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TW201841871A - 銅／陶瓷接合體，絕緣電路基板，及銅／陶瓷接合體的製造方法，絕緣電路基板的製造方法 - Google Patents

銅／陶瓷接合體，絕緣電路基板，及銅／陶瓷接合體的製造方法，絕緣電路基板的製造方法 Download PDF

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TW201841871A
TW201841871A TW107106520A TW107106520A TW201841871A TW 201841871 A TW201841871 A TW 201841871A TW 107106520 A TW107106520 A TW 107106520A TW 107106520 A TW107106520 A TW 107106520A TW 201841871 A TW201841871 A TW 201841871A
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TW
Taiwan
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copper
active metal
ceramic
ceramic substrate
circuit board
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TW107106520A
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Inventor
寺﨑伸幸
Original Assignee
日商三菱綜合材料股份有限公司
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Application filed by 日商三菱綜合材料股份有限公司 filed Critical 日商三菱綜合材料股份有限公司
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Abstract

本發明之銅/陶瓷接合體，係由銅或銅合金所成之銅構件、與由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷構件被接合，在銅構件與陶瓷構件之間，於陶瓷構件側，形成有從由Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的氮化物所成之活性金屬氮化物層，在此活性金屬氮化物層與銅構件之間形成有Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層，Mg固溶層中存在活性金屬。

Description

銅／陶瓷接合體，絕緣電路基板，及銅／陶瓷接合體的製造方法，絕緣電路基板的製造方法
本發明有關由銅或銅合金所成之銅構件與由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷構件被接合而構成之銅/陶瓷接合體，絕緣電路基板，及銅/陶瓷接合體的製造方法，絕緣電路基板的製造方法。 　　本申請案基於2017年2月28日於日本申請之特願2017-036841號、及2018年1月25日於日本申請之特願2018-010964號而主張優先權，將其內容援用於此。
功率模組、LED模組及熱電模組中，具備下述構造，即，於在絕緣層的一方的面形成有由導電材料所成之電路層的絕緣電路基板，接合著功率半導體元件、LED元件及熱電元件。 　　例如，為了控制風力發電、電動車、混合動力汽車等而使用之大電力控制用的功率半導體元件，動作時的發熱量多。因此，作為搭載功率半導體元件之基板，以往便廣泛使用一種絕緣電路基板，其具備了例如由氮化鋁或氮化矽等所成之陶瓷基板、及在此陶瓷基板的一方的面接合導電性優良的金屬板而形成之電路層。作為絕緣電路基板，也有人提供一種在陶瓷基板的另一方的面接合金屬板來形成金屬層之物。
例如，專利文獻1中，提出一種將構成電路層及金屬層之第一金屬板及第二金屬板訂為銅板，而將此銅板藉由DBC法(Direct Bonded Copper；直接覆銅法)直接接合至陶瓷基板而成之絕緣電路基板。此DBC法中，利用銅與銅氧化物之共晶反應，令液相發生於銅板與陶瓷基板之界面，藉此將銅板與陶瓷基板接合。
專利文獻2中，提出一種在陶瓷基板的一方的面及另一方的面將銅板接合，藉此形成電路層及金屬層之絕緣電路基板。此絕緣電路基板中，令Ag-Cu-Ti系硬銲材介於陶瓷基板的一方的面及另一方的面而配置銅板，進行加熱處理，藉此讓銅板被接合(即所謂活性金屬硬銲法)。此活性金屬硬銲法中，使用含有活性金屬亦即Ti之硬銲材，因此熔融的硬銲材與陶瓷基板之潤濕性會提升，陶瓷基板與銅板會被良好地接合。
專利文獻3中，提出一種含有由Cu-Mg-Ti合金所成之粉末的膏，作為於高溫的氮氣環境下將銅板與陶瓷基板接合時所使用之接合用硬銲材。此專利文獻3中，具備藉由於氮氣環境下以560～800℃加熱而接合之構成，Cu-Mg-Ti合金中的Mg會昇華而不會殘存於接合界面，且實質上不會形成氮化鈦(TiN)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開平04-162756號公報 　　[專利文獻2] 日本特許第3211856號公報 　　[專利文獻3] 日本特許第4375730號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，如專利文獻1所揭示般，當藉由DBC法將陶瓷基板與銅板接合的情形下，必須將接合溫度訂為1065℃以上(銅與銅氧化物之共晶點溫度以上)，因此接合時陶瓷基板有劣化之虞。
如專利文獻2所揭示般，當藉由活性金屬硬銲法將陶瓷基板與銅板接合的情形下，由於硬銲材含有Ag，Ag會存在於接合界面，因此容易發生遷移(migration)，而無法使用於高耐壓用途。此外，接合溫度被訂為900℃這一相對高溫，因此仍舊有陶瓷基板劣化的問題。
如專利文獻3所揭示般，當使用由含有Cu-Mg-Ti合金所成之粉末的膏所成之接合用硬銲材而於氮氣環境下接合的情形下，氣體會殘存於接合界面，而有容易發生部分放電的問題。此外，由於使用合金粉，因應合金粉的組成不均，熔融狀況會變得不均一，而有局部性地形成界面反應不充分的區域之虞。此外，膏中含有的有機物會殘存於接合界面，而有接合變得不充分之虞。
本發明係有鑑於前述事態而研發，目的在於提供一種銅構件與陶瓷構件確實地被接合，而耐遷移性優良之銅/陶瓷接合體，絕緣電路基板，及上述的銅/陶瓷接合體的製造方法，絕緣電路基板的製造方法。 [解決問題之技術手段]
為解決這樣的問題，達成前述目的，本發明的一個態樣之銅/陶瓷接合體，係由銅或銅合金所成之銅構件、與由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷構件被接合而構成之銅/陶瓷接合體，其特徵為，在前述銅構件與前述陶瓷構件之間，於前述陶瓷構件側，形成有含有從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的氮化物之活性金屬氮化物層，在此活性金屬氮化物層與前述銅構件之間形成有Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層，前述Mg固溶層中，存在前述活性金屬。
此構成之銅/陶瓷接合體中，在由銅或銅合金所成之銅構件、與由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷構件之間，於前述陶瓷構件側，形成有含有從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的氮化物之活性金屬氮化物層。此活性金屬氮化物層，是藉由配設於陶瓷構件與銅構件之間的活性金屬和陶瓷構件中的氮反應而形成之物，陶瓷構件會充分地反應。 　　在活性金屬氮化物層與前述銅構件之間，形成有Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層，此Mg固溶層中存在前述活性金屬，故配設於陶瓷構件與銅構件之間的Mg會朝銅構件側充分地擴散，又，Cu和活性金屬會充分地反應。 　　是故，在銅構件與陶瓷構件之接合界面，界面反應會充分地進行，能夠獲得銅構件與陶瓷構件確實地被接合而成之銅/陶瓷接合體。此外，接合界面中不存在Ag，故耐遷移性亦優良。
