接合體、功率模塊用基板及自帶散熱器的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)及一種通過接合侶部件與由銅、儀、或銀形成的金屬部件而成的接合體、 功率模塊用基板及自帶散熱器的功率模塊用基板。
[0002] 本發(fā)明基于2013年3月14日于日本申請的專利申請2013-052408號及專利申請 2013-052409號主張優(yōu)先權(quán)，并將其內(nèi)容援引于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 在L邸或功率模塊等的半導(dǎo)體裝置中，設(shè)定為在由導(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] 為了控制風(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，由于發(fā)熱量多，因此在作為搭載該元件的基板，例如在由A1N(氮化侶）等構(gòu)成的陶瓷基 板（絕緣層）的一個面、或兩個面接合有導(dǎo)電性優(yōu)異的金屬板的情況下，將一個面的金屬板 作為電路層，將另一個面的金屬板作為金屬層的功率模塊用基板W往就被廣泛使用。 陽0化]例如，專利文獻1所示的功率模塊構(gòu)成為具備在陶瓷基板的一個面形成由A1構(gòu)成 的電路層（侶部件）及在另一個面形成由A1構(gòu)成的金屬層的功率模塊用基板、和在該電路 層上經(jīng)由焊錫材料而接合的半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)。并且，設(shè)定為在功率模塊用基板的下側(cè)接 合有散熱器，將因半導(dǎo)體元件而產(chǎn)生的熱傳遞至功率模塊用基板側(cè)，且經(jīng)由散熱器而往外 部發(fā)散的結(jié)構(gòu)。
[0006] 然而，如專利文獻1所述的功率模塊，當(dāng)由A1構(gòu)成電路層時，由于在表面形成A1 的氧化皮膜，因此無法經(jīng)由焊錫材料而接合半導(dǎo)體元件。并且，當(dāng)由A1構(gòu)成金屬層時，由于 在表面形成A1的氧化皮膜，因此無法經(jīng)由焊錫材料而接合散熱器。
[0007] 于是，W往例如專利文獻2所公開，在電路層或金屬層、散熱器的表面通過化學(xué)鍛 等形成Ni鍛膜之后，再W焊錫材料接合。
[0008] 并且，在專利文獻3中提出有利用包含氧化銀粒子與由有機物構(gòu)成的還原劑的氧 化銀漿料來代替焊錫材料而接合半導(dǎo)體元件、金屬層及散熱器等的技術(shù)。
[0009] 并且，在專利文獻4中提出有將電路層及金屬層通過A1層與化層構(gòu)成的功率模 塊。此時，在電路層及金屬層的表面配置有化層，因此能夠利用焊錫材料而良好地接合半 導(dǎo)體元件。而且，由于化的變形阻力比A1大，因此在該功率模塊負荷熱循環(huán)時，能夠抑制 電路層表面及金屬層表面的較大變形，可W防止焊錫層龜裂的發(fā)生、使半導(dǎo)體元件與電路 層的接合可靠性及金屬層與散熱器的接合可靠性提高。
[0010] 并且，專利文獻4所述的功率模塊中，作為電路層及金屬層使用經(jīng)由Ti層而接合 A1層與化層的接合體。其中，在A1層與Ti層之間形成有擴散層，該擴散層從A1層側(cè)起依 次具有Al-Ti層、A^Ti-Si層、及Al-Ti-Cu層。
[0011] 專利文獻1 :日本專利第3171234號公報
[0012] 專利文獻2 :日本專利公開2004-172378號公報
[0013] 專利文獻3 :日本專利公開2008-208442號公報
[0014] 專利文獻4 :日本專利第3012835號公報
[0015] 然而，如專利文獻2所述，在電路層表面及金屬層表面形成有Ni鍛膜的功率模塊 用基板中，在直到將半導(dǎo)體元件接合到電路層為止的過程W及直到將散熱器接合到金屬層 為止的過程中有可能導(dǎo)致Ni鍛膜的表面因氧化等而劣化，與經(jīng)由焊錫材料而接合的半導(dǎo) 體元件的接合可靠性及與經(jīng)由焊錫材料而接合的散熱器的接合可靠性降低。并且，Ni電鍛 工序中往往進行遮蔽處理，W免由于在不需要的領(lǐng)域形成Ni電鍛而發(fā)生電蝕等故障。如 此，當(dāng)進行遮蔽處理后再進行電鍛處理時，存在如下問題，即在電路層部分及金屬層部分形 成Ni鍛膜的工序中需要消耗大量勞力，而導(dǎo)致功率模塊的制造成本大幅增加。
