專利名稱：功率模塊用基板及制法、自帶散熱器的該基板及功率模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種控制大電流、高電壓的半導(dǎo)體裝置中使用的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、具備該功率模塊用基板的功率模塊及該功率模塊用基板的制造方法。
背景技術(shù)：
由于在半導(dǎo)體元件中用于電カ供給的功率元件的發(fā)熱量比較高，所以作為搭載該功率元件的基板，例如，如專利文獻(xiàn)I所示，使用有如下功率模塊用基板在由AlN(氮化鋁)構(gòu)成的陶瓷基板上通過釬料接合有Al(鋁)金屬板。 并且，該金屬板形成為電路層，在其金屬板上通過焊料搭載有功率元件(半導(dǎo)體元件)。另外，提出有如下內(nèi)容為了散熱，在陶瓷基板的下面也接合Al等金屬板成為金屬層，在散熱板上通過該金屬層接合功率模塊用基板整體。并且，作為形成電路層的手段，除了提出有在陶瓷基板上接合金屬板之后，在該金屬板上形成電路圖案的方法之外，例如如專利文獻(xiàn)2公開，還提出有將預(yù)先形成為電路圖案的金屬片接合于陶瓷基板上的方法。在此，為了獲得作為所述電路層及所述金屬層的金屬板與陶瓷基板的良好的接合強度，例如在下述專利文獻(xiàn)3中公開有將陶瓷基板的表面粗糙度設(shè)定為不到O. 5μπι的技術(shù)。專利文獻(xiàn)I :日本專利公開2003-086744號公報專利文獻(xiàn)2 :日本專利公開2008-311294號公報專利文獻(xiàn)3 :日本專利公開平3-234045號公報但是，將金屬板接合于陶瓷基板時，存在如下問題點僅降低陶瓷基板的表面粗糙度也不能獲得很高的接合強度，不能謀求可靠性的提高。例如，了解到可知，以干式對陶瓷基板的表面進(jìn)行基于Al2O3顆粒的研磨處理，即使將表面粗糙度設(shè)為Ra = O. 2 μ m，在剝離試驗中有時也產(chǎn)生界面剝離。并且，存在如下情況即使通過研磨法將表面粗糙度設(shè)為Ra =O. I μ m以下，仍同樣產(chǎn)生界面剝離。尤其，最近在進(jìn)行功率模塊的小型化、薄壁化的同時，其使用環(huán)境也日趨嚴(yán)峻，也存在來自被搭載的半導(dǎo)體元件等電子零件的發(fā)熱量變大的趨勢，如前所述，需要在散熱板上配設(shè)功率模塊用基板。此時，因功率模塊用基板受散熱板限制，在熱循環(huán)負(fù)荷吋，巨大的剪切力作用于金屬板與陶瓷基板的接合界面，與以往相比，更加要求陶瓷基板與金屬板之間的接合強度的提高及可靠性的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種確實接合金屬板與陶瓷基板且熱循環(huán)可靠性高的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、具備該功率模塊用基板的功率模塊及該功率模塊用基板的制造方法。為了解決這種課題并實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明的功率模塊用基板，在陶瓷基板的表面層壓接合有鋁制金屬板，其特征在于，在所述金屬板中，除了 Cu之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Cu濃度及所述添加元素的濃度總計設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。在該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板中，由于在所述金屬板中，除了 Cu之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，因此使金屬板的接合界面?zhèn)炔糠止倘軓娀?。由此，可防止在金屬板部分的破裂，可提高接合可靠性。在此，由于在所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Cu及所述添加元素的濃度總計設(shè)為O. 05質(zhì)量％以上，所以可確實地固溶強化金屬板的接合界面?zhèn)炔糠?。并且?在所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Cu及所述添加元素的濃度總計設(shè)為5質(zhì)量％以下，因此可防止金屬板的接合界面的強度過于變高，在該功率模塊用基板上負(fù)荷冷熱循環(huán)時，可由金屬板吸收熱應(yīng)力，能夠防止陶瓷基板的破裂等。