接合體及功率模塊用基板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種陶瓷部件與化部件接合而成的接合體及在陶瓷基板的其中一個 面形成有電路層的功率模塊用基板。
[0002] 本申請主張基于2013年8月26日申請的日本專利申請第2013-175001號及2014 年7月15日申請的日本專利申請第2014-145115的優(yōu)先權(quán)，并將所有內(nèi)容援用于本說明書 中。
【背景技術(shù)】
[0003] L邸或功率模塊等半導(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、電動汽車等電動車輛等而使用的大功率控制用功率半導(dǎo)體元 件的發(fā)熱量較多。因此，作為搭載運種功率半導(dǎo)體元件的基板，至今W來廣泛使用例如在由 AlN(氮化侶）等構(gòu)成的陶瓷基板的其中一個面接合導(dǎo)電性優(yōu)異的金屬板W作為電路層的 功率模塊用基板。并且，也有在陶瓷基板的另一個面接合金屬板W作為金屬層。
[0005] 例如，專利文獻1所示的功率模塊用基板結(jié)構(gòu)如下，即在陶瓷基板（陶瓷部件）的 其中一個面接合Cu板（Cu部件）來形成電路層。該功率模塊用基板中，在陶瓷基板的其中 一個面夾著化-Mg-Ti針料配置化板的狀態(tài)下進行加熱處理，從而接合化板。
[0006] 專利文獻1 :日本專利第4375730號公報
[0007] 然而，如專利文獻1中所公開的那樣，若通過化-Mg-Ti針料將陶瓷基板與化板接 合，則在陶瓷基板的附近形成包含化、Mg或Ti的金屬間化合物。
[0008] 由于形成在該陶瓷基板附近的金屬間化合物較硬，因此存在當(dāng)功率模塊用基板受 到冷熱循環(huán)時，使得在陶瓷基板產(chǎn)生的熱應(yīng)力變大，從而存在容易在陶瓷基板產(chǎn)生裂紋的 問題。
[0009] 并且，若接合陶瓷基板與電路層時在陶瓷基板的附近形成較硬的金屬間化合物， 則有可能使陶瓷基板與電路層的接合率下降，有可能無法將它們良好地接合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種能夠良好地接合陶瓷部件 與化部件，并且能夠在受到冷熱循環(huán)時抑制在陶瓷部件產(chǎn)生裂紋的接合體及功率模塊用 基板。
[0011] 為解決上述課題，本發(fā)明的第一方式所設(shè)及的接合體，由陶瓷構(gòu)成的陶瓷部件與 由化或化合金構(gòu)成的化部件通過化-P-Sn系針料及Ti材接合而成，在所述陶瓷部件與 所述化部件的接合界面形成有：位于所述陶瓷部件側(cè)且Sn固溶于化中的化-Sn層；及位 于所述化部件與所述化-Sn層之間且含P及Ti的金屬間化合物層。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的第一方式所設(shè)及的接合體，在陶瓷部件與化部件的接合界面， 化-P-Sn系針料中所含的P進入到形成于化部件側(cè)的金屬間化合物層中。由此，在陶瓷部 件側(cè)形成不具有含P的金屬間化合物或含P的金屬間化合物極少的Cu-Sn層。目P，由于沒 有在陶瓷部件的附近形成較硬的金屬間化合物，因此能夠減少受到冷熱循環(huán)時在陶瓷部件 產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其結(jié)果，能夠抑制在陶瓷部件產(chǎn)生裂紋。
[0013] 并且，在陶瓷部件與化部件的接合界面，由于沒有在陶瓷基板的附近形成較硬的 金屬間化合物，因此可提高陶瓷部件與化部件的接合率，且陶瓷部件與化部件被良好地接 厶 1=1 O
[0014] 并且，優(yōu)選所述金屬間化合物層形成于自所述陶瓷部件與所述化-Sn層的界面距 離0. 1JimW上100JimW下的范圍內(nèi)。
[0015] 此時，由于金屬間化合物層形成于自陶瓷部件與化-Sn層的界面距離0. 1ymW上 IOOymW下的范圍內(nèi)，因此不會在陶瓷部件的附近形成較硬的金屬間化合物，且即便受到 冷熱循環(huán)也能夠可靠地抑制在陶瓷部件產(chǎn)生裂紋。并且，如上所述，由于沒有在陶瓷部件的 附近形成較硬的金屬間化合物，因此能夠可靠地提高陶瓷部件與化部件的接合率。
