接合體的制造方法及功率模塊用基板的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 該發(fā)明設(shè)及一種陶瓷部件與Cu部件接合而成的接合體的制造方法及在陶瓷基板 的其中一個(gè)面配設(shè)有由化或化合金構(gòu)成的電路層的功率模塊用基板的制造方法。
[0002] 本申請(qǐng)主張基于2013年8月26日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)第2013-175003號(hào)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] 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(dòng)汽車等電動(dòng)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(yùn)種功率半導(dǎo)體元件的基板，至今W來廣泛使用例如在由 A1N(氮化侶)等構(gòu)成的陶瓷基板的其中一個(gè)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(gè)面接合金屬板W作為金屬層。
[0005] 例如，專利文獻(xiàn)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(gè)面通過接合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(gè)面夾著化-Mg-Ti針料配置化板的狀態(tài)下進(jìn)行加熱處理，從而接合化板。
[0006] 專利文獻(xiàn)1:日本專利第4375730號(hào)公報(bào)
[0007] 然而，如專利文獻(xiàn)1中所公開的，若通過Cu-Mg-Ti針料將陶瓷基板與化板接合而形 成電路層，則在陶瓷基板與針料的接合界面較厚地形成包含化、Mg或Ti的金屬間化合物層。 [000引由于形成于該陶瓷基板與針料的接合界面的金屬間化合物層較硬，因此存在使陶 瓷基板與電路層的接合率變差，而無法良好地接合陶瓷基板與電路層的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 該發(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 與化部件的接合體的制造方法及功率模塊用基板的制造方法。
[0010] 為解決上述課題，本發(fā)明的第一方式所設(shè)及的接合體的制造方法為制造由陶瓷構(gòu) 成的陶瓷部件與由Cu或化合金構(gòu)成的化部件接合而成的接合體的方法，所述接合體的制造 方法具備：層疊工序，通過含3質(zhì)量％ ^上10質(zhì)量％ W下的P的Cu-p系針料及活性金屬材料 層疊所述陶瓷部件與所述Cu部件;及加熱處理工序，對(duì)層疊的所述陶瓷部件及所述Cu部件 進(jìn)行加熱處理。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的第一方式所設(shè)及的接合體的制造方法，其具備:通過含3質(zhì)量％ ^上 10質(zhì)量％ W下的P的化-P系針料和活性金屬材料來層疊所述陶瓷部件與所述化部件的層疊 工序;及對(duì)層疊的所述陶瓷部件及所述Cu部件進(jìn)行加熱處理的加熱處理工序，因此在加熱 處理工序中，通過Cu-P系針料中所含的P與活性金屬材料中所含的活性元素的結(jié)合，從而形 成含P的金屬間化合物，且P進(jìn)入到該金屬間化合物中而在陶瓷部件側(cè)形成Cu層。此時(shí)，由于 沒有在陶瓷部件與Cu層的接合界面形成較硬的金屬間化合物層，因此陶瓷部件與化部件的 接合率得到提高，能夠良好地接合陶瓷部件與化部件。
[0012]并且，由于含3質(zhì)量％^上10質(zhì)量下的P的Cu-p系針料的烙點(diǎn)較低，因此能夠 W較低的溫度接合陶瓷部件與Cu部件。其結(jié)果，能夠在進(jìn)行接合時(shí)減輕施加于陶瓷部件的 熱負(fù)載。
[001引其中，活性金屬材料為例如含有Ti、Zr、師、Hf等活性元素中的任意一種或兩種W 上的物質(zhì)。并且，活性金屬材料的形狀例如為錐或粉末等。
[0014] 并且，優(yōu)選在所述陶瓷部件側(cè)配置所述Cu-p系針料，在所述Cu部件側(cè)配置所述活 性金屬材料。
[0015] 在該結(jié)構(gòu)中，通過對(duì)Cu部件與活性金屬材料進(jìn)行加熱處理，能夠通過固相擴(kuò)散來 接合Cu部件與活性金屬材料。因此，通過Cu-P系針料烙融液的凝固，能夠可靠地接合陶瓷部 件與化部件。
[0016] 并且，所述Cu-p系針料優(yōu)選為選自Cu-p針料、Cu-P-Sn針料、Cu-P-Sn-化針料、Cu- P-化針料中的任意一種。
