陶瓷-铜复合体、陶瓷-铜复合体的制造方法、陶瓷电路基板及功率模块与流程

本发明涉及陶瓷-铜复合体、陶瓷-铜复合体的制造方法、陶瓷电路基板及功率模块。

背景技术：

1、在制造功率模块时，有时使用在氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝等陶瓷材料上接合金属板的陶瓷-金属复合体。

2、近年来，随着功率模块的高输出化、高集成化，来自功率模块的放热量一直在增加。为了使该放热高效地散发，倾向于使用具有高绝缘性和高热传导性的氮化铝烧结体、氮化硅烧结体的陶瓷材料。

3、作为一例，专利文献1记载了下述金属-陶瓷接合体，其具有陶瓷基板、和介由钎料而接合在该陶瓷基板上的金属板。在该接合体中，从金属板的底面突出的钎料的长度大于30μm且为250μm以下。

4、作为另一例，专利文献2记载了下述陶瓷电路基板，其在陶瓷基板的至少一面形成有沿着多个电路图案的钎料层，介由该钎料层来接合金属板，对该金属板的不需要的部分进行蚀刻处理而形成由金属板形成的电路图案，并且形成从金属板的外缘突出的、由钎料层形成的突出部。该陶瓷电路基板中，突出部的最大表面粗糙度rmax为5至50μm。

5、作为又一例，专利文献3记载了下述cu/陶瓷接合体，其是使用含有ag及ti的接合材料将由铜或铜合金形成的铜构件与由aln或al2o3形成的陶瓷构件接合而成的。该接合体中，在铜构件与陶瓷构件的接合界面形成有由ti氮化物或ti氧化物形成的ti化合物层，并且在该ti化合物层内分散有ag粒子。

6、现有技术文献

7、专利文献

8、专利文献1：日本特开2003-112980号公报

9、专利文献2：日本特开2005-268821号公报

10、专利文献3：日本特开2015-092552号公报

技术实现思路

1、发明要解决的课题

2、陶瓷材料与金属板的热膨胀率差异巨大。因此，由于反复的热循环负荷，在陶瓷材料-金属板的接合界面会产生由热膨胀率差异而导致的热应力。并且，存在陶瓷材料侧产生裂纹，导致接合不良或热阻不良，功率模块可靠性下降的可能性。

3、特别是最近，为了搭载于电动汽车，正在加快推进功率模块的进一步高输出化、高集成化，从而存在由热循环导致的热应力进一步增大的倾向。因此，对热循环负荷/热应力的应对变得更加重要。

4、为了保障功能安全性，以往汽车制造商通过下述热循环试验来评价功率模块的耐久性，所述热循环试验中，“将于-40℃冷却15分钟、于室温保持15分钟且于125℃加热15分钟、于室温保持15分钟的升温/降温循环作为1个循环”。

5、但是，最近逐渐变成了通过下述更严苛的热循环试验来评价功率模块的耐久性，所述热循环试验中，“将于-55℃冷却15分钟、于室温保持15分钟且于175℃加热15分钟、于室温保持15分钟的升温/降温循环作为1个循环”。

6、特别是，由于降低了冷却温度(-40℃→-55℃)，陶瓷材料中产生的应力增大，更容易产生裂纹。

7、在这样的更严苛的热循环测试条件下，以往的陶瓷-金属复合体(例如上述专利文献中记载的陶瓷-金属复合体)有可能无法得到充分的应力缓和/裂纹减少等效果。

8、本发明是鉴于这样的情况而做出的。本发明的目的之一在于提供，即使经过严苛条件的热循环试验也不易产生裂纹的陶瓷-金属复合体(具备陶瓷层和金属层的基板)。

9、用于解决课题的手段

10、本申请的发明人进行了深入研究，结果完成了以下所提供的发明，解决了上述课题。

11、本发明如下所述。

12、1.

13、陶瓷-铜复合体，其是具备陶瓷层、铜层、和存在于前述陶瓷层与前述铜层之间的钎料层的平板状陶瓷-铜复合体，

14、将该陶瓷-铜复合体沿着垂直于其主面的面切断且将此时的切断面中的长边方向的长度为1700μm的区域设为区域p时，

15、至少一部分存在于区域p1的铜晶体的平均晶体粒径d1为30μm以上100μm以下，所述区域p1为前述区域p中的、从前述陶瓷层与前述钎料层的界面起在前述铜层侧的50μm以内的区域。

16、2.

