0097] 若通过A1或A1合金形成金属层41，对陶瓷部件施加热应力时，可通过由A1或A1合 金构成的金属层吸收该热应力，且能够抑制由陶瓷部件的热应力引起的破损。通过A1或A1 合金形成金属层时，优选金属层的厚度被设定在〇. 1mm~3.0mm的范围内。
[0098] 实施例
[0099](实施例1)
[0100] 在由表1记载的材质构成的陶瓷基板(40mm X 40mm X厚度0.635mm)的一个面，依次 层叠表1记载的钎料(37mmX 37mm)、表1记载的活性金属材(37mm X 37mm)及由无氧铜构成的 Cu板(37mmX 37mmX厚度0? 3mm)，从而形成层叠体。并且，对于本发明例4,将由Cu-7质量％ p-15质量％ Sn-10质量％ Ni粉末与T i粉末构成的楽:料用作钎料及活性元素。另外，楽:料的涂 布厚度设为80wii。
[0101 ] 而且，通过在层叠方向上，以压力5kgf/cm2(0.49MPa)加压的状态下将层叠体投入 至真空加热炉，并通过进行加热而将Cu板接合在陶瓷基板的一个面。加热温度及时间如表1 所记载。
[0102]如此，得到了本发明例1~8,比较例1~3的接合体。对所得到的接合体"活性金属 化合物区域的有无" "接合部中的A1浓度""接合率"进行了评价。
[0103](活性金属氧化物的有无）
[0104] 通过EPMA(电子射线显微分析仪，Japan Electron Optics Laboratory制JXA-8530F)以倍率10000倍测量接合体的截面，获得包含于陶瓷基板的元素(AIN时为N、Al2〇 3时 为0)及活性金属元素的元素映射图。在得到的元素映射图中，包含于活性金属元素与陶瓷 基板的元素存在于相同区域时判断为有活性金属化合物区域。
[0105] 图7中示出活性金属化合物区域的观察例。在该图7中，包含于活性金属元素(Ti) 与陶瓷基板(A1N)的元素(N)存在于相同区域，判断为有活性金属化合物区域。
[0106] (接合部中的A1浓度）
[0107]作为接合部中的A1浓度的测量方法，通过EPMA(电子射线显微分析仪，Japan Electron Optics Laboratory制JXA-8530F)分析接合部的截面，定量分析从活性金属化合 物区域的一面距离0.5wii~3wii的范围，并测量A1浓度。具体而言，分析所述范围内的任意部 位10个点，将其平均值作为A1浓度。
[0108] (冷热循环试验）
[0109] 冷热循环试验使用冷热冲击试验机(Espec公司制TSB-51)，对功率模块用基板，以 液相(电子氟化液），在-40 °C下5分钟与150°C下5分钟的循环，实施了 2000个循环。
[0110] (接合率）
[0111] 关于接合率的评价，针对接合体，对陶瓷基板与Cu部件的界面的接合率使用超声 波探伤装置(Hitachi Power Solutions co.，Ltd制FineSAT200)，进行评价，并由以下公式 计算接合率。
[0112] 在此，初始接合界面积是指接合前的应接合的面积，即本实施例中设为Cu部件的 面积(37mmX37mm)。在将超音波探伤影像二值化处理的图像中，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。
[0113] (接合率（％ )) = {(初始接合面积)-(剥离面积）}/(初始接合面积）X 100
[0114] 在进行冷热循环试验前(初始接合率)及冷热循环试验后进行了接合率的评价。
[0115] 将结果示于表1。
[0117] (实施例2)
[0118] (本发明例9~10)
[0119] 使用由实施例1得到的接合体，在陶瓷基板的另一个面通过Al-Si系钎料而接合纯 度99.99质量％以上的铝(4N-A1)，制作形成有金属层的功率模块用基板。本发明例9中使用 本发明例2的接合体，本发明例10中使用本发明例8的接合体。另外，实施例9~10中，作为 Al-Si钎料，使用了 A1-7质量％Si钎料。
[0120] (本发明例11~12)
[0121] 在陶瓷基板的一个面及另一个面，依次层叠Cu-7质量％P-15质量％Sn-10质量％ Ni钎料、Ti箱、由无氧铜(0FC)构成的Cu板，从而形成层叠体。在层叠方向加压的状态下，将 该层叠体投入至真空加热炉，通过进行加热而制作了在陶瓷基板的一个面及另一个面接合 Cu板的功率模块用基板。本发明例11中，作为陶瓷基板使用A1N，本发明例12中使用Al 2〇3。
