Cu-陶瓷接合體、Cu-陶瓷接合體的制造方法及功率模塊用基板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過將由銅或銅合金構(gòu)成的銅部件與由A1N或Al2〇3構(gòu)成的陶瓷部 件接合而成的Cu-陶瓷接合體、該Cu-陶瓷接合體的制造方法、以及由該Cu-陶瓷接合體構(gòu)成 的功率模塊用基板。
[0002] 本申請主張基于2013年9月30日于日本申請的專利申請2013-204060號的優(yōu)先權(quán)， 并將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術(shù)】
[0003] LED或功率模塊等半導(dǎo)體裝置具備在由導(dǎo)電材料構(gòu)成的電路層上接合有半導(dǎo)體元 件的結(jié)構(gòu)。
[0004] 用于控制風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、混合動力汽車等而使用的大功率控制用功率半導(dǎo) 體元件，其發(fā)熱量較多。因此，作為搭載該種功率半導(dǎo)體元件的基板，例如，從前即已廣泛地 使用具備由A1N(氮化鋁）、Al 2〇3(氧化鋁)等構(gòu)成的陶瓷基板，以及于此陶瓷基板的一面接合 導(dǎo)電性優(yōu)異的金屬板而形成的電路層的功率模塊用基板。并且，作為功率模塊用基板，提供 一種在陶瓷基板的另一面上通過接合金屬板而形成金屬層的功率模塊用基板。
[0005] 例如于專利文獻(xiàn)1中提出有一種功率模塊用基板，該功率模塊用基板中，將構(gòu)成電 路層及金屬層的第一金屬板及第二金屬板作為銅板，且通過DBC法將該銅板直接接合于陶 瓷基板。該DBC法通過利用銅與銅氧化物的共晶反應(yīng)，在銅板與陶瓷基板的界面產(chǎn)生液相， 且接合銅板與陶瓷基板。
[0006] 并且，在專利文獻(xiàn)2中提出有一種功率模塊用基板，該功率模塊用基板在陶瓷基板 的一面與另一面，通過接合銅板而形成電路層及金屬層。該功率模塊用基板在陶瓷基板的 一面及另一面夾著Ag-Cu-Ti系釬料而配置有銅板的狀態(tài)下，通過進(jìn)行加熱處理而接合銅板 (所謂的活性金屬釬焊法）。在該活性金屬釬焊法中使用含有活性金屬的Ti的釬料，因此被 熔融的釬料與陶瓷基板的潤濕性提高，陶瓷基板與銅板良好地接合。
[0007] 專利文獻(xiàn)1:日本專利公開平04-162756號公報 [0008] 專利文獻(xiàn)2:日本專利第3211856號公報
[0009]然而，如專利文獻(xiàn)1所公開，在通過DBC法接合陶瓷基板與銅板的情況下，有必要將 接合溫度設(shè)為l〇65°C以上（銅與銅氧化物的共晶點溫度以上）。因此，通過DBC法進(jìn)行接合 時，有可能導(dǎo)致陶瓷基板劣化。
[0010]如專利文獻(xiàn)2所公開，在通過活性金屬釬焊法接合陶瓷基板與銅板的情況下，有必 要將接合溫度設(shè)為900°C的比較高的溫度。因此，通過活性金屬釬焊法進(jìn)行接合時，存在有 可能導(dǎo)致陶瓷基板劣化的問題。在此，若降低接合溫度，則釬料無法與陶瓷基板充分反應(yīng)， 導(dǎo)致陶瓷基板與銅板的界面的接合率降低，而無法提供一種可靠性較高的功率模塊用基 板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明是鑒于上述情況而研發(fā)的，其目的在于提供一種可靠地接合有銅部件與陶 瓷部件的CU-陶瓷接合體、該CU-陶瓷接合體的制造方法、以及由該CU-陶瓷接合體構(gòu)成的功 率模塊用基板。
[0012] 為了解決這種課題，且達(dá)成所述目的，本發(fā)明的第一方式的Cu-陶瓷接合體，其為 通過使用含Ag及Ti的接合材料來接合由銅或銅合金構(gòu)成的銅部件與由A1N或Al 2〇3構(gòu)成的陶 瓷部件的Cu-陶瓷接合體，其中，在所述銅部件與所述陶瓷部件的接合界面形成有由Ti氮化 物或Ti氧化物構(gòu)成的Ti化合物層，且在該Ti化合物層內(nèi)分散有Ag粒子。