本發明的一個態樣之銅/陶瓷接合體中，亦可構成為，前述Mg固溶層中，分散有含有Cu與前述活性金屬之金屬間化合物相。 　　Mg固溶層中的活性金屬，當含有Ti，Zr，Hf作為活性金屬的情形下，會以Cu與前述活性金屬之金屬間化合物相的方式存在。因此，Mg固溶層中存在Cu與前述活性金屬之金屬間化合物相，藉此，配設於陶瓷構件與銅構件之間的Mg會朝銅構件側充分地擴散，Cu和活性金屬會充分地反應，能夠獲得銅構件與陶瓷構件確實地被接合而成之銅/陶瓷接合體。
本發明的一個態樣之銅/陶瓷接合體中，較佳是，在前述活性金屬氮化物層的內部，分散有Cu粒子。 　　在此情形下，銅構件的Cu會和陶瓷構件充分地反應，可獲得銅構件與陶瓷構件強固地被接合而成之銅/陶瓷接合體。Cu粒子，為Cu單體或含有Cu之金屬間化合物，於形成活性金屬氮化物層時，藉由存在於液相中的Cu析出而生成。
本發明的一個態樣之銅/陶瓷接合體中，前述活性金屬亦可為Ti。 　　在此情形下，會形成氮化鈦層作為前述活性金屬氮化物層，前述Mg固溶層中，會分散有含有Cu與Ti之金屬間化合物相，能夠提供一種銅構件與陶瓷構件確實地被接合，而耐遷移性優良之銅/陶瓷接合體。
本發明的一個態樣之銅/陶瓷接合體中，較佳是，在前述陶瓷構件與前述銅構件之間，前述陶瓷構件的接合面起算往前述銅構件側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率為15%以下。 　　在此情形下，脆弱的Cu2 Mg相的面積率會被限制在15%以下，故例如即使實施了超音波接合等的情形下，仍可抑制接合界面中的破裂等的發生。
本發明的一個態樣之絕緣電路基板，係由銅或銅合金所成之銅板被接合至由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷基板的表面而構成之絕緣電路基板，其特徵為，在前述銅板與前述陶瓷基板之間，於前述陶瓷基板側，形成有含有從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的氮化物之活性金屬氮化物層，在此活性金屬氮化物層與前述銅板之間形成有Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層，前述Mg固溶層中，存在前述活性金屬。 　　此構成之絕緣電路基板中，銅板與陶瓷基板會確實地被接合，並且耐遷移性優良，於高耐壓條件下仍能高可靠性性使用。
本發明的一個態樣之絕緣電路基板中，亦可構成為，前述Mg固溶層中，分散有含有Cu與前述活性金屬之金屬間化合物相。 　　Mg固溶層中的活性金屬，當含有Ti，Zr，Hf作為活性金屬的情形下，會以Cu與前述活性金屬之金屬間化合物相的方式存在。因此，Mg固溶層中以Cu與前述活性金屬之金屬間化合物相的方式存在，藉此，能夠獲得銅板與陶瓷基板確實地被接合而成之絕緣電路基板。
本發明的一個態樣之絕緣電路基板中，較佳是，在前述活性金屬氮化物層的內部，分散有Cu粒子。 　　在此情形下，銅板的Cu會和陶瓷基板充分地反應，可獲得銅板與陶瓷基板強固地被接合而成之絕緣電路基板。Cu粒子，為Cu單體或含有Cu之金屬間化合物，於形成活性金屬氮化物層時，藉由存在於液相中的Cu析出而生成。
本發明的一個態樣之絕緣電路基板中，前述活性金屬亦可為Ti。 　　在此情形下，會形成氮化鈦層作為前述活性金屬氮化物層，前述Mg固溶層中，會分散有含有Cu與Ti之金屬間化合物相，能夠提供一種銅板與陶瓷基板確實地被接合，而耐遷移性優良之絕緣電路基板。
本發明的一個態樣之絕緣電路基板中，較佳是，在前述陶瓷基板與前述銅板之間，前述陶瓷基板的接合面起算往前述銅板側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率為15%以下。 　　在此情形下，脆弱的Cu2 Mg相的面積率會被限制在15%以下，故例如即使實施了超音波接合等的情形下，仍可抑制接合界面中的破裂等的發生。
本發明的一個態樣之銅/陶瓷接合體的製造方法，係製造上述之銅/陶瓷接合體的方法，其特徵為，具備：活性金屬及Mg配置工程，在前述銅構件與前述陶瓷構件之間，配置從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的單體及Mg單體；及層積工程，將前述銅構件與前述陶瓷構件，介著活性金屬及Mg予以層積；及接合工程，將介著活性金屬及Mg而被層積之前述銅構件與前述陶瓷構件，在朝層積方向予以加壓之狀態下，於真空環境下做加熱處理而接合；前述活性金屬及Mg配置工程中，將活性金屬量訂為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下的範圍內，將Mg量訂為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下的範圍內。
按照此構成之銅/陶瓷接合體的製造方法，是在前述銅構件與前述陶瓷構件之間配置活性金屬的單體及Mg單體，在將它們朝層積方向予以加壓的狀態下，於真空環境下做加熱處理，故在接合界面不會殘存氣體或有機物的殘渣等。此外，由於配置活性金屬的單體及Mg單體，故沒有組成的不均，會均一地發生液相。 　　活性金屬及Mg配置工程中，是將活性金屬量訂為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下的範圍內，將Mg量訂為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下的範圍內，故能夠充分地獲得界面反應所必要之液相，並且能夠抑制陶瓷構件的必要以上的反應。 　　故，能夠獲得銅構件與陶瓷構件確實地被接合而成之銅/陶瓷接合體。此外，接合不使用Ag，故能夠獲得耐遷移性優良的銅/陶瓷接合體。
本發明的一個態樣之銅/陶瓷接合體的製造方法中，較佳是，前述接合工程中的加壓荷重被訂為0.049MPa以上3.4MPa以下的範圍內，前述接合工程中的加熱溫度，當Cu與Mg是在接觸狀態下被層積的情形下訂為500℃以上850℃以下的範圍內，當Cu與Mg是在非接觸狀態下被層積的情形下訂為670℃以上850℃以下的範圍內。
在此情形下，前述接合工程中的加壓荷重是被訂為0.049MPa以上3.4MPa以下的範圍內，故能夠使陶瓷構件與銅構件與活性金屬及Mg密合，於加熱時能夠促進它們的界面反應。 　　前述接合工程中的加熱溫度，當Cu與Mg是在接觸狀態下被層積的情形下訂為比Cu與Mg的共晶溫度還高之500℃以上，當Cu與Mg是在非接觸狀態下被層積的情形下訂為比Mg的熔點還高之670℃以上，故於接合界面能夠充分地使液相發生。 　　前述接合工程中的加熱溫度是被訂為850℃以下，故能夠抑制Cu與活性金屬之共晶反應的發生，能夠抑制液相過度地生成。此外，對陶瓷構件之熱負荷會變小，能夠抑制陶瓷構件的劣化。
本發明的一個態樣之絕緣電路基板的製造方法，係製造由銅或銅合金所成之銅板被接合至由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷基板的表面而構成之絕緣電路基板的絕緣電路基板的製造方法，其特徵為，具備：活性金屬及Mg配置工程，在前述銅板與前述陶瓷基板之間，配置從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的單體及Mg單體；及層積工程，將前述銅板與前述陶瓷基板，介著活性金屬及Mg予以層積；及接合工程，將介著活性金屬及Mg而被層積之前述銅板與前述陶瓷基板，在朝層積方向予以加壓之狀態下，於真空環境下做加熱處理而接合；前述活性金屬及Mg配置工程中，將活性金屬量訂為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下的範圍內，將Mg量訂為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下的範圍內。 　　按照此構成之絕緣電路基板的製造方法，能夠獲得銅板與陶瓷基板被確實地接合而成之絕緣電路基板。此外，接合不使用Ag，故能夠獲得耐遷移性優良的絕緣電路基板。
本發明的一個態樣之絕緣電路基板的製造方法中，較佳是，前述接合工程中的加壓荷重被訂為0.049MPa以上3.4MPa以下的範圍內，前述接合工程中的加熱溫度，當Cu與Mg是在接觸狀態下被層積的情形下訂為500℃以上850℃以下的範圍內，當Cu與Mg是在非接觸狀態下被層積的情形下訂為670℃以上850℃以下的範圍內。