[0017] 當(dāng)使用運(yùn)種針料時(shí)，由于針料的烙點(diǎn)較低，因此即便在低溫條件下也能夠可靠地 接合陶瓷部件與Cu部件。并且，在接合陶瓷部件與Cu部件時(shí)，針料中所含的P等通過與活性 金屬材料中所含的元素結(jié)合而形成金屬間化合物，且能夠在陶瓷部件側(cè)可靠地形成不具有 含P的金屬間化合物或含P的金屬間化合物極少的化層。
[0018] 并且，在上述接合體的制造方法中，所述活性金屬材料優(yōu)選含Ti。
[0019] 此時(shí)，在加熱處理工序中，Ti與Cu-p系針料中所含的P經(jīng)過結(jié)合而形成含P及Ti的 金屬間化合物，且P進(jìn)入到該金屬間化合物中，從而在陶瓷部件側(cè)可靠地形成化層。因此，能 夠可靠地抑制在陶瓷部件與Cu層的接合界面形成較硬的金屬間化合物層，能夠提高陶瓷部 件與化部件的接合率，從而能夠良好地接合陶瓷部件與化部件。
[0020] 本發(fā)明的第二方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法為制造在陶瓷基板的第 一面配設(shè)有由化或Cu合金構(gòu)成的電路層的功率模塊用基板的方法，所述功率模塊用基板的 制造方法的特征在于，通過上述接合體的制造方法來接合所述陶瓷基板與所述電路層。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的第二方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法，在加熱處理工序 中，通過活性金屬材料與P的結(jié)合而形成含P的金屬間化合物，且P進(jìn)入到該金屬間化合物中 而在陶瓷基板側(cè)形成Cu層。此時(shí)，由于沒有在陶瓷基板與Cu層的接合界面形成較硬的金屬 間化合物層，因此陶瓷基板與電路層的接合率得到提高，能夠良好地接合陶瓷基板與電路 層。
[0022] 并且，Cu-p系針料的烙點(diǎn)較低，能夠W較低的溫度在陶瓷基板的第一面形成電路 層，因此能夠抑制在形成電路層時(shí)陶瓷基板熱劣化。
[0023] 并且，本發(fā)明的第Ξ方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法可W如下：其作為 制造在陶瓷基板的第一面配設(shè)有Cu或Cu合金構(gòu)成的電路層且在第二面配設(shè)有由Cu或Cu合 金構(gòu)成的金屬層的功率模塊用基板的方法，通過上述接合體的制造方法來接合所述陶瓷基 板與所述電路層W及所述陶瓷基板與所述金屬層。
[0024] 在該結(jié)構(gòu)中，在陶瓷基板的第一面及第二面，通過活性金屬材料與Cu-p系針料中 所含的P的結(jié)合而形成含P的金屬間化合物，從而形成Cu層，且不會(huì)在陶瓷基板與Cu層的接 合界面形成較硬的金屬間化合物層。因此，能夠提高陶瓷基板與電路層的接合率W及陶瓷 基板與金屬層的接合率，能夠良好地接合陶瓷基板與電路層w及陶瓷基板與金屬層。
[0025] 并且，能夠W較低的溫度在陶瓷基板的第一面形成電路層且在第二面形成金屬 層，因此能夠抑制陶瓷基板熱劣化。
[0026] 并且，在該功率模塊用基板的制造方法中，能夠在陶瓷基板的第一面形成電路層 的同時(shí)在第二面形成金屬層。其結(jié)果，既能夠減少施加于陶瓷基板的熱負(fù)載，又能夠減少制 造成本。
[0027] 并且，本發(fā)明的第四方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法可W如下：其作為 制造在陶瓷基板的第一面配設(shè)有由Cu或Cu合金構(gòu)成的電路層且在第二面配設(shè)有由A1或A1 合金構(gòu)成的金屬層的功率模塊用基板的方法，通過上述接合體的制造方法來接合所述陶瓷 基板與所述電路層。
[00%]并且，由于W較低的溫度在陶瓷基板的第一面形成電路層且在第二面形成金屬 層，因此能夠抑制陶瓷基板熱劣化。
[0029] 在本發(fā)明的第四方式所設(shè)及的功率模塊用基板的制造方法中，同樣也能夠在陶瓷 基板的第一面形成電路層的同時(shí)在第二面形成金屬層，既能夠減少施加于陶瓷基板的熱負(fù) 載，又能夠減少制造成本。
[0030] 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的接合體的制造方法 及功率模塊用基板的制造方法。
【附圖說明】
[0031] 圖1為使用本發(fā)明的第一實(shí)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。
[0032] 圖2為本發(fā)明的第一實(shí)施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的概略說明圖。