[0013 ]如此構(gòu)成的Cu-陶瓷接合體通過使用含Ag及T i的接合材料來接合由銅或銅合金構(gòu) 成的銅部件與由A1N或Al2〇3構(gòu)成的陶瓷部件，具備在銅部件與陶瓷部件的接合界面形成有 Ti化合物層的結(jié)構(gòu)。其中，在陶瓷部件由A1N構(gòu)成的情況下，在銅部件與陶瓷部件的接合界 面形成有由Ti氮化物構(gòu)成的Ti化合物層。并且，在陶瓷部件由Al 2〇3構(gòu)成的情況下，在銅部件 與陶瓷部件的接合界面形成有由Ti氧化物構(gòu)成的Ti化合物層。這些Ti化合物層，通過接合 材料的Ti與陶瓷部件中的氧或氮反應(yīng)而形成。
[0014] 并且，本發(fā)明的第一方式的CU-陶瓷接合體中，在該Ti化合物層內(nèi)分散有Ag粒子。 推測該Ag粒子產(chǎn)生于在通過Ag與A1的共晶反應(yīng)而產(chǎn)生的液相中，Ti與氮或氧反應(yīng)而形成所 述Ti化合物層的過程中。也即，通過在Ag與A1的共晶點溫度(567°C)以上的低溫條件下保持 容易產(chǎn)生Ti化合物，可充分形成所述Ti化合物層。其結(jié)果，能夠得到可靠地接合有銅部件與 陶瓷部件的Cu-陶瓷接合體。
[0015] 其中，本發(fā)明的第一方式的Cu-陶瓷接合體中，所述Ti化合物層中的與所述陶瓷部 件的界面起至500nm為止的界面附近區(qū)域的Ag濃度可為0.3原子％以上。
[0016] 在這種情況下，通過Ag粒子充分分散于Ti化合物層，Ti化合物的生成得到了促進(jìn)， 而充分形成Ti化合物層。其結(jié)果，銅部件與陶瓷部件堅固地接合。
[0017] 并且，本發(fā)明的第一方式的Cu-陶瓷接合體中，也可以設(shè)為分散于所述Ti化合物層 內(nèi)的所述Ag粒子的粒徑在1 Onm以上1 OOnm以下的范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
[0018]在這種情況下，分散于Ti化合物層內(nèi)的Ag粒子的粒徑比較微細(xì)，為10nm以上lOOnm 以下，其生成于Ti與氮或氧反應(yīng)而形成所述的Ti化合物層的過程中，由此Ti化合物的生成 得到促進(jìn)，且Ti化合物層能夠充分地形成。其結(jié)果，能夠得到銅部件與陶瓷部件被可靠地接 合的Cu-陶瓷接合體。
[0019] 并且，本發(fā)明的第一方式的Cu-陶瓷接合體中，也可以設(shè)為所述接合材料進(jìn)一步含 有Cu，且所述Ti化合物層內(nèi)分散有Cu粒子的結(jié)構(gòu)。
[0020] 在這種情況下，接合材料除了Ag與Ti以外還含有Cu，且在Ti化合物層內(nèi)分散有Cu 粒子，因此在陶瓷部件的表面可充分形成Ti化合物層。其結(jié)果，能夠得到銅部件與陶瓷部件 被可靠地接合的Cu-陶瓷接合體。
[0021] 本發(fā)明的第二方式的Cu-陶瓷接合體的制造方法，其為制造上述Cu-陶瓷接合體的 方法，具備:低溫保持工序，使含Ag及Ti的接合材料介于所述銅部件與所述陶瓷部件之間的 狀態(tài)下，保持在Ag與A1的共晶點溫度以上且低于Ag與Cu的共晶點溫度的溫度范圍；加熱工 序，在所述低溫保持工序之后，加熱至Ag與Cu的共晶點溫度以上的溫度而對所述接合材料 進(jìn)行熔融；以及冷卻工序，在所述加熱工序之后，進(jìn)行冷卻使被熔融的所述接合材料凝固而 接合所述銅部件與所述陶瓷部件。
[0022] 根據(jù)如此構(gòu)成的Cu-陶瓷接合體的制造方法，具備使含Ag及Ti的接合材料介于所 述銅部件與所述陶瓷部件之間的狀態(tài)下，保持在Ag與A1的共晶點溫度以上且低于Ag與Cu的 共晶點溫度的溫度范圍的低溫保持工序，因此通過該低溫保持工序，在銅部件與陶瓷部件 的界面產(chǎn)生由A1與Ag的共晶反應(yīng)所生成的液相。使用于該反應(yīng)的A1，由構(gòu)成陶瓷部件的A1N 或Al2〇3所供給，通過含有于接合材料的Ti與氮或氧進(jìn)行反應(yīng)，而在陶瓷部件的表面形成Ti 化合物層。并且，在該過程中，Ag粒子被分散于Ti化合物層內(nèi)。
[0023] 其中，低溫保持工序的保持溫度為Ag與A1的共晶點溫度以上，因此在銅部件與陶 瓷部件的界面能夠可靠地產(chǎn)生由A1與Ag的共晶反應(yīng)所生成的液相。并且，低溫保持工序的 保持溫度低于Ag與Cu的共晶點溫度，因此Ag不會因為與Cu反應(yīng)而被消耗，能夠確保與A1反 應(yīng)的Ag。其結(jié)果，能夠可靠地產(chǎn)生由A1與Ag的共晶反應(yīng)所生成的液相。