在此情形下，前述接合工程中的加壓荷重是被訂為0.049MPa以上3.4MPa以下的範圍內，故能夠使陶瓷基板與銅板與活性金屬及Mg密合，於加熱時能夠促進它們的界面反應。 　　前述接合工程中的加熱溫度，當Cu與Mg是在接觸狀態下被層積的情形下訂為比Cu與Mg的共晶溫度還高之500℃以上，當Cu與Mg是在非接觸狀態下被層積的情形下訂為比Mg的熔點還高之670℃以上，故於接合界面能夠充分地使液相發生。 　　前述接合工程中的加熱溫度是被訂為850℃以下，故能夠抑制Cu與活性金屬之共晶反應的發生，能夠抑制液相過度地生成。此外，對陶瓷基板之熱負荷會變小，能夠抑制陶瓷基板的劣化。 [發明之功效]
按照本發明，可提供一種銅構件與陶瓷構件確實地被接合，而耐遷移性優良之銅/陶瓷接合體，絕緣電路基板，及上述的銅/陶瓷接合體的製造方法，絕緣電路基板的製造方法。
以下參照所附圖面說明本發明之實施形態。
(第1實施形態) 　　針對本發明之第1實施形態，參照圖1至圖4說明之。 　　本實施形態之銅/陶瓷接合體，係被做成藉由陶瓷構件即陶瓷基板11與銅構件即銅板22(電路層12)及銅板23(金屬層13)被接合而構成之絕緣電路基板10。 　　圖1揭示本發明第1實施形態之絕緣電路基板10及使用了此絕緣電路基板10之功率模組1。
此功率模組1，具備絕緣電路基板10、及在此絕緣電路基板10的一方側(圖1中上側)介著第1銲料層2而被接合之半導體元件3、及在絕緣電路基板10的另一方側(圖1中下側)介著第2銲料層8而被接合之散熱座(heatsink)51。
絕緣電路基板10，具備陶瓷基板11、及配設於此陶瓷基板11的一方的面(圖1中上面)之電路層12、及配設於陶瓷基板11的另一方的面(圖1中下面)之金屬層13。 　　陶瓷基板11，為防止電路層12與金屬層13之間的電性連接之物，本實施形態中由絕緣性高的氮化鋁來構成。陶瓷基板11的厚度，被設定成0.2～1.5mm的範圍內，本實施形態中被設定成0.635mm。
電路層12，如圖4所示，是藉由在陶瓷基板11的一方的面接合由銅或銅合金所成之銅板22而形成。本實施形態中，作為構成電路層12的銅板22，使用無氧銅的壓延板。在此電路層12，形成有電路圖樣，其一方的面(圖1中上面)，為供半導體元件3搭載之搭載面。電路層12的厚度被設定成0.1mm以上2.0mm以下的範圍內，本實施形態中被設定成0.6mm。
金屬層13，如圖4所示，是藉由在陶瓷基板11的另一方的面接合由銅或銅合金所成之銅板23而形成。本實施形態中，作為構成金屬層13的銅板23，使用無氧銅的壓延板。金屬層13的厚度被設定成0.1mm以上2.0mm以下的範圍內，本實施形態中被設定成0.6mm。
散熱座51，為用來將前述的絕緣電路基板10冷卻之物，本實施形態中以由熱傳導性良好的材質所構成之散熱板來構成。本實施形態中，散熱座51以熱傳導性優良的銅或銅合金來構成。散熱座51和絕緣電路基板10的金屬層13，介著第2銲料層8而被接合。
陶瓷基板11與電路層12(銅板22)、及陶瓷基板11與金屬層13(銅板23)，如圖4所示，是介著由從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬所成之活性金屬膜24(本實施形態中為Ti膜)及Mg膜25而被接合。 　　於陶瓷基板11與電路層12(銅板22)之接合界面及陶瓷基板11與金屬層13(銅板23)之接合界面，如圖2所示，具備形成於陶瓷基板11側之活性金屬氮化物層31(本實施形態中為氮化鈦層)與Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層32所層積之構造。
Mg固溶層32中，含有上述的活性金屬。本實施形態中，Mg固溶層32中，分散有含有Cu與活性金屬(Ti)之金屬間化合物相33。本實施形態中，作為活性金屬使用Ti，作為構成含有Cu與Ti之金屬間化合物相33的金屬間化合物，例如可舉出Cu4 Ti，Cu3 Ti2 ，Cu4 Ti3 ，CuTi，CuTi2 ，CuTi3 等。 　　此Mg固溶層32中的Mg的含有量，被訂為0.01原子%以上0.5原子%以下的範圍內。Mg固溶層32的厚度，被訂為0.1μm以上80μm以下的範圍內。Mg固溶層32中的Mg的含有量，較佳是被訂為0.01原子%以上0.3原子%以下的範圍內，但不限定於此。
本實施形態中，在活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)的內部，分散有Cu粒子35。 　　分散在活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)內之Cu粒子35的粒徑，被訂為10nm以上100nm以下的範圍內。此外，活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)當中與陶瓷基板11之界面起算至活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)的厚度的20%為止之界面鄰近區域中的Cu濃度，被訂為0.3原子%以上15原子%以下的範圍內。 　　活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)的厚度，被訂為0.03μm以上1.2μm以下的範圍內。活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)當中與陶瓷基板11之界面起算至活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)的厚度的20%為止之界面鄰近區域中的Cu濃度，較佳是被訂為0.3原子%以上12原子%以下的範圍內，但不限定於此。
本實施形態中，在陶瓷基板11與電路層12之間，陶瓷基板11的接合面起算至往電路層12側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率，被訂為15%以下。陶瓷基板11的接合面起算至往電路層12側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率，較佳是被訂為0.01%以上10%以下，但不限定於此。 　　本實施形態中，上述的Cu2 Mg相，是訂為以電子探針顯微分析儀取得Mg的元素MAP，於確認有Mg的存在之區域中Mg濃度為30原子%以上40原子%以下之區域。
針對上述本實施形態之絕緣電路基板10的製造方法，參照圖3及圖4說明之。
如圖4所示，在作為電路層12之銅板22與陶瓷基板11之間、及作為金屬層13之銅板23與陶瓷基板11之間，各自配置從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的單體(本實施形態中為Ti單體)及Mg單體(活性金屬及Mg配置工程S01)。本實施形態中，藉由蒸鍍活性金屬(Ti)及Mg，會形成活性金屬膜24(Ti膜)及Mg膜25，Mg膜25和銅板22會在非接觸狀態下被層積。 　　此活性金屬及Mg配置工程S01中，將活性金屬量訂為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下的範圍內(本實施形態中，將Ti訂為0.02mg/cm2 以上2.25mg/cm2 以下的範圍內)，將Mg量訂為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下的範圍內(0.17mg/cm2 以上3.48mg/cm2 以下的範圍內)。 　　活性金屬量的下限較佳是訂為2.8μmol/cm2 以上，活性金屬量的上限較佳是訂為18.8μmol/cm2 以下。此外，Mg量的下限較佳是訂為8.8μmol/cm2 以上，Mg量的上限較佳是訂為37.0μmol/cm2 以下。
接著，將銅板22與陶瓷基板11與銅板23，介著活性金屬膜24(Ti膜)及Mg膜25予以層積(層積工程S02)。
將被層積的銅板22、陶瓷基板11、銅板23朝層積方向加壓，並且裝入真空爐內加熱，將銅板22與陶瓷基板11與銅板23接合(接合工程S03)。 　　接合工程S03中的加壓荷重，被訂為0.049MPa以上3.4MPa以下的範圍內。接合工程S03中的加壓荷重，較佳是被訂為0.294MPa以上1.47MPa以下的範圍內，但不限定於此。 　　接合工程S03中的加熱溫度，由於Cu與Mg是在非接觸狀態下被層積，因此被訂為Mg的熔點以上之670℃以上850℃以下的範圍內。加熱溫度的下限較佳是訂為700℃以上。 　　接合工程S03中的真空度，較佳是訂為1×10-6 Pa以上1×10-2 Pa以下的範圍內。 　　加熱溫度下的保持時間，較佳是訂為5min以上360min以下的範圍內。為了減低上述的Cu2 Mg相的面積率，較佳是將加熱溫度下的保持時間的下限訂為60min以上。此外，加熱溫度下的保持時間的上限較佳是訂為240min以下。