并且，優(yōu)選采用如下結(jié)構(gòu)所述陶瓷基板的寬度設(shè)定成寬于所述金屬板的寬度，在所述金屬板的寬度方向端部形成有含Cu的化合物在鋁中析出的Cu析出部。此時，在金屬板的寬度方向端部形成有Cu析出部，因此可析出強化金屬板的寬度方向端部。由此，可防止來自金屬板寬度方向端部的破裂的產(chǎn)生，可提高接合可靠性。在此，也可以為如下所述陶瓷基板由AlN或Si3N4構(gòu)成，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面形成有氧濃度高于所述金屬板中及所述陶瓷基板中的氧濃度的氧高濃度部，該氧高濃度部的厚度為4nm。此時，由于在由AlN或Si3N4構(gòu)成的陶瓷基板與鋁制金屬板的接合界面形成有氧濃度高于所述金屬板中及所述陶瓷基板中的氧濃度的氧高濃度部，所以通過存在于接合界面的氧提高由AlN或Si3N4構(gòu)成的陶瓷基板與鋁制金屬板的接合強度。另外，由于該氧高濃度部的厚度為4nm以下，所以可抑制通過負(fù)荷熱循環(huán)時的應(yīng)力產(chǎn)生在氧高濃度部的裂紋。另外，在此，金屬板中及陶瓷基板中的氧濃度是指，金屬板及陶瓷基板中從接合界面遠(yuǎn)離一定距離(例如，50nm以上)的部分的氧濃度。本發(fā)明的自帶散熱器的功率模塊用基板的特征在于，具備所述功率模塊用基板和冷卻該功率模塊用基板的散熱器。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的自帶散熱器的功率模塊用基板，由于具備有冷卻功率模塊用基板的散熱器，所以能夠通過散熱器有效冷卻功率模塊用基板中產(chǎn)生的熱。本發(fā)明的功率模塊的特征在于，具備所述功率模塊用基板和搭載于該功率模塊用基板上的電子零件。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊，陶瓷基板與金屬板的接合強度高，即使是嚴(yán)峻的使用環(huán)境下，也能夠飛躍提高其可靠性。本發(fā)明的功率模塊用基板的制造方法，其為在陶瓷基板的表面層壓接合有鋁制金屬板的功率模塊用基板的制造方法，其特征在干，具有固著工序，在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，除了 Cu之外,還固著選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，形成含有Cu及所述添加元素的固著層；層壓エ序，通過所述固著層層壓所述陶瓷基板和所述金屬板；加熱エ序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及凝固エ序，通過凝固該熔融金屬區(qū)域來接合所述陶瓷基板和所述金屬板，其中在所述固著工序中，使Cu及所述添加元素在O. lmg/cm2以上lOmg/cm2以下的范圍內(nèi)介入在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面，在所述加熱エ序中，通過使所述固著層的Cu及所述添加元素向所述金屬板側(cè)擴散，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成所述熔融金屬區(qū)域。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板的制造方法，由于具備有在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，除了 Cu之外,還固著選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，有形成含有Cu及所述添加元素的固著層的固著工序，所以在所述金屬板與所述陶瓷基板的界面，除了 Cu之外，還介入有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素。在此，Cu及Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li之類的元素為降低鋁的熔點的元素，因此在比較低溫條件下，可在金屬板與陶瓷基板的界面形成熔融金屬區(qū)域。并且，Cu為相對于Al反應(yīng)性較高的元素，因此鋁制金屬板的表面通過存在于接合界面附近處的Cu而進(jìn)行活性化。因此，即使在比較低溫、短時間的接合條件下接合，也能夠緊固地接合陶瓷基板與金屬板。