17、根据1.所述的陶瓷-铜复合体，其中，

18、在将前述区域p整体中的铜晶体的平均晶体粒径设为d2时，

19、d2/d1的值为0.5以上2.0以下。

20、3.

21、根据1.或2.所述的陶瓷-铜复合体，其中，

22、至少一部分存在于前述区域p1中的铜晶体中，不含粒径超过350μm的晶体。

23、4.

24、根据1.至3.中任一项所述的陶瓷-铜复合体，其中，

25、在前述切断面中，将不同于前述区域p的、长边方向的长度为1700μm的区域设为区域p'时，

26、至少一部分存在于区域p1'中的铜晶体的平均晶体粒径d1'为30μm以上100μm以下，前述区域p1'为前述区域p'中的、从前述陶瓷层与前述钎料层的界面起在前述铜层侧的50μm以内的区域。

27、5.

28、根据4.所述的陶瓷-铜复合体，其中，

29、至少一部分存在于前述区域p1'中的铜晶体中，不含粒径超过350μm的晶体。

30、6.

31、根据1.至5.中任一项所述的陶瓷-铜复合体，其中，

32、前述铜层由压延铜板构成。

33、7.

34、根据1.至6.中任一项所述的陶瓷-铜复合体，其中，

35、前述钎料层包含ag、cu及ti、和sn及/或in。

36、8.

37、1.至7.中任一项所述的陶瓷-铜复合体的制造方法，其包括下述接合工序：在真空下或非活性气体气氛下，于770℃以上830℃以下的温度加热10分钟以上60分钟以下，由此用钎料将陶瓷板与铜板接合，

38、前述钎料包含85.0质量份以上95.0质量份以下的ag、5.0质量份以上13.0质量份以下的cu、1.5质量份以上5.0质量份以下的ti、合计量为0.4质量份以上3.5质量份以下的sn及in。

39、9.

40、陶瓷电路基板，其去除了1.至7.中任一项所述的陶瓷-铜复合体的前述铜层的至少一部分而形成了电路。

41、10.

42、功率模块，其搭载有9.的陶瓷电路基板。

43、发明效果

44、根据本发明，能够提供即使经过严苛条件的热循环试验也不易产生裂纹的陶瓷-金属复合体(具备陶瓷层和金属层的基板)。

技术特征：

1.陶瓷-铜复合体，其为具备陶瓷层、铜层和存在于所述陶瓷层与所述铜层之间的钎料层的平板状陶瓷-铜复合体，

2.根据权利要求1所述的陶瓷-铜复合体，其中，

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷-铜复合体，其中，

4.根据权利要求3所述的陶瓷-铜复合体，其中，

5.根据权利要求1至4中任一项所述的陶瓷-铜复合体，其中，

6.根据权利要求1至5中任一项所述的陶瓷-铜复合体，其中，

7.权利要求1至6中任一项所述的陶瓷-铜复合体的制造方法，其包括下述接合工序：在真空下或非活性气体气氛下，于770℃以上且830℃以下的温度加热10分钟以上且60分钟以下，由此用钎料将陶瓷板和铜板接合，

8.陶瓷电路基板，其去除了权利要求1至6中任一项所述的陶瓷-铜复合体的所述铜层的至少一部分而形成了电路。

9.功率模块，其搭载有权利要求8的陶瓷电路基板。

技术总结
本发明涉及陶瓷‑铜复合体、陶瓷‑铜复合体的制造方法、陶瓷电路基板及功率模块。平板状陶瓷‑铜复合体，其具备陶瓷层、铜层、和存在于陶瓷层与铜层之间的钎料层。其中，将该陶瓷‑铜复合体沿着垂直于其主面的面切断且将此时的切断面中的长边方向的长度为1700μm的区域设为区域P时，至少一部分存在于区域P1中的铜晶体的平均晶体粒径D1为30μm以上100μm以下，所述区域P1为区域P中的、从陶瓷层与钎料层的界面起在铜层侧的50μm以内的区域。

技术研发人员：汤浅晃正,中村贵裕,森田周平,西村浩二
受保护的技术使用者：电化株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13