像以上這樣，藉由活性金屬及Mg配置工程S01、與層積工程S02、與接合工程S03，製造本實施形態之絕緣電路基板10。
在絕緣電路基板10的金屬層13的另一方的面側將散熱座51接合(散熱座接合工程S04)。 　　將絕緣電路基板10與散熱座51，介著銲料材予以層積而裝入加熱爐，介著第2銲料層8將絕緣電路基板10與散熱座51予以銲接。
接著，在絕緣電路基板10的電路層12的一方的面，將半導體元件3藉由銲接而接合(半導體元件接合工程S05)。 　　藉由以上的工程，製造出圖1所示之功率模組1。
按照做成以上這樣的構成之本實施形態之絕緣電路基板10(銅/陶瓷接合體)，由無氧銅所成之銅板22(電路層12)及銅板23(金屬層13)與由氮化鋁所成之陶瓷基板11，是介著活性金屬膜24(Ti膜)及Mg膜25而被接合，在陶瓷基板11與電路層12(銅板22)及陶瓷基板11與金屬層13(銅板23)之接合界面，層積有形成於陶瓷基板11側之活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)與Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層32。
活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)，是藉由配設於陶瓷基板11與銅板22、23之間的活性金屬(Ti)和陶瓷基板11的氮反應而形成。因此，本實施形態中，於接合界面，陶瓷基板11會充分地反應。此外，以層積於活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)之方式，形成有Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層32，此Mg固溶層32中含有上述的活性金屬。本實施形態中，Mg固溶層32中分散有含有Cu與活性金屬(Ti)之金屬間化合物相33，故配設於陶瓷基板11與銅板22，23之間的Mg會朝銅板22，23側充分地擴散。因此，本實施形態中，於接合界面，Cu與活性金屬(Ti)會充分地反應。
故，在陶瓷基板11與銅板22，23之接合界面會充分地進行界面反應，能夠獲得電路層12(銅板22)與陶瓷基板11、金屬層13(銅板23)與陶瓷基板11確實地被接合而成之絕緣電路基板10(銅/陶瓷接合體)。此外，接合界面中沒有Ag存在，故能夠獲得耐遷移性優良的絕緣電路基板10(銅/陶瓷接合體)。
特別是，本實施形態中，在活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)的內部分散有Cu粒子35，故銅板22，23的Cu會在陶瓷基板11的接合面充分地反應。因此，可獲得銅板22，23與陶瓷基板11強固地被接合而成之絕緣電路基板10(銅/陶瓷接合體)。
本實施形態中，在陶瓷基板11與電路層12(銅板22)之間，陶瓷基板11的接合面起算至往電路層12(銅板22)側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率係被限制在15%以下，故即使實施了例如超音波接合等的情形下，仍可抑制接合界面中的破裂等的發生。
按照本實施形態之絕緣電路基板10(銅/陶瓷接合體)的製造方法，係具備：在銅板22、23與陶瓷基板11之間配置活性金屬(Ti)的單體(活性金屬膜24)及Mg單體(Mg膜25)之活性金屬及Mg配置工程S01；及介著該些活性金屬膜24及Mg膜25將銅板22、23與陶瓷基板11予以層積之層積工程S02；及將被層積的銅板22、陶瓷基板11、銅板23於朝層積方向加壓的狀態下，於真空環境下予以加熱處理而接合之接合工程S03；故在接合界面不會殘存氣體或有機物的殘渣等。此外，由於配置活性金屬(Ti)的單體及Mg單體，故沒有組成的不均，會均一地發生液相。
活性金屬及Mg配置工程S01中，將活性金屬量訂為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下的範圍內(本實施形態中，將Ti訂為0.02mg/cm2 以上2.25mg/cm2 以下的範圍內)，將Mg量訂為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下的範圍內(0.17mg/cm2 以上3.48mg/cm2 以下的範圍內)，故能夠充分獲得界面反應所必要的液相，並且能夠抑制陶瓷基板11的必要以上的反應。 　　故，能夠獲得銅板22，23與陶瓷基板11確實地被接合而成之絕緣電路基板10(銅/陶瓷接合體)。此外，接合不使用Ag，故能夠獲得耐遷移性優良的絕緣電路基板10。
當活性金屬量未滿0.4μmol/cm2 (Ti量未滿0.02mg/cm2 )、及Mg量未滿7.0μmol/cm2 (未滿0.17mg/cm2 )的情形下，界面反應會變得不充分，接合率恐會低落。此外，當活性金屬量超出47.0μmol/cm2 (Ti量超出2.25mg/cm2 )的情形下，會過度地生成活性金屬多而相對硬的金屬間化合物相33，Mg固溶層32會變得過硬，陶瓷基板11恐會發生破裂。此外，當Mg量超出143.2μmol/cm2 (超出3.48mg/ cm2 )的情形下，陶瓷基板11的分解反應會變得過度，Al會過度地生成，而會大量產生它們和Cu或和活性金屬(Ti)或和Mg之金屬間化合物，陶瓷基板11恐會發生破裂。 　　基於以上事實，本實施形態中，將活性金屬量訂為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下的範圍內(將Ti量訂為0.02mg/cm2 以上2.25mg/cm2 以下的範圍內)，將Mg量訂為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下的範圍內(0.17mg/cm2 以上3.48mg/cm2 以下的範圍內)。
本實施形態中，接合工程S03中的加壓荷重是被訂為0.049MPa以上，故能夠使陶瓷基板11與銅板22、23與活性金屬膜24(Ti膜)及Mg膜25密合，於加熱時能夠促進它們的界面反應。此外，接合工程S03中的加壓荷重是被訂為3.4MPa以下，故能夠抑制陶瓷基板11的破裂等。
本實施形態中，Cu與Mg是在非接觸狀態下被層積，接合工程S03中的加熱溫度是被訂為Mg的熔點以上之670℃以上，故於接合界面能夠充分地令液相發生。另一方面，接合工程S03中的加熱溫度是被訂為850℃以下，故能夠抑制Cu與活性金屬(Ti)之共晶反應的發生，能夠抑制液相過度地生成。此外，對陶瓷基板11之熱負荷會變小，能夠抑制陶瓷基板11的劣化。
(第2實施形態) 　　針對本發明之第2實施形態，參照圖5至圖8說明之。 　　本實施形態之銅/陶瓷接合體，係被做成藉由陶瓷構件即陶瓷基板111與銅構件即銅板122(電路層112)被接合而構成之絕緣電路基板110。 　　圖5揭示本發明第2實施形態之絕緣電路基板110及使用了此絕緣電路基板110之功率模組101。
此功率模組101，具備絕緣電路基板110、及在此絕緣電路基板110的一方側(圖5中上側)的面介著銲料層2而被接合之半導體元件3、及配置於絕緣電路基板110的另一方側(圖5中下側)之散熱座151。 　　銲料層2，例如訂為Sn-Ag系、Sn-In系、或是Sn-Ag-Cu系的銲料材。
絕緣電路基板110，具備陶瓷基板111、及配設於此陶瓷基板111的一方的面(圖5中上面)之電路層112、及配設於陶瓷基板111的另一方的面(圖5中下面)之金屬層113。 　　陶瓷基板111，為防止電路層112與金屬層113之間的電性連接之物，本實施形態中由絕緣性高的氮化矽來構成。陶瓷基板111的厚度，被設定成0.2～1.5mm的範圍內，本實施形態中被設定成0.32mm。
電路層112，如圖8所示，是藉由在陶瓷基板111的一方的面接合由銅或銅合金所成之銅板122而形成。本實施形態中，作為構成電路層112的銅板122，使用無氧銅的壓延板。在此電路層112，形成有電路圖樣，其一方的面(圖5中上面)，為供半導體元件3搭載之搭載面。電路層112的厚度被設定成0.1mm以上2.0mm以下的範圍內，本實施形態中被設定成0.6mm。
金屬層113，如圖8所示，是藉由在陶瓷基板111的另一方的面接合鋁板123而形成。本實施形態中，金屬層113，是以由純度99.99mass%以上的鋁(即所謂4N鋁)的壓延板所成之鋁板123被接合至陶瓷基板111而形成。此鋁板123，0.2%安全限應力被訂為30N/mm2 以下。金屬層113(鋁板123)的厚度被設定成0.5mm以上6mm以下的範圍內，本實施形態中被設定成2.0mm。金屬層113，如圖8所示，是藉由鋁板123使用Al-Si系硬銲材128被接合至陶瓷基板111而形成。