并且，由于在加熱エ序中，通過使固著層的Cu和所述添加元素向所述金屬板側(cè)擴散，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成所述熔融金屬區(qū)域，并凝固該熔融金屬區(qū)域，從而成為接合所述金屬板與所述陶瓷基板的結(jié)構(gòu)，所以無需使用釬料箔等就能夠以低成本制造金屬板與陶瓷基板確實接合的功率模塊用基板。如此，不使用釬料箔就能接合所述陶瓷基板與所述金屬板，因此無需進(jìn)行釬料箔的對位作業(yè)等，例如，將預(yù)先形成為電路圖案形的金屬片接合于陶瓷基板時，也可將因錯位等引起的麻煩防患于未然。并且，在所述固著工序中，將介入于所述陶瓷基板與所述金屬板的界面的Cu及所述添加元素的固著量設(shè)為O. lmg/cm2以上，因此在陶瓷基板與金屬板的界面，可確實形成熔融金屬區(qū)域，并可緊固地接合陶瓷基板與金屬板。另外，將介入于所述陶瓷基板與所述金屬板的界面的Cu及所述添加元素的固著量設(shè)為lOmg/cm2以下，因此可防止固著層重產(chǎn)生裂紋，并可在陶瓷基板與金屬板的界面確實地形成熔融金屬區(qū)域。另外，可防止Cu及所述添加元素過于向金屬板側(cè)擴散而界面附近的金屬板的強度過于變高。由此，在功率模塊用基板負(fù)荷冷熱循環(huán)時，可由金屬板吸收熱應(yīng)力，并可防止陶瓷基板的破裂等。另外，在所述固著工程中，使Cu及所述添加元素在O. lmg/cm2以上10mg/cm2以下的范圍內(nèi)介入于所述陶瓷基板與所述金屬板的界面，因此可制造如下功率模塊用基板在所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Cu及所述添加元素的濃度總計在O. 05質(zhì)量％以上3質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。而且，由于在金屬板及陶瓷基板上直接形成固著層，因此氧化薄膜只形成在金屬板的表面，存在于金屬板及陶瓷基板的界面的氧化薄膜的總計厚度變薄，因此能夠提高初始接合的成品率。 另外，成為如下結(jié)構(gòu)在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方直接固著Cu及所述添加元素，但從生產(chǎn)性的觀點考慮，優(yōu)選在金屬板的接合面固著Cu及所述添加元素。在陶瓷基板的接合面固著Cu及所述添加元素時，必須在每片陶瓷基板分別固著Cu及所述添加元素。對此，向金屬板的接合面固著Cu及所述添加元素時，對于被卷成卷狀的長金屬條，可從其一端到另一端連續(xù)固著Cu及所述添加元素，生產(chǎn)性優(yōu)越。并且，可以在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，分別単獨固著Cu及所述添加元素而形成Cu層及添加元素層。或者，也可以在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，同時固著Cu及所述添加元素而形成Cu和所述添加元素的固著層。在此，所述固著工序中，優(yōu)選成為與Cu及所述添加元素一同固著Al的結(jié)構(gòu)。此時，由干與Cu及所述添加元素一同固著Al，因此所形成的固著層含有Al，在加熱エ序中，該固著層能夠優(yōu)先熔融而確實形成熔融金屬區(qū)域，井能夠緊固地接合陶瓷基板與金屬板。并且，可防止Mg、Ca、Li等氧化活性元素的氧化。另外，為了與Cu及所述添加元素一同固著Al，可同時蒸鍍Cu及所述添加元素和Al，也可將Cu及所述添加元素和Al的合金作為靶進(jìn)行濺射。另外，也可層壓Cu及添加元素與Al。并且，所述固著工序優(yōu)選通過電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者通過涂布分散有粉末的糊劑及墨水等，在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，固著Cu及選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素。此時，通過電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者通過涂布分散有粉末的糊劑及墨水等，使Cu及所述添加元素確實固著于所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，因此可使Cu及所述添加元素確實介入于陶瓷基板與金屬板的接合界面。并且，可高精度調(diào)節(jié)Cu及所述添加元素的固著量，并可以確實形成熔融金屬區(qū)域而緊固地接合陶瓷基板與金屬板。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供金屬板與陶瓷基板確實接合且熱循環(huán)可靠性高的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板、具備該功率模塊用基板的功率模塊及該功率模塊用基板的制造方法。