[0016] 本發(fā)明的第二方式所設(shè)及的功率模塊用基板由上述接合體構(gòu)成，且所述功率模 塊用基板具備：陶瓷基板，由所述陶瓷部件構(gòu)成；及電路層，在該陶瓷基板的第一面通過 化-p-ai系針料接合由所述化部件構(gòu)成的化板而成，在所述陶瓷基板與所述電路層的接合 界面形成有：位于所述陶瓷基板側(cè)且Sn固溶于化中的化-Sn層；及位于所述電路層與所述 化-Sn層之間且含P及Ti的金屬間化合物層。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的第二方式所設(shè)及的功率模塊用基板，在陶瓷基板與電路層的接合界 面，化-P-Sn系針料中所含的P進入到形成于電路層側(cè)的金屬間化合物層中。由此，在陶瓷 基板側(cè)形成不具有含P的金屬間化合物或含P的金屬間化合物極少的化-Sn層。目P，由于 沒有在陶瓷基板的附近形成較硬的金屬間化合物，因此能夠減少受到冷熱循環(huán)時在陶瓷基 板產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其結(jié)果，能夠抑制在陶瓷基板產(chǎn)生裂紋。
[0018] 并且，在陶瓷基板與電路層的接合界面，由于沒有在陶瓷基板的附近形成較硬的 金屬間化合物，因此可提高陶瓷基板與電路層的接合率，且陶瓷基板與電路層被良好地接 合。
[0019] 并且，在本發(fā)明的第二方式所設(shè)及的功率模塊用基板中，優(yōu)選在所述陶瓷基板的 第二面形成有金屬層。
[0020] 此時，由于在陶瓷基板的第二面形成有金屬層，因此能夠通過金屬層有效地散發(fā) 陶瓷基板側(cè)的熱量。
[0021] 并且，優(yōu)選如下：所述金屬層在所述陶瓷基板的第二面通過化-P-Sn系針料及Ti 材接合由化或化合金構(gòu)成的化板而成，在所述陶瓷基板與所述金屬層的接合界面形成 有：位于所述陶瓷基板側(cè)且Sn固溶于化中的化-Sn層；及位于所述金屬層與所述化-Sn層 之間且含P及Ti的金屬間化合物層。
[0022] 此時，在陶瓷基板與金屬層的接合界面，化-P-Sn系針料中所含的P進入到形成于 金屬層側(cè)的金屬間化合物層中。由此，在陶瓷基板側(cè)形成有不具有含P的金屬間化合物或 含P的金屬間化合物極少的化-Sn層。目P，由于沒有在陶瓷基板的附近形成較硬的金屬間 化合物，因此能夠減少受到冷熱循環(huán)時在陶瓷基板產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其結(jié)果，能夠抑制在陶瓷 基板產(chǎn)生裂紋。
[0023] 并且，在陶瓷基板與電路層的接合界面，由于沒有在陶瓷基板的附近形成較硬的 金屬間化合物，因此可提高陶瓷基板與電路層的接合率，且陶瓷基板與電路層被良好地接 厶 1=1O
[0024] 并且，所述金屬層也可W由Al或Al合金構(gòu)成。
[00對此時，由Al或Al合金構(gòu)成的金屬層的強度較低，因此受到冷熱循環(huán)時，能夠減少 在陶瓷基板產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
[00%] 根據(jù)本發(fā)明，可提供一種能夠良好地接合陶瓷部件與化部件，并且能夠在受到冷 熱循環(huán)時抑制陶瓷部件產(chǎn)生裂紋的接合體及功率模塊用基板。
【附圖說明】
[0027] 圖1為使用本發(fā)明的第一實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的功率模塊的概略 說明圖。
[0028] 圖2為本發(fā)明的第一實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的概略說明圖。
[0029] 圖3為拍攝圖2所示的電路層與陶瓷基板的接合界面的截面的電子顯微鏡照片及 其概略圖。
[0030] 圖4為說明本發(fā)明的第一實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法及功率 模塊的制造方法的流程圖。
[0031] 圖5為本發(fā)明的第一實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法及功率模塊 的制造方法的概略說明圖。
[0032] 圖6為使用本發(fā)明的第二實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的功率模塊的概略 說明圖。
[0033] 圖7為本發(fā)明的第二實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的概略說明圖。
[0034] 圖8為圖7所示的金屬層與陶瓷基板的接合界面的截面的概略圖。
[0035] 圖9為說明本發(fā)明的第二實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法及功率 模塊的制造方法的流程圖。