散熱座151，為用來將前述的絕緣電路基板110冷卻之物，本實施形態中以由熱傳導性良好的材質所構成之散熱板來構成。本實施形態中，散熱座151以A6063(鋁合金)來構成。本實施形態中，此散熱座151，是在絕緣電路基板110的金屬層113，例如使用Al-Si系硬銲材而接合。
陶瓷基板111與電路層112(銅板122)，如圖8所示，是介著由從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬所成之活性金屬膜124(本實施形態中為Ti膜)及Mg膜125而被接合。 　　於陶瓷基板111與電路層112(銅板122)之接合界面，如圖6所示，層積有形成於陶瓷基板111側之活性金屬氮化物層131(本實施形態中為氮化鈦層)與Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層132。
Mg固溶層132中，含有上述的活性金屬。本實施形態中，Mg固溶層132中，分散有含有Cu與活性金屬(Ti)之金屬間化合物相133。本實施形態中，作為活性金屬使用Ti，作為構成含有Cu與Ti之金屬間化合物相133的金屬間化合物，例如可舉出Cu4 Ti，Cu3 Ti2 ，Cu4 Ti3 ，CuTi，CuTi2 ，CuTi3 等。 　　此Mg固溶層132中的Mg的含有量，被訂為0.01原子%以上0.5原子%以下的範圍內。Mg固溶層132的厚度，被訂為0.1μm以上80μm以下的範圍內。
本實施形態中，在活性金屬氮化物層131(氮化鈦層)的內部，分散有Cu粒子135。 　　分散在活性金屬氮化物層131(氮化鈦層)內之Cu粒子135的粒徑，被訂為10nm以上100nm以下的範圍內。活性金屬氮化物層131(氮化鈦層)當中與陶瓷基板111之界面起算至活性金屬氮化物層131(氮化鈦層)的厚度的20%為止之界面鄰近區域中的Cu濃度，被訂為0.3原子%以上15原子%以下的範圍內。 　　活性金屬氮化物層131(氮化鈦層)的厚度，被訂為0.03μm以上1.2μm以下的範圍內。
本實施形態中，在陶瓷基板111與電路層112之間，陶瓷基板111的接合面起算至往電路層112側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率，被訂為15%以下。
針對上述本實施形態之絕緣電路基板110的製造方法，參照圖7及圖8說明之。
如圖8所示，在作為電路層112之銅板122與陶瓷基板111之間，配置從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的單體(本實施形態中為Ti單體)及Mg單體(活性金屬及Mg配置工程S101)。本實施形態中，藉由蒸鍍活性金屬(Ti)及Mg，會形成活性金屬膜124(Ti膜)及Mg膜125，Mg膜125會以接觸銅板122之方式形成。 　　此活性金屬及Mg配置工程S101中，將活性金屬量訂為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下的範圍內(本實施形態中，將Ti訂為0.02mg/cm2 以上2.25mg/cm2 以下的範圍內)，將Mg量訂為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下的範圍內(0.17mg/cm2 以上3.48mg/cm2 以下的範圍內)。
當活性金屬量未滿0.4μmol/cm2 (Ti量未滿0.02mg/cm2 )、及Mg量未滿7.0μmol/cm2 (未滿0.17mg/cm2 )的情形下，界面反應會變得不充分，接合率恐會低落。此外，當活性金屬量超出47.0μmol/cm2 (Ti量超出2.25mg/cm2 )的情形下，會過度地生成活性金屬多而相對硬的金屬間化合物相133，Mg固溶層132會變得過硬，陶瓷基板111恐會發生破裂。此外，當Mg量超出143.2μmol /cm2 (超出3.48mg/ cm2 )的情形下，陶瓷基板111的分解反應會變得過度，Al會過度地生成，而會大量產生它們和Cu或和活性金屬(Ti)或和Mg之金屬間化合物，陶瓷基板111恐會發生破裂。 　　活性金屬量的下限較佳是訂為2.8μmol/cm2 以上，活性金屬量的上限較佳是訂為18.8μmol/cm2 以下。此外，Mg量的下限較佳是訂為8.8μmol/cm2 以上，Mg量的上限較佳是訂為37.0μmol/cm2 以下。
接著，將銅板122與陶瓷基板111，介著活性金屬膜124(Ti膜)及Mg膜125予以層積(層積工程S102)。 　　本實施形態中，如圖8所示，在陶瓷基板111的另一方的面側，介著Al-Si系硬銲材128，層積作為金屬層113之鋁板123。
將被層積的銅板122、陶瓷基板111、銅板123朝層積方向加壓，並且裝入真空爐內加熱，將銅板122與陶瓷基板111與鋁板123接合(接合工程S103)。 　　接合工程S103中的加壓荷重，被訂為0.049MPa以上3.4MPa以下的範圍內。接合工程S103中的加壓荷重，較佳是被訂為0.294MPa以上1.47MPa以下的範圍內，但不限定於此。
接合工程S103中的加熱溫度，由於Cu與Mg是在接觸狀態下被層積，因此訂為Mg與Cu的共晶溫度以上之500℃以上，且Cu與活性金屬(Ti)的共晶溫度以下之850℃以下。加熱溫度的下限較佳是訂為700℃以上。 　　本實施形態中，是將鋁板123使用Al-Si系硬銲材128來接合，因此加熱溫度訂為600℃以上650℃以下的範圍內。 　　接合工程S103中的真空度，較佳是訂為1×10-6 Pa以上1×10-2 Pa以下的範圍內。 　　加熱溫度下的保持時間，較佳是訂為5min以上360min以下的範圍內。為了減低上述的Cu2 Mg相的面積率，較佳是將加熱溫度下的保持時間的下限訂為60min以上。加熱溫度下的保持時間的上限較佳是訂為240min以下。
像以上這樣，藉由活性金屬及Mg配置工程S101、與層積工程S102、與接合工程S103，製造本實施形態之絕緣電路基板110。
在絕緣電路基板110的金屬層113的另一方的面側將散熱座151接合(散熱座接合工程S104)。 　　將絕緣電路基板110與散熱座151，介著硬銲材予以層積，朝層積方向加壓並且裝入真空爐內進行硬銲。如此一來，便將絕緣電路基板110的金屬層113與散熱座151接合。此時，作為硬銲材，例如能夠使用厚度20～110μm的Al-Si系硬銲材箔，硬銲溫度較佳是設定成比接合工程S103中的加熱溫度還低溫。
接著，在絕緣電路基板110的電路層112的一方的面，將半導體元件3藉由銲接而接合(半導體元件接合工程S105)。 　　藉由以上的工程，製造出圖5所示之功率模組101。
按照做成以上這樣的構成之本實施形態之絕緣電路基板110(銅/陶瓷接合體)，銅板122(電路層112)與由氮化矽所成之陶瓷基板111，是介著活性金屬膜124(Ti膜)及Mg膜125而被接合，在陶瓷基板111與電路層112(銅板122)之接合界面，層積有形成於陶瓷基板111側之活性金屬氮化物層131(氮化鈦層)與Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層132，在此Mg固溶層132內，存在有活性金屬。本實施形態中，係分散有含有Cu與活性金屬(Ti)之金屬間化合物相133，故如同第1實施形態般，能夠獲得電路層112(銅板122)與陶瓷基板111確實地被接合而成之絕緣電路基板110(銅/陶瓷接合體)。此外，接合界面中沒有Ag存在，故能夠獲得耐遷移性優良的絕緣電路基板110(銅/陶瓷接合體)。
本實施形態中，在活性金屬氮化物層131(氮化鈦層)的內部分散有Cu粒子135，故銅板122的Cu會變得在陶瓷基板111的接合面充分地反應，可獲得電路層112(銅板122)與陶瓷基板111強固地被接合而成之絕緣電路基板110(銅/陶瓷接合體)。
本實施形態中，在陶瓷基板111與電路層112(銅板122)之間，陶瓷基板111的接合面起算至往電路層112(銅板122)側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率係被限制在15%以下，故即使實施了例如超音波接合等的情形下，仍可抑制接合界面中的破裂等的發生。
按照本實施形態之絕緣電路基板110(銅/陶瓷接合體)的製造方法，如同第1實施形態般，在電路層112(銅板122)與陶瓷基板111之接合界面，能夠使液相適度地出現而充分地使其界面反應，能夠獲得銅板122與陶瓷基板111確實地被接合而成之絕緣電路基板110(銅/陶瓷接合體)。此外，接合不使用Ag，故能夠獲得耐遷移性優良的絕緣電路基板110。