[0122] 对于所得到的本发明例9~12的功率模块用基板，评价了电路层(陶瓷基板的一个 面)的接合率。评价方法与实施例1记载的相同。
[0123] 将结果示于表2。
[0124] [表 2]
[0126] 由表1所示的结果，关于本发明例1~8,可确认到A1浓度在0.5原子％以上且15原 子％以下的范围，因此陶瓷基板与Cu板的初始接合率高，并坚固地接合。并且，冷热循环后 的接合率也高，且可得到接合可靠性优异的Cu板与陶瓷基板的接合体。
[0127] 另一方面，比较例1及比较例2中，由于A1浓度偏离0.5原子％以上且15原子％以下 的范围，因此陶瓷基板与Cu板的初始接合率及冷热循环后的接合率与本发明例相比较差。 并且，接合时未使用活性金属材的比较例3中，Cu板与陶瓷基板未能接合。
[0128] 并且，由表2所示的结果，可确认到关于本发明例9~12,冷热循环试验后的接合率 高，接合可靠性高。
[0129] 产业上的可利用性
[0130] 根据本发明所涉及的接合体及其制造方法、功率模块用基板，能够提高陶瓷部件 与Cu部件的接合可靠性。因此，根据本发明所涉及的接合体的制造方法，能够制造适合于为 了控制风力发电、电动汽车等电动车辆等而使用的大功率控制用的功率半导体元件的使用 环境严酷的功率模块的接合体及功率模块用基板。
[0131] 符号说明
[0132] 1-功率模块，3-功率半导体(电子组件），10-接合体，11-陶瓷基板(陶瓷部件），12-Cu部件，13-接合部，31-钎料，32-活性金属材，40-功率模块用基板，41-金属层。
【主权项】
1. 一种接合体，其为由包含A1的陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成的Cu部件接 合而成的接合体，其中， 所述陶瓷部件与所述Cu部件之间形成有接合部，在该接合部的陶瓷部件侧形成有由包 含活性金属的化合物构成的活性金属化合物区域， 从该活性金属化合物区域的成为所述Cu部件侧的一面朝向所述Cu部件侧，距离0.5μπι ~3μπι的厚度范围中的所述接合部的Α1浓度在0.5原子％以上且15原子％以下的范围。2. 根据权利要求1所述的接合体，其中， 所述活性金属化合物区域的所述一面是具有凹凸的面，所述厚度范围是从所述凹凸之 中最接近于所述Cu部件的地点起算的范围。3. 根据权利要求1或2所述的接合体，其中， 所述陶瓷部件由A1N和Al2〇3中的任一种构成。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的接合体，其中， 所述活性金属化合物区域包含活性金属的氮化物和活性金属的氧化物中的任一种。5. -种功率模块用基板，其具备权利要求1至4中任一项所述的接合体，其中， 将所述Cu部件用作电路层，在所述陶瓷部件中的接合有所述电路层的面的相反面形成 有金属层。6. 根据权利要求5所述的功率模块用基板，其中， 所述金属层由Cu或Cu合金构成。7. 根据权利要求5所述的功率模块用基板，其中， 所述金属层由A1或A1合金构成。8. -种功率模块，其具备： 权利要求5至7中任一项所述的功率模块用基板;及电子组件，接合于所述电路层中的 与所述陶瓷部件相反侧的面。9. 一种接合体的制造方法，其为由包含A1的陶瓷构成的陶瓷部件与由Cu或Cu合金构成 的Cu部件接合而成的接合体的制造方法，其中，所述接合体的制造方法具备： 层叠工序，形成层叠体，所述层叠体经由Cu-P系钎料与含有活性金属的活性金属材，在 所述陶瓷部件层叠所述Cu部件而成;及 加热处理工序，对所述层叠体进行加热处理，使所述Cu-P系钎料熔融，且使包含于所述 陶瓷部件的A1朝向所述Cu-P系钎料扩散。10. 根据权利要求9所述的接合体的制造方法，其中， 所述Cu-P系钎料含有3质量％以上且10质量％以下的P。11. 根据权利要求9或10所述的接合体的制造方法，其中， 所述Cu-P系钎料是选自Cu-P钎料、Cu-P-Sn钎料、Cu-P-Sn-Ni钎料及Cu-P-Zn钎料中的 任一种。
【文档编号】H01L23/13GK105829266SQ201580003060
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年1月30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