圖I是使用本發(fā)明的實施方式的功率模塊用基板的功率模塊的簡要說明圖。圖2是表示本發(fā)明的實施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的Cu濃度及添加元素濃度的說明圖。圖3是本發(fā)明的實施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層(金屬板)與陶瓷基板的接合界面的示意圖。圖4是表示本發(fā)明的實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。圖5是表示本發(fā)明的實施方式的功率模塊用基板的制造方法的說明圖。圖6是表示圖5中的金屬板與陶瓷基板的接合界面附近的說明圖。圖7是表示本發(fā)明的其他實施方式的功率模塊用基板的制造方法的流程圖。圖8是表示本發(fā)明的其他實施方式的功率模塊用基板的制造方法的說明圖。符號說明 I-功率模塊，3-半導(dǎo)體芯片(電子零件)，10-功率模塊用基板，11、111-陶瓷基板，12、112-電路層，13、11 3-金屬層，22、23、122、123-金屬板，24、25-固著層，26、27、126、127-熔融金屬區(qū)域，30、130-接合界面，124A、125A_Cu層，124B、125B-添加元素層。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。圖I中表示本發(fā)明的實施方式的功率模塊用基板、自帶散熱器的功率模塊用基板及功率模塊。該功率模塊I具備有功率模塊用基板10，配設(shè)有電路層12 ;半導(dǎo)體芯片3，通過焊層2接合于電路層12的表面；及散熱器4。在此，焊層2例如為Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系的焊料。另外，在本實施方式中，電路層12與焊層2之間設(shè)置有Ni鍍層(未圖示)O功率模塊用基板10具備陶瓷基板11 ;電路層12，配設(shè)于該陶瓷基板11的一面(在圖I中為上部)；及金屬層13，配設(shè)于陶瓷基板11的另一面(在圖I中為下部)。陶瓷基板11防止電路層12與金屬層13之間的電連接，由絕緣性高的A1N(氮化鋁)構(gòu)成。并且，陶瓷基板11的厚度設(shè)定在O. 2 I. 5mm的范圍內(nèi)，在本實施方式中設(shè)定為0.635mm。另外，在本實施方式中，如圖I所示，陶瓷基板11的寬度(圖I中的左右方向長度)設(shè)定為寬于電路層12及金屬層13的寬度。如圖5所示，電路層12通過在陶瓷基板11的一面接合具有導(dǎo)電性的金屬板22而形成。在本實施方式中，電路層12通過由純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)壓延板構(gòu)成的金屬板22接合于陶瓷基板11而形成。如圖5所示，金屬層13通過在陶瓷基板11的另一面接合金屬板23而形成。在本實施方式中，金屬層13與電路層12同樣通過由純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)壓延板構(gòu)成的金屬板23接合于陶瓷基板11而形成。散熱器4用于冷卻所述功率模塊用基板10，具備有頂板部5，與功率模塊用基板10相接合；及流路6，用于使冷卻介質(zhì)(例如冷卻水)流通。散熱器4(頂板部5)優(yōu)選由熱傳導(dǎo)性良好的材質(zhì)構(gòu)成,在本實施方式中，由A6063(鋁合金)構(gòu)成。并且，在本實施方式中，散熱器4的頂板部5與金屬層13之間設(shè)置有由鋁或鋁合金或者含有鋁的復(fù)合材料(例如AlSiC等)構(gòu)成的緩沖層15。而且，如圖2所示，在陶瓷基板11與電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30的寬度方向中央部中，在電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中，除了 Cu之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素。