本實施形態中，Cu與Mg是在接觸狀態下被層積，接合工程S103中的加熱溫度是被訂為Cu與Mg的共晶溫度以上之500℃以上，故於接合界面能夠充分地令液相發生。 　　本實施形態中，於層積工程S102，是在陶瓷基板111的另一面側將鋁板123介著Al-Si系硬銲材128而層積，而將銅板122與陶瓷基板111、陶瓷基板111與鋁板123予以同時接合，故能夠效率良好地製造具備由銅所成之電路層112與由鋁所成之金屬層113的絕緣電路基板110。此外，能夠抑制絕緣電路基板110中的翹曲的發生。
以上已說明了本發明之實施形態，但本發明並不限定於此，在不脫離其發明技術思想之範圍內可適當變更。 　　例如，雖說明了將構成電路層或金屬層之銅板訂為無氧銅的壓延板，但不限定於此，亦可為由其他的銅或銅合金所構成之物。
第2實施形態中，雖說明了將構成金屬層之鋁板訂為純度99.99mass%的純鋁的壓延板，但不限定於此，亦可為由純度99mass%的鋁(2N鋁)等其他的鋁或鋁合金所構成之物。
作為散熱座雖舉散熱板為例說明，但不限定於此，散熱座的構造並無特別限定。例如，亦可為具有供冷媒流通的流路之物或具備了冷卻鰭片之物。作為散熱座亦能使用含有鋁或鋁合金之複合材(例如AlSiC等)。 　　在散熱座的頂板部或在散熱板與金屬層之間，亦可設置由鋁或鋁合金或是含有鋁之複合材(例如AlSiC等)所成之緩衝層。
本實施形態中，雖說明了活性金屬及Mg配置工程中，是將活性金屬膜(Ti膜)及Mg膜予以成膜，但不限定於此，亦可將活性金屬與Mg予以共蒸鍍。在此情形下同樣地，被成膜之活性金屬膜及Mg膜，並未被合金化，而是配置活性金屬的單體及Mg單體。當藉由共蒸鍍將活性金屬及Mg膜成膜的情形下，Mg與Cu會成為接觸狀態，因此能夠將接合工程中的加熱溫度的下限訂為500℃以上。
本實施形態中，雖說明了使用Ti作為活性金屬，但不限定於此，作為活性金屬亦可使用從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上。 　　當使用了Zr作為活性金屬的情形下，Mg固溶層中，Zr會以與Cu之金屬間化合物相的方式存在。作為構成此金屬間化合物相之金屬間化合物，例如可舉出Cu5 Zr，Cu51 Zr14 ，Cu8 Zr3 ，Cu10 Zr7 ，CuZr，Cu5 Zr8 ，CuZr2 等。 　　當使用了Hf作為活性金屬的情形下，Mg固溶層中，Hf會以與Cu之金屬間化合物相的方式存在。作為構成此金屬間化合物相之金屬間化合物，例如可舉出Cu51 Hf14 ，Cu8 Hf3 ，Cu10 Hf7 ，CuHf2 等。 　　當使用了Ti及Zr作為活性金屬的情形下，Mg固溶層中，Ti及Zr會以含有Cu與活性金屬之金屬間化合物相的方式存在。作為構成此金屬間化合物相之金屬間化合物，可舉出Cu1.5 Zr0.75 Ti0.75 等。 　　當使用了Nb作為活性金屬的情形下，Mg固溶層中，Nb會固溶於Mg固溶層而存在。
活性金屬及Mg配置工程中，只要將接合界面中的活性金屬量訂為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下的範圍內，將Mg量訂為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下的範圍內即可，例如亦可像Mg膜/活性金屬膜/Mg膜這樣將活性金屬膜與Mg膜予以多層地層積。或者是，亦可在活性金屬膜與Mg膜之間將Cu膜成膜。 　　活性金屬的單體及Mg單體，可配置箔材，亦可藉由濺鍍來成膜。
本實施形態中，雖說明了在絕緣電路基板的電路層搭載功率半導體元件來構成功率模組之物，但不限定於此。例如，亦可在絕緣電路基板搭載LED元件來構成LED模組，亦可在絕緣電路基板的電路層搭載熱電元件來構成熱電模組。 [實施例]
說明為確認本發明的有效性而進行之確認實驗。
＜實施例1＞ 　　形成了表1所示構造之銅/陶瓷接合體。詳言之，是在40mm見方的陶瓷基板的兩面，如表1所示，層積將Ti單體及Mg單體作為活性金屬予以成膜而成之銅板，以表1所示之接合條件接合，形成了銅/陶瓷接合體。 　　陶瓷基板的厚度當氮化鋁的情形下使用了厚度0.635mm，當氮化矽的情形下使用了厚度0.32mm。此外，接合時的真空爐的真空度訂為5×10-3 Pa。
針對依此方式獲得的銅/陶瓷接合體，觀察接合界面來確認活性金屬氮化物層(氮化鈦層)、Mg固溶層、金屬間化合物相、活性金屬氮化物層(氮化鈦層)中的Cu粒子的有無及Cu濃度。此外，依以下方式評估了銅/陶瓷接合體的初始接合率、冷熱循環後的陶瓷基板的破裂、遷移性。
(Mg固溶層) 　　對於銅板與陶瓷基板之接合界面，使用EPMA裝置(日本電子公司製JXA-8539F)，以倍率2000倍、加速電壓15kV的條件觀察包含接合界面之區域(400μm×600μm)，從陶瓷基板表面(活性金屬氮化物層表面)朝向銅板側以10μm間隔的10點進行定量分析，將Mg濃度為0.01原子%以上之區域訂為Mg固溶層。
(Mg固溶層中的活性金屬的有無(金屬間化合物相的有無) 　　對於銅板與陶瓷基板之接合界面，使用電子探針顯微分析儀(日本電子公司製JXA-8539F)，以倍率2000倍、加速電壓15kV的條件取得包含接合界面之區域(400μm ×600μm)的活性金屬(Ti)的元素MAP，確認了活性金屬(Ti)的有無。此外，以確認到活性金屬(Ti)的存在之區域內的定量分析的5點平均，將滿足Cu濃度為5原子%以上，且活性金屬濃度(Ti濃度)為16原子以上90原子%以下之區域訂為金屬間化合物相。
(活性金屬氮化物層) 　　對於銅板與陶瓷基板之接合界面，使用掃描型穿透電子顯微鏡(FEI公司製Titan ChemiSTEM(附EDS檢測器))，以倍率115000倍、加速電壓200kV的條件進行觀察，能量分散型X射線分析法(賽默飛世爾科技公司製NSS7)進行測繪(mapping)，於活性金屬(Ti)和N重疊之區域，藉由照射縮細至1nm程度之電子束(NBD(奈米射束繞射)法)來獲得電子繞射圖形，確認了活性金屬氮化物層(氮化鈦層)的有無。 　　對確認到活性金屬氮化物層(氮化鈦層)之區域中確認Cu粒子的有無，將由此區域中的定量分析的5點平均所獲得之Cu濃度，訂為分散於活性金屬氮化物層(氮化鈦層)內之Cu的平均濃度。
(初始接合率) 　　銅板與陶瓷基板之接合率，是使用超音波探傷裝置(日立電力解決方案公司製FineSAT200)使用以下式子求出。所謂初始接合面積，是訂為接合前的應接合面積，亦即銅板的接合面的面積。超音波探傷像中，剝離是以接合部內的白色部分表示，因此將此白色部分的面積訂為剝離面積。 (接合率)={(初始接合面積)-(剝離面積)}/(初始接合面積)×100
(陶瓷基板的破裂) 　　使用冷熱衝撃試驗機(ESPEC公司製TSA-72ES)，於氣相下，將循環實施了300循環，該循環係1循環為-50℃下10分鐘與150℃下10分鐘。 　　評估負荷了上述的冷熱循環後之陶瓷基板的破裂的有無。
(遷移) 　　以電路層的電路圖樣間距離0.8mm、溫度60℃、濕度95%RH、電壓DC50V之條件，放置500小時後，測定了電路圖樣間的電阻。將電阻值成為1×106 Ω以下的情形判斷為短路，訂為「B」。將電阻值未成為1×106 Ω以下的情形訂為「A」。
評估結果如表2所示。此外，本發明例5的觀察結果如圖9A、圖9B及圖9C所示。
活性金屬及Mg配置工程中，於活性金屬量(Ti量)為0.1μmol/cm2 (0.005mg/cm2 )這樣比本發明之範圍還少的比較例1中，初始接合率變低。推測是因為Mg固溶層中不存在活性金屬(Ti)作為金屬間化合物相，界面反應不充分的緣故。 　　活性金屬及Mg配置工程中，於活性金屬量(Ti量)為66.9μmol/cm2 (3.20mg/cm2 )這樣比本發明之範圍還多的比較例2中，確認到陶瓷基板的破裂。推測是因為大量形成了相對硬的金屬間化合物相的緣故。
活性金屬及Mg配置工程中，於Mg量為2.1μmol/cm2 (0.05mg/cm2 )這樣比本發明之範圍還少的比較例3中，初始接合率變低。推測是因為未觀察到Mg固溶層，界面反應不充分的緣故。 　　活性金屬及Mg配置工程中，於Mg量為220.1μmol /cm2 (5.35mg/cm2 )這樣比本發明之範圍還多的比較例4中，確認到陶瓷基板的破裂。推測是因為陶瓷基板的分解反應過度，Al過度地生成，而大量生成了它們和Cu或和活性金屬(Ti)或和Mg的金屬間化合物的緣故。
於使用Ag-Cu-Ti硬銲材將陶瓷基板與銅板接合而成之習知例中，遷移被判斷為「B」。推測是因為接合界面中有Ag存在的緣故。
相對於此，本發明例1～12中，初始接合率亦高，亦未確認到陶瓷基板的破裂。此外，遷移亦良好。 　　如圖9A、圖9B及圖9C所示，觀察接合界面之結果，觀察到活性金屬氮化物層31(氮化鈦層)、Mg固溶層32，並觀察到在此Mg固溶層32的內部分散有金屬間化合物相33。