[0024] 并且，在該低溫保持工序之后具備加熱至Ag與Cu的共晶點溫度以上的溫度而對所 述接合材料進(jìn)行熔融的加熱工序，以及進(jìn)行冷卻使被熔融的所述接合材料凝固而接合所述 銅部件與所述陶瓷部件的冷卻工序。其結(jié)果，即使使加熱工序中的加熱溫度為低溫條件，也 會在充分地形成Ti化合物層的狀態(tài)下對接合材料進(jìn)行熔融，而能夠可靠地接合陶瓷部件與 銅部件。
[0025] 其中，本發(fā)明的第二方式的Cu-陶瓷接合體的制造方法中，所述低溫保持工序的保 持時間優(yōu)選在30分鐘以上5小時以下的范圍內(nèi)。
[0026]在這種情況下，低溫保持工序的保持時間為30分鐘以上，因此Ti化合物層能夠充 分地形成，能夠可靠地接合陶瓷部件與銅部件。
[0027] 另一方面，低溫保持工序的保持時間為5小時以下，因此能夠削減能量的消耗量。
[0028] 此外，本發(fā)明的第二方式的Cu-陶瓷接合體的制造方法中，所述加熱工序的加熱溫 度優(yōu)選在790°C以上830°C以下的范圍內(nèi)。
[0029]在這種情況下，加熱工序的加熱溫度被設(shè)定為790°C以上830°C以下的比較低的溫 度，因此能夠減輕接合時對陶瓷部件的熱負(fù)荷，且能夠抑制陶瓷部件的劣化。而且，如上所 述，具有低溫保持工序，因此加熱工序的加熱溫度即使為比較低的溫度，也能夠可靠地接合 陶瓷部件與銅部件。
[0030] 本發(fā)明的第三方式的功率模塊用基板，其為在由A1N或Al2〇3構(gòu)成的陶瓷基板的一 面接合由銅或銅合金構(gòu)成的銅板，該功率模塊用基板由上述Cu-陶瓷接合體構(gòu)成。
[0031] 根據(jù)該構(gòu)成的功率模塊用基板，其由上述Cu-陶瓷接合體構(gòu)成，因此通過以低溫條 件接合能夠減輕對陶瓷基板的熱負(fù)荷，且能夠抑制陶瓷基板的劣化。并且，即使在以低溫條 件接合的情況下，也能夠可靠地接合陶瓷基板與銅板，且能夠確保接合可靠性。此外，接合 于陶瓷基板表面的銅板，作為電路層或金屬層而被使用。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種可靠地接合有銅部件與陶瓷部件的Cu-陶瓷接合體、該 Cu-陶瓷接合體的制造方法、以及由該Cu-陶瓷接合體構(gòu)成的功率模塊用基板。
【附圖說明】
[0033] 圖1為使用本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的功率模塊的概略說明圖。
[0034]圖2為本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的電路層(銅部件)與陶瓷基板(陶 瓷部件)的接合界面的示意圖。
[0035]圖3為表示本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。
[0036] 圖4為表示本發(fā)明的第1實施方式的功率模塊用基板的制造方法的說明圖。
[0037] 圖5為表示低溫保持工序中的Ti化合物層的形成過程的示意說明圖。
[0038] 圖6為使用本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的功率模塊的概略說明圖。
[0039] 圖7為本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的電路層(銅部件)與陶瓷基板(陶 瓷部件)的接合界面的示意圖。
[0040]圖8為表示本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。
[0041] 圖9為表示本發(fā)明的第2實施方式的功率模塊用基板的制造方法的說明圖。
[0042] 圖10為表示低溫保持工序中的Ti化合物層的形成過程的示意說明圖。
[0043] 圖11為本發(fā)明的第3實施方式的功率模塊用基板的概略說明圖。
[0044] 圖12為本發(fā)明的第3實施方式的功率模塊用基板的電路層（銅部件）與陶瓷基板 (陶瓷部件)的接合界面的示意圖。
[0045] 圖13為表示本發(fā)明的第3實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。
[0046] 圖14為表示本發(fā)明的第3實施方式的功率模塊用基板的制造方法的說明圖。
[0047] 圖15為表示低溫保持工序中的Ti化合物層的形成過程的示意說明圖。
[0048] 圖16為本發(fā)明例1的Cu-陶瓷接合體的剖面的反射電子圖像。
【具體實施方式】
[0049]以下，結(jié)合附圖對本發(fā)明