在電路層12及金屬層13的接合界面30的附近處形成有Cu濃度及所述添加元素的濃度隨著從接合界面30向?qū)訅悍较螂x間而降低的濃度傾斜層33。在此，該濃度傾斜層33的接合界面30側(cè)(電路層12及金屬層13的接合界面30的附近)的Cu及所述添加元素的濃度總計設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。另外，電路層12及金屬層13的接合界面30附近的Cu及所述添加元素的濃度是通過EPMA分析(斑點直徑30 μ m)在距離接合界面30的50 μ m位置進(jìn)行5點測定的平均值。并且，圖2的圖表是在電路層12(金屬板22)及金屬層13(金屬板23)的中央部分向?qū)訅悍较蜻M(jìn)行線性分析，并將所述50 μ m位置處的濃度作為基準(zhǔn)而求出的圖表。在此，本實施方式中，將Ge作為添加元素使用，電路層12及金屬層13的接合界面30附近處的Ge濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上I質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，Cu濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上I質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。
并且，在陶瓷基板11與電路層12 (金屬板22)及與金屬層13 (金屬板23)的接合界面30的寬度方向端部中，形成有含有Cu的化合物在鋁的母相中析出的Cu析出部35。在此，該Cu析出部35中的Cu濃度設(shè)定在O. 5質(zhì)量％以上5. O質(zhì)量％的范圍內(nèi)，并含有大幅度超過鋁中固溶量的Cu。另外，Cu析出部35的Cu濃度為以EPMA分析(斑點直徑30 μ m)進(jìn)行5點測定的
平均值。并且，在透射電子顯微鏡中觀察陶瓷基板11與電路層12 (金屬板22)及與金屬層
13(金屬板23)的接合界面30時，如圖3所示，在接合界面30形成有濃縮氧的氧高濃度部32。在該氧高濃度部32中，氧濃度高于電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的氧濃度。另外，該氧高濃度部32的厚度H為4nm以下。另外，在此所觀察的接合界面30，如圖3所示，將電路層12 (金屬板22)及金屬層13(金屬板23)的晶格像界面?zhèn)榷瞬颗c陶瓷基板11的晶格像界面?zhèn)榷瞬恐g的中央設(shè)為基準(zhǔn)面S。以下，參照圖4至圖6對所述結(jié)構(gòu)的功率模塊用基板10的制造方法進(jìn)行說明。(固著工序SI)首先，如圖5及圖6所示，通過濺射在金屬板22、23的各接合面固著Cu和選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，形成固著層24、25。在此，在本實施方式中，將Ge作為添加元素使用，固著層24、25中的Cu量設(shè)定為
O.08mg/cm2 以上 2. 7mg/cm2 以下，Ge 量設(shè)定為 O. 002mg/cm2 以上 2. 5mg/cm2 以下。(層壓エ序S2)接著，如圖5所示，將金屬板22層壓在陶瓷基板11的一面?zhèn)龋⑶覍⒔饘侔?3層壓在陶瓷基板11的另一面?zhèn)?。此時，如圖5及圖6所示，以金屬板22、23中形成有固著層24,25的面朝向陶瓷基板11的方式層壓。即，在金屬板22、23與陶瓷基板11之間分別介入有固著層24、25 (Cu及所述添加元素)。如此形成層壓體20。(加熱エ序S3)接著，將在層壓エ序S2中形成的層壓體20以向其層壓方向加壓(壓カ為I 35kgf/cm2)的狀態(tài)裝入真空加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱，如圖6所示，在金屬板22、23與陶瓷基板11的界面分別形成熔融金屬區(qū)域26、27。如圖6所示，該熔融金屬區(qū)域26、27是通過如下而形成的固著層24、25的Cu及所述添加元素向金屬板22、23側(cè)擴散，從而金屬板22、23的固著層24、25附近的Cu濃度及所述添加元素的濃度(在本實施方式中為Ge濃度)上升，熔點降低。