＜實施例2＞ 　　形成了表3所示構造之銅/陶瓷接合體。詳言之，是在40mm見方的陶瓷基板的兩面，如表3所示，層積將活性金屬的單體及Mg單體予以成膜而成之銅板，以表3所示之接合條件接合，形成了銅/陶瓷接合體。陶瓷基板的厚度當氮化鋁的情形下使用了厚度0.635mm，當氮化矽的情形下使用了厚度0.32mm。此外，接合時的真空爐的真空度訂為5×10-3 Pa。
針對依此方式獲得的銅/陶瓷接合體，如同實施例1般，觀察接合界面，確認了活性金屬氮化物層、Mg固溶層、Mg固溶層中的活性金屬的有無(金屬間化合物相的有無)、活性金屬氮化物層中的Cu粒子的有無及Cu濃度。此外，銅/陶瓷接合體的初始接合率、冷熱循環後的陶瓷基板的破裂、遷移性，係如同實施例1般評估。評估結果如表4所示。
活性金屬及Mg配置工程中，於活性金屬量(Zr量)為50.4μmol/cm2 這樣比本發明之範圍還多的比較例21、及活性金屬量(Nb量)為61.2μmol/cm2 這樣比本發明之範圍還多的比較例22中，確認到陶瓷基板的破裂。推測是因為Mg固溶層中存在的活性金屬量多，Mg固溶層變硬了的緣故。 　　活性金屬及Mg配置工程中，於活性金屬量(Hf量)為0.2μmol/cm2 這樣比本發明之範圍還少的比較例23、及活性金屬量(Hf量＋Nb量)為0.2μmol/cm2 這樣比本發明之範圍還少的比較例24中，初始接合率變低。
相對於此，本發明例21～27中，初始接合率亦高，亦未確認到陶瓷基板的破裂。此外，遷移亦良好。
由以上事實，確認了按照本發明例，可提供一種銅構件與陶瓷構件會確實地被接合，耐遷移性優良之銅/陶瓷接合體(絕緣電路基板)。
＜實施例3＞ 　　形成了表5所示構造之絕緣電路基板。詳言之，是在40mm見方的陶瓷基板的兩面，如表5所示，層積將活性金屬的單體及Mg單體予以成膜而成之銅板，以表5所示之接合條件接合，形成了具有電路層之絕緣電路基板。陶瓷基板的厚度當氮化鋁的情形下使用了厚度0.635mm，當氮化矽的情形下使用了厚度0.32mm。此外，接合時的真空爐的真空度訂為5×10-3 Pa。
針對依此方式獲得的絕緣電路基板，依以下方式評估了陶瓷基板與電路層之接合界面中的Cu2 Mg相的面積率、及超音波接合至電路層之端子的拉伸強度。
(Cu2 Mg相的面積率) 　　對於銅板與陶瓷基板之接合界面，使用電子探針顯微分析儀(日本電子公司製JXA-8539F)，以倍率750倍、加速電壓15kV的條件取得包含接合界面之區域(120μm×160μm)的Mg的元素MAP，以確認到Mg的存在之區域內的定量分析的5點平均，將Mg濃度滿足30原子%以上40原子%以下之區域訂為Cu2 Mg相。 　　於觀察視野內，求出陶瓷基板的接合面與從陶瓷基板的接合面起算往銅板側50μm為止之區域的面積A。於此區域內求出Cu2 Mg相的面積B，求出Cu2 Mg相的面積率B/A×100(%)。如上述般以5視野測定Cu2 Mg相的面積率，將其平均值記載於表5。
(拉伸強度) 　　如圖10A及圖10B所示，在絕緣電路基板的電路層的上方，使用包含平台40之超音波金屬接合機(超音波工業公司製60C-904)，將銅端子(寬幅：5mm、厚度T：1.0 mm、長度L1 ：20mm、長度L2 ：10mm)以壓潰(collapse)量0.3mm的條件予以超音波接合。 　　將以工具速度Y為5mm/s，平台速度X為5mm/s的條件將銅端子拉伸時之斷裂荷重除以接合面積而成之值訂為拉伸強度，記載於表5。
比較本發明例31～43，確認到Cu2 Mg相的面積率愈低，拉伸強度愈變高。故，確認了當欲使超音波接合性提升的情形下，將Cu2 Mg相的面積率抑制得較低是有效的。 [產業利用性]
按照本發明，能夠提供一種銅構件與陶瓷構件確實地被接合，而耐遷移性優良之銅/陶瓷接合體，絕緣電路基板，及上述的銅/陶瓷接合體的製造方法，絕緣電路基板的製造方法。
10、110‧‧‧絕緣電路基板
11、111‧‧‧陶瓷基板
12、112‧‧‧電路層
13、113‧‧‧金屬層
22、23、122‧‧‧銅板
31、131‧‧‧活性金屬氮化物層
32、132‧‧‧Mg固溶層
33、133‧‧‧金屬間化合物相
35、135‧‧‧Cu粒子
[圖1] 使用了本發明第1實施形態之絕緣電路基板的功率模組的概略說明圖。 　　[圖2] 本發明第1實施形態之絕緣電路基板的電路層(銅構件)及金屬層(銅構件)與陶瓷基板(陶瓷構件)之接合界面的模型圖。 　　[圖3] 本發明第1實施形態之絕緣電路基板的製造方法示意流程圖。 　　[圖4] 本發明第1實施形態之絕緣電路基板的製造方法示意說明圖。 　　[圖5] 使用了本發明第2實施形態之絕緣電路基板的功率模組的概略說明圖。 　　[圖6] 本發明第2實施形態之絕緣電路基板的電路層(銅構件)與陶瓷基板(陶瓷構件)之接合界面的模型圖。 　　[圖7] 本發明第2實施形態之絕緣電路基板的製造方法示意流程圖。 　　[圖8] 本發明第2實施形態之絕緣電路基板的製造方法示意說明圖。 　　[圖9A] 本發明例5之銅/陶瓷接合體中的銅板與陶瓷基板之接合界面的觀察結果。 　　[圖9B] 本發明例5之銅/陶瓷接合體中的銅板與陶瓷基板之接合界面的觀察結果。 　　[圖9C] 本發明例5之銅/陶瓷接合體中的銅板與陶瓷基板之接合界面的觀察結果。 　　[圖10A] 實施例3中的拉伸強度的測定方法示意說明圖。 　　[圖10B] 實施例3中的拉伸強度的測定方法示意說明圖。

Claims (14)

  1. 一種銅/陶瓷接合體，係由銅或銅合金所成之銅構件、與由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷構件被接合而構成之銅/陶瓷接合體，其特徵為， 　　在前述銅構件與前述陶瓷構件之間，於前述陶瓷構件側，形成有含有從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的氮化物之活性金屬氮化物層，在前述活性金屬氮化物層與前述銅構件之間形成有Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層， 　　前述Mg固溶層中，存在前述活性金屬。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之銅/陶瓷接合體，其中，前述Mg固溶層中，分散有含有Cu與前述活性金屬之金屬間化合物相。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之銅/陶瓷接合體，其中，在前述活性金屬氮化物層的內部，分散有Cu粒子。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之銅/陶瓷接合體，其中，前述活性金屬為Ti。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之銅/陶瓷接合體，其中，在前述陶瓷構件與前述銅構件之間，前述陶瓷構件的接合面起算往前述銅構件側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率為15%以下。
  6. 一種絕緣電路基板，係由銅或銅合金所成之銅板被接合至由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷基板的表面而構成之絕緣電路基板，其特徵為， 　　在前述銅板與前述陶瓷基板之間，於前述陶瓷基板側，形成有含有從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的氮化物之活性金屬氮化物層，在此活性金屬氮化物層與前述銅板之間形成有Mg固溶於Cu的母相中而成之Mg固溶層， 　　前述Mg固溶層中，存在前述活性金屬。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之絕緣電路基板，其中，前述Mg固溶層中，分散有含有Cu與前述活性金屬之金屬間化合物相。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之絕緣電路基板，其中，在前述活性金屬氮化物層的內部，分散有Cu粒子。
  9. 如申請專利範圍第6項至第8項中任一項所述之絕緣電路基板，其中，前述活性金屬為Ti。
  10. 如申請專利範圍第6項至第9項中任一項所述之絕緣電路基板，其中，在前述陶瓷基板與前述銅板之間，前述陶瓷基板的接合面起算往前述銅板側50μm為止之區域中的Cu2 Mg相的面積率為15%以下。