[0033] 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。
[0034] 圖4為說明本發(fā)明的第一實(shí)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。
[0035] 圖5為本發(fā)明的第一實(shí)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。
[0036] 圖6為使用本發(fā)明的第二實(shí)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。
[0037] 圖7為本發(fā)明的第二實(shí)施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的概略說明圖。
[0038] 圖8為拍攝圖7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。
[0039] 圖9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。
[0040] 圖10為說明本發(fā)明的第二實(shí)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。
[0041] 圖11為本發(fā)明的第二實(shí)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。
[0042] 圖12為使用本發(fā)明的第Ξ實(shí)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。
[0043] 圖13為本發(fā)明的第Ξ實(shí)施方式所設(shè)及的功率模塊用基板的概略說明圖。
[0044] 圖14為拍攝圖13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。
[0045] 圖15為說明本發(fā)明的第Ξ實(shí)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。
[0046] 圖16為本發(fā)明的第Ξ實(shí)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(shí)施方式】
[0047] (第一實(shí)施方式）
[0048] W下，參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。首先，對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施方式進(jìn) 行說明。
[0049] 本實(shí)施方式所設(shè)及的接合體的制造方法為通過接合陶瓷基板11(陶瓷部件）與電 路層12(Cu部件)來制造作為接合體的功率模塊用基板10。圖1中示出具備本實(shí)施方式所設(shè) 及的功率模塊用基板10的功率模塊1。
[0050] 該功率模塊1具備:配設(shè)有電路層12的功率模塊用基板10;及在電路層12的其中一 個(gè)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。
[0051] 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(gè)面即第一面(圖2中為上表面)的電路層12。
[0052] 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(shí)施方式中，陶瓷基板11由散熱性優(yōu)異的A1N(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(shí)施方式中被設(shè)定為0.635mm。
[0053] 電路層12通過在陶瓷基板11的第一面通過活性金屬材料及Cu-P系針料接合具有 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(shí)施方式中為無氧銅。并且，化板22的厚度被設(shè)定在0.1~1.0mm范圍內(nèi)，在本實(shí) 施方式中被設(shè)定為0.6mm。
[0054] 其中，在本實(shí)施方式中，Cu-P系針料中P的含量為3質(zhì)量％ ^上10質(zhì)量％ W下。W 下，對(duì)將P的含量設(shè)定在3質(zhì)量％^上10質(zhì)量下的理由進(jìn)行說明。
[0055] (P:3質(zhì)量％^上10質(zhì)量％^下）
[0056] P為具有降低針料的烙點(diǎn)的作用效果的元素。并且，該P(yáng)為通過P的氧化而產(chǎn)生的P 氧化物來包覆針料表面，從而防止針料的氧化，并且通過流動(dòng)性良