另外，上述壓カ不到lkgf/cm2時，有可能無法良好地進(jìn)行陶瓷基板11與金屬板22、23的接合。并且，上述壓カ超過35kgf/cm2時，金屬板22、23有可能變形。從而，上述加壓壓カ優(yōu)選設(shè)在I 35kgf/cm2的范圍內(nèi)。在此，本實施方式中，真空加熱爐內(nèi)的壓カ設(shè)定在10_6 10_3Pa的范圍內(nèi)，加熱溫度設(shè)定在550°C以上650°C以下的范圍內(nèi)。(凝固エ序S4)接著，在形成有熔融金屬區(qū)域26、27的狀態(tài)下將溫度保持為恒定。這樣，熔融金屬區(qū)域26、27中的Cu及添加元素(在本實施方式中為Ge)進(jìn)ー步向金屬板22、23側(cè)擴散。由此，曾為熔融金屬區(qū)域26、27的部分的Cu濃度及所述添加元素的濃度(在本實施方式中為Ge濃度)逐漸降低，熔點上升，在將溫度保持為恒定的狀態(tài)下進(jìn)行凝固。即，陶瓷基板11和金屬板22、23通過所謂擴散接合(TransientLiquidPhaseDifTusionBonding)而接合。如此，進(jìn)行凝固之后冷卻至常溫。如此，成為電路層12及金屬層13的金屬板22、23與陶瓷基板11接合，制造出本實施方式的功率模塊用基板10。在成為如以上結(jié)構(gòu)的本實施方式的功率模塊用基板10及功率模塊I中，由于具備有在金屬板22、23的接合面固著Cu及所述添加元素(在本實施方式中為Ge)的固著工序SI，所以在金屬板22、23與陶瓷基板11的接合面30，介入有Cu及所述添加元素。在此，Cu為相對于Al反應(yīng)性高的元素，所以通過Cu存在于接合界面30，鋁制金屬板22、23的表面進(jìn)行活性化。由此，能夠緊固地接合陶瓷基板11和金屬板22、23。
另外，陶瓷基板11與電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)通過使形成于金屬板22、23的接合面的含有Cu及所述添加元素的固著層24、25的Cu及所述添加元素向金屬板22、23側(cè)擴散來形成熔融金屬區(qū)域26、27，并通過使該熔融金屬區(qū)域26、27中的Cu及所述添加元素擴散至金屬板22、23而凝固接合，因此在相對低溫、短時間的接合條件下接合也能夠緊固接合陶瓷基板11和金屬板22、23。尤其，Cu及稱為Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li等元素降低鋁的熔點，因此能夠在低溫條件下接合。并且，在陶瓷基板11與電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30的寬度方向中央部中，在電路層12(金屬板22)及金屬層13(金屬板23)固溶有Cu及所述添加元素，電路層12及金屬層13的各接合界面30側(cè)的Cu及所述添加元素的濃度總計設(shè)定為，O. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，在本實施方式中，將Ge作為添加元素使用，電路層12及金屬層13的接合界面30附近處的Ge濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上I質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，Cu濃度設(shè)定在O. 05質(zhì)量％以上I質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)，所以電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30側(cè)部分固溶強化，能夠防止電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的龜裂的產(chǎn)生。并且，在加熱エ序S3中Cu及所述添加元素充分向金屬板22、23側(cè)擴散，并緊固接合金屬板22、23和陶瓷基板11。另外，在本實施方式中，陶瓷基板11由AlN構(gòu)成，由于在成為電路層12及金屬層13的金屬板22、23與陶瓷基板11的接合界面30，形成有氧濃度成為構(gòu)成電路層12及金屬層13的金屬板22、23中的氧濃度的氧高濃度部32，所以能夠通過該氧謀求陶瓷基板11與金屬板22、23的接合強度的提高。并且，該氧高濃度部的32的厚度設(shè)為4nm以下，因此可抑制通過負(fù)荷熱循環(huán)時的應(yīng)力產(chǎn)生在氧高濃度部32的裂紋。