[0036] 圖10為本發(fā)明的第二實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法及功率模塊 的制造方法的概略說明圖。
[0037] 圖11為使用本發(fā)明的第=實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的功率模塊的概略 說明圖。
[0038] 圖12為本發(fā)明的第=實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的概略說明圖。
[0039] 圖13為說明本發(fā)明的第=實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法及功率 模塊的制造方法的流程圖。
[0040] 圖14為本發(fā)明的第=實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法及功率模塊 的制造方法的概略說明圖。
[0041] 圖15為使用本發(fā)明的第四實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的功率模塊的概略 說明圖。
[0042] 圖16為拍攝本發(fā)明的第四實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的電路層與陶瓷基 板的接合界面的截面的電子顯微鏡照片。
[0043] 圖17為說明本發(fā)明的第四實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法及功率 模塊的制造方法的流程圖。
[0044] 圖18為本發(fā)明的第四實施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法及功率模塊 的制造方法的概略說明圖。
【具體實施方式】 柳45](第一實施方式）
[0046] W下，參考附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。首先，對本發(fā)明的第一實施方式進 行說明。
[0047] 本實施方式所設(shè)及的接合體為由陶瓷部件即陶瓷基板11與化部件即化板22 (電 路層12)接合而成的功率模塊用基板10。圖1示出具備本實施方式即功率模塊用基板10 的功率模塊1。
[0048] 該功率板塊1具備：配設(shè)有電路層12的功率板塊用基板10 ;及在電路層12的其 中一個面（圖1中為上表面）通過接合層2而接合的半導(dǎo)體元件3。
[0049] 如圖2所示，功率模塊用基板10具備：具有第一面和第二面的陶瓷基板11 ;及配 設(shè)于該陶瓷基板11的其中一個面即第一面（圖2中為上表面）的電路層12。
[0050] 陶瓷基板11由絕緣性較高的A1N(氮化侶）、Si3N4(氮化娃）、Al2〇3(氧化侶）等 陶瓷構(gòu)成。在本實施方式中，陶瓷基板11由散熱性優(yōu)異的AlN(氮化侶）構(gòu)成。并且，陶瓷 基板11的厚度被設(shè)定在0. 2~1. 5mm范圍內(nèi)，在本實施方式中被設(shè)定為0. 635mm。
[0051] 電路層12在陶瓷基板11的第一面通過化-P-Sn系針料及Ti材來接合具有導(dǎo)電 性的化或化合金的金屬板（化板22)而形成。作為化板22例如可W是無氧銅、脫氧銅、 初銅等，在本實施方式中為無氧銅。并且，化板22的厚度優(yōu)選被設(shè)定在0. 1~1.Omm范圍， 在本實施方式中被設(shè)定為0. 6mm。 W巧作為化-P-Sn系針料，具體而言可舉出化-P-Sn針料、化-P-Sn-Ni系針料、Qi-P-Sn-化系針料、化-P-Sn-Mn系針料、化-P-Sn-Cr系針料等。優(yōu)選在Qi-P-Sn系針料中 含有3質(zhì)量％ ^上10質(zhì)量％W下的P和0. 5質(zhì)量％ ^上25質(zhì)量％W下的Sn。在本實施方 式中，作為化-P-Sn系針料使用化-P-Sn-Ni針料24。另外，化-P-Sn系針料的烙點為710°C W下，在本實施方式中使用的化-P-Sn-Ni針料24的烙點為580°C。另外，在本實施方式中， 將化-P-Sn系針料的固相線溫度作為烙點。
[0053] 在本實施方式中，電路層12在陶瓷基板11的第一面層疊化-P-Sn-Ni針料24、Ti 材25及由無氧銅構(gòu)成的化板22的狀態(tài)下，對它們進行加熱處理來接合化板22而形成 (參考圖5)。
[0054] 其中，在電路層12中的陶瓷基