[0016] 并且，如專利文獻3所述，當(dāng)使用氧化銀漿料而接合電路層與半導(dǎo)體元件時，W及 當(dāng)使用氧化銀漿料而接合金屬層與散熱器時，由于A1與氧化銀漿料的燒結(jié)體的接合性較 差，因此需要預(yù)先在電路層的表面及金屬層的表面形成Ag基底層。
[0017] 并且，在專利文獻4所述的功率模塊中存在如下問題，即在電路層中的A1層與Ti 層的接合界面形成較硬的Al-Ti層或Al-Ti-化層，并在金屬層中的A1層與Ti層的接合界 面形成較硬的M-Ti層或Al-Ti-化層，從而導(dǎo)致當(dāng)負荷熱循環(huán)時發(fā)生龜裂。
[0018] 而且，存在如下問題，即當(dāng)在A1層上經(jīng)由Ti錐層疊銅板等，且加熱至可使A1層與 Ti錐的界面烙融的溫度時，由于在接合界面產(chǎn)生液相而產(chǎn)生凸起，且厚度發(fā)生改變，因此接 合可靠性降低。
[0019] 其中，作為專利文獻2的Ni電鍛的代替方案，還考慮到如專利文獻4所述，在由A1 構(gòu)成的電路層及由A1構(gòu)成的金屬層上，通過經(jīng)由Ti錐接合Ni板而形成Ni層。并且，還考 慮到使用專利文獻3的氧化銀漿料時，在由A1構(gòu)成的電路層及由A1構(gòu)成的金屬層上，通過 經(jīng)由Ti錐接合Ag板而形成Ag基底層。
[0020] 然而，在W專利文獻4所述的方法形成Ni層或Ag層時，與形成化層時同樣地在 A1層與Ti層的接合界面形成Al-Ti層、A^Ti-Ni層、A^Ti-Ag層等的較硬層，且在接合界 面產(chǎn)生凸起等，因此有可能導(dǎo)致接合可靠性降低。
[0021] 如上所述，W往無法將侶部件，與由銅、儀、銀的任一種構(gòu)成的金屬部件良好地接 合，而未能得到接合可靠性優(yōu)異的接合體。并且，W往無法將A1層，與由化、Ni、Ag的任一 種構(gòu)成的金屬部件層良好地接合，而未能得到具有接合可靠性優(yōu)異的金屬層的功率模塊用 基板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 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將侶部件，與由銅、儀、銀 的任一種構(gòu)成的金屬部件良好地接合，在負荷熱循環(huán)時能夠抑制接合部發(fā)生龜裂，且接合 可靠性良好的接合體、功率模塊用基板及自帶散熱器的功率模塊用基板。
[0023] 并且，其目的在于提供一種在具有A1層與由銅、儀、銀的任一種構(gòu)成的金屬部件 層的金屬層中良好地接合A1層與金屬部件層，在負荷熱循環(huán)時能夠抑制接合部發(fā)生龜裂， 且接合可靠性良好的接合體、功率模塊用基板及自帶散熱器的功率模塊用基板。
[0024] 為了解決上述課題，（1)本發(fā)明的一方式的接合體，接合有由侶構(gòu)成的侶部件與由 銅、儀、或銀構(gòu)成的金屬部件，在所述侶部件與所述金屬部件的接合部形成有位于所述金屬 部件側(cè)的Ti層、和位于所述Ti層與所述侶部件之間且Si固溶于AVri的Al-Ti-Si層，所 述Al-Ti-Si層具備形成于所述Ti層側(cè)的第一Al-Ti-Si層、和形成于所述侶部件側(cè)且Si濃度比所述第一Al-Ti-Si層低的第二Al-Ti-Si層。
[00巧]根據(jù)上述接合體，在由侶構(gòu)成的侶部件與由銅、儀、或銀構(gòu)成的金屬部件的接合部 形成有Ti層與Al-Ti-Si層，且未形成有較硬的Al-Ti-化層或M-Ti層等，因此在負荷熱 循環(huán)時，能夠抑制接合部發(fā)生龜裂，且能夠提高侶部件與金屬部件的接合可靠性。
[00%] 并且，由于形成于Ti層側(cè)的第一Al-Ti-Si層的Si濃度比形成于侶部件側(cè)的第二Al-Ti-Si層高，能夠通過Si濃度較高的第一Al-Ti-Si層而抑制Ti原子擴散到侶部件側(cè)， 且能夠使第一Al-Ti-Si層及第二Al-Ti-Si層的厚度變薄，在負荷熱循環(huán)時，能夠抑制接合 部發(fā)生龜裂。