  11. 一種銅/陶瓷接合體的製造方法，係製造如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之銅/陶瓷接合體的銅/陶瓷接合體的製造方法，其特徵為，具備： 　　活性金屬及Mg配置工程，在前述銅構件與前述陶瓷構件之間，配置從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的單體及Mg單體；及 　　層積工程，將前述銅構件與前述陶瓷構件，介著前述活性金屬的單體及前述Mg單體予以層積；及 　　接合工程，將介著前述活性金屬的單體及前述Mg單體而被層積之前述銅構件與前述陶瓷構件，在朝層積方向予以加壓之狀態下，於真空環境下做加熱處理而接合； 　　前述活性金屬及Mg配置工程中，前述活性金屬的單體的活性金屬量為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下，前述Mg單體的Mg量為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之銅/陶瓷接合體的製造方法，其中，前述接合工程中的加壓荷重為0.049MPa以上3.4MPa以下， 　　前述接合工程中的加熱溫度，當前述銅板的Cu與前述Mg單體的Mg是在接觸狀態下被層積的情形下為500℃以上850℃以下，當前述Cu與前述Mg是在非接觸狀態下被層積的情形下為670℃以上850℃以下。
  13. 一種絕緣電路基板的製造方法，係製造由銅或銅合金所成之銅板被接合至由氮化鋁或氮化矽所成之陶瓷基板的表面而構成之絕緣電路基板的絕緣電路基板的製造方法，其特徵為，具備： 　　活性金屬及Mg配置工程，在前述銅板與前述陶瓷基板之間，配置從Ti，Zr，Nb，Hf選擇之1種或2種以上的活性金屬的單體及Mg單體；及 　　層積工程，將前述銅板與前述陶瓷基板，介著前述活性金屬的單體及前述Mg單體予以層積；及 　　接合工程，將介著前述活性金屬的單體及前述Mg單體而被層積之前述銅板與前述陶瓷基板，在朝層積方向予以加壓之狀態下，於真空環境下做加熱處理而接合； 　　前述活性金屬及Mg配置工程中，前述活性金屬的單體的活性金屬量為0.4μmol/cm2 以上47.0μmol/cm2 以下，前述Mg單體的Mg量為7.0μmol/cm2 以上143.2μmol/cm2 以下。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之絕緣電路基板的製造方法，其中，前述接合工程中的加壓荷重為0.049MPa以上3.4MPa以下， 　　前述接合工程中的加熱溫度，當前述銅板的Cu與前述Mg單體的Mg是在接觸狀態下被層積的情形下為500℃以上850℃以下，當前述Cu與前述Mg是在非接觸狀態下被層積的情形下為670℃以上850℃以下。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115004361A (zh) * 2020-01-24 2022-09-02 三菱综合材料株式会社 铜-石墨烯接合体及其制造方法以及铜-石墨烯接合结构

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020044594A1 (ja) * 2018-08-28 2020-03-05 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法
CN111848226B (zh) * 2019-04-24 2022-03-25 成都大学 一种纳米金属层陶瓷基板及其制造方法
CN114127921B (zh) * 2019-08-21 2022-12-23 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板、铜-陶瓷接合体的制造方法及绝缘电路基板的制造方法
JP2021072447A (ja) * 2019-10-30 2021-05-06 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
JP6908173B2 (ja) * 2019-12-02 2021-07-21 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
KR102413017B1 (ko) * 2019-12-02 2022-06-23 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법
CN114787106B (zh) * 2019-12-06 2023-07-14 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板及铜-陶瓷接合体的制造方法、绝缘电路基板的制造方法
JP7363613B2 (ja) * 2020-03-13 2023-10-18 三菱マテリアル株式会社 ヒートシンク一体型絶縁回路基板
CN115667187A (zh) * 2020-05-27 2023-01-31 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
EP4191661A4 (en) * 2020-07-27 2024-08-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Joined body, circuit board, semiconductor device, and method for manufacturing joined body
US20250365859A1 (en) * 2022-09-09 2025-11-27 Mitsubishi Materials Corporation Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board
CN120261293B (zh) * 2025-03-31 2025-10-24 江苏富乐华功率半导体研究院有限公司 一种高可靠性的高精度多层陶瓷基板的制备方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04162756A (ja) 1990-10-26 1992-06-08 Toshiba Corp 半導体モジュール
JP3211856B2 (ja) 1994-11-02 2001-09-25 電気化学工業株式会社 回路基板
JP3813654B2 (ja) * 1995-02-09 2006-08-23 日本碍子株式会社 セラミックスの接合構造およびその製造方法
JP3866320B2 (ja) * 1995-02-09 2007-01-10 日本碍子株式会社 接合体、および接合体の製造方法
JP3824044B2 (ja) * 1999-09-03 2006-09-20 同和鉱業株式会社 窒化ケイ素回路基板製造方法
JP3930671B2 (ja) * 1999-11-08 2007-06-13 Ｄｏｗａホールディングス株式会社 窒化ケイ素回路基板の製造方法
JP3989254B2 (ja) * 2002-01-25 2007-10-10 日本碍子株式会社 異種材料接合体及びその製造方法
JP4375730B2 (ja) 2004-04-23 2009-12-02 本田技研工業株式会社 銅とセラミックス又は炭素基銅複合材料との接合用ろう材及び同接合方法
JP4997431B2 (ja) * 2006-01-24 2012-08-08 独立行政法人産業技術総合研究所 高熱伝導窒化ケイ素基板の製造方法
JP6060739B2 (ja) * 2013-03-05 2017-01-18 三菱マテリアル株式会社 パワーモジュール用基板の製造方法
JP2017036841A (ja) 2013-11-15 2017-02-16 イビデン株式会社 蓄熱器
JP6038389B2 (ja) * 2014-03-20 2016-12-07 Ｊｘ金属株式会社 積層体及び、その製造方法
JP2018010964A (ja) 2016-07-13 2018-01-18 株式会社村田製作所 回路モジュールの製造方法および成膜装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115004361A (zh) * 2020-01-24 2022-09-02 三菱综合材料株式会社 铜-石墨烯接合体及其制造方法以及铜-石墨烯接合结构

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