[0027] 并且，在本發(fā)明，侶由純侶或侶合金構(gòu)成，金屬部件則是由銅或銅合金、儀或儀合 金、或者銀或銀合金構(gòu)成。
[0028] (2)本發(fā)明的另一方式的接合體為（1)所述的接合體，在上述接合體中，所述第二 Al-Ti-Si層所含有的Si濃度為lat%W上。
[0029] 運種情況下，由于形成于侶部件側(cè)的第二Al-Ti-Si層具有足夠的Si濃度，因此 能夠抑制構(gòu)成侶部件的A1原子過度地擴散到Ti層側(cè)，且能夠使第一Al-Ti-Si層、及第二 Al-Ti-Si層的厚度變薄。
[0030] (3)本發(fā)明的另一方式的功率模塊用基板，具備絕緣層、和形成于所述絕緣層的一 個面的電路層，所述電路層由（1)或（2)所述的接合體構(gòu)成，所述電路層具有形成于所述 絕緣層的一個面且由所述侶部件構(gòu)成的A1層、和形成于該A1層的一個面且由所述金屬部 件構(gòu)成的金屬部件層，在所述A1層和所述金屬部件層的接合部形成有位于所述金屬部件 層側(cè)的Ti層、和位于所述Ti層與所述A1層之間且Si固溶于AlsTi的Al-Ti-Si層，所述 Al-Ti-Si層具備形成于所述Ti層側(cè)的第一Al-Ti-Si層、和形成于所述A1層側(cè)且Si濃度 比所述第一Al-Ti-Si層還低的第二Al-Ti-Si層。
[0031] 根據(jù)上述功率模塊用基板，在電路層中，在A1層與金屬部件層的接合部形成有Ti 層與Al-Ti-Si層，且未形成有較硬的Al-Ti-化層或M-Ti層等，因此在負荷熱循環(huán)時，能 夠抑制電路層發(fā)生龜裂。從而，在功率模塊中，能夠提高半導(dǎo)體元件與功率模塊用基板的接 合可靠性。
[0032] 并且，形成于Ti層側(cè)的第一Al-Ti-Si層的Si濃度，比形成于A1層側(cè)的第二 Al-Ti-Si層的Si濃度高，因此能夠抑制Ti原子擴散到A1層側(cè)，且能夠使第一Al-Ti-Si 層、及第二Al-Ti-Si層的厚度變薄。
[0033] 并且，運種情況下，在絕緣層的一個面形成有變形阻力比較小的A1層，因此A1層 吸收負荷熱循環(huán)時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，能夠抑制陶瓷基板發(fā)生破裂。
[0034] 另外，當(dāng)在A1層的一個面形成有由銅或銅合金構(gòu)成的化層時，與A1層相比化層 變形阻力大，因此負荷熱循環(huán)時電路層的變形得到抑制，能夠抑制接合半導(dǎo)體元件與電路 層的焊錫層的變形而提高接合可靠性。并且，熱傳導(dǎo)率良好的化層形成于電路層的一側(cè)， 從而能夠擴散來自半導(dǎo)體元件的熱而有效地傳遞至功率模塊用基板側(cè)。
[0035] 并且，當(dāng)在A1層的一個面形成有由儀或儀合金構(gòu)成的Ni層時，焊錫接合性變得良 好，與半導(dǎo)體元件的接合可靠性得到提高。
[0036] 并且，當(dāng)在A1層的一個面形成有由銀或銀合金構(gòu)成的Ag層時，例如利用包含氧化 銀粒子與由有機物構(gòu)成的還原劑的氧化銀漿料來接合半導(dǎo)體元件時，由于氧化銀被還原的 銀與Ag層成為同一種類的金屬之間的接合，因此能夠提高接合可靠性。并且，由于熱傳導(dǎo) 率良好的Ag層形成在電路層的一側(cè)，因此能夠擴散來自半導(dǎo)體元件的熱而有效率地傳遞 到功率模塊用基板側(cè)。
[0037] (4)本發(fā)明的另一方式的功率模塊用基板，其為（3)所述的功率模塊用基板，具備 形成于所述絕緣層的另一個面的金屬層，所述金屬層由（1)或（2)所述的接合體構(gòu)成，所述 金屬層具有A1層和金屬部件層，所述A1層形成于所述絕緣層的另一個面且由所述侶部件 構(gòu)成，所述金屬部件層形成于該A1層中的與形成有所述絕緣層的面相反側(cè)的面且由所述 金屬部件構(gòu)成，在所述A1層和所述金屬部件層的接合部形成有位于所述金屬部件層側(cè)的 Ti層、和位于所述Ti層與所述A1層之間且Si固溶于AVri的Al-Ti-Si層，所述Al-Ti-Si 層具備形成于