并且，具備有在金屬板的接合面固著Cu及所述添加元素而形成固著層24、25的固著工序SI，且構(gòu)成為如下在加熱エ序S3中，通過使固著層24、25的Cu及所述添加元素向金屬板22、23側(cè)擴散，從而在陶瓷基板11與金屬板22、23的界面形成熔融金屬區(qū)域26、27，因此，無需使用制造困難的釬料箔，就能夠以低成本制造金屬板22、23和陶瓷基板11確實接合的功率模塊用基板10。并且，在本實施方式中，在固著工序SI中，介入于陶瓷基板11與金屬板22、23的界面的Cu量及Ge量設(shè)為Cu :0. 08mg/cm2以上、Ge :0. 002mg/cm2以上，因此能夠在陶瓷基板11與金屬板22、23的界面確實形成熔融金屬區(qū)域26、27，井能夠緊固接合陶瓷基板11與金屬板22、23。另外，由于將介入于陶瓷基板11與金屬板22、23的界面的Cu量及Ge量設(shè)為Cu 2. 7mg/cm2以下、Ge :2. 5mg/cm2以下，因此能夠防止在固著層24、25產(chǎn)生裂紋,并能夠在陶瓷基板11與金屬板22、23的界面確實形成熔融金屬區(qū)域26、27。另外，能夠防止Cu及所述添加元素過于向金屬板22、23側(cè)擴散而界面 附近的金屬板22、23的強度變得過高。由此，在功率模塊用基板10負(fù)荷冷熱循環(huán)時，可由電路層12、金屬層13 (金屬板22、23)吸收熱應(yīng)力，并能夠防止陶瓷基板11的破裂等。并且，由于不使用釬料箔，在金屬板22、23的接合面直接形成固著層24、25，因此無需進(jìn)行釬料箔的對位作業(yè)，就能夠確實接合陶瓷基板11與金屬板22、23。由此，能夠有效制造出該功率模塊用基板10。而且，在金屬板22、23的接合面形成有固著層24、25，因此介入于金屬板22、23與陶瓷基板11的界面的氧化薄膜只存在于金屬板22、23的表面，由此能夠提高初始接合的成品率。以上，對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不局限于此，在不脫離其發(fā)明技術(shù)思想的范圍可適當(dāng)變更。例如，對由純度99. 99%的純鋁壓延板構(gòu)成電路層及金屬層的金屬板的情況進(jìn)行了說明，但并不局限于此，也可以是純度99%的鋁(2N鋁)。并且，在固著工序中，對于在金屬板的接合面固著Cu及所述添加元素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，但并不局限于此，可以在陶瓷基板的接合面固著Cu及所述添加元素，也可以在陶瓷基板的接合面及金屬板的接合面分別固著Cu及所述添加元素。另外，在固著工序中，對通過濺射固著Cu及所述添加元素的情況進(jìn)行了說明，但并不局限于此，也可通過電鍍、蒸鍍、CVD、冷噴涂、或者是通過涂布分散有粉末的糊劑及墨水，固著Cu及所述添加元素。并且，對固著Cu和所述添加元素而形成含有Cu及所述添加元素的固著層的情況進(jìn)行了說明，但并不局限于此，如圖7及圖8所示，可以在陶瓷基板111的接合面或金屬板123、124的接合面的至少一方，分別形成Cu層124A、125A和添加元素層124B、125B。S卩，固著工序SI可被分離為Cu固著工序SlO和添加元素固著工序Sll。并且，也可在添加元素固著工序后設(shè)置Cu固著工序。另外，可使用添加元素與Cu的合金來形成Cu和添加元素的合金層。并且，對使用真空加熱爐進(jìn)行陶瓷基板與金屬板的接合的情況進(jìn)行了說明，但不局限于此，也可在N2氣氛、Ar氣氛及He氣氛等條件下進(jìn)行陶瓷基板與金屬板的接合。并且，對于在散熱器的頂板部與金屬層之間設(shè)置由鋁或鋁合金或者含有鋁的復(fù)合材料(例如AlSiC等)構(gòu)成的緩沖層的情況進(jìn)行了說明，但也可以沒有該緩沖層。另外，對由鋁構(gòu)成散熱器的情況進(jìn)行了說明，但也可以由鋁合金或含有鋁的復(fù)合材料構(gòu)成。另外，對具有冷卻介質(zhì)的流路作為散熱器的情況進(jìn)行了說明，但散熱器的結(jié)構(gòu)無特別限定，可以使用各種結(jié)構(gòu)的散熱器。并且，對由AlN構(gòu)成陶瓷基板的情況進(jìn)行了說明，但并不限定于此，也可以由Si3N4^Al2O3等其他陶瓷構(gòu)成。[實施例]對為了確認(rèn)本發(fā)明的有效性而進(jìn)行的比較實驗進(jìn)行說明。在由厚度為O. 635mm的AlN構(gòu)成的陶瓷基板接合厚度O. 6mm的4N鋁制電路層和厚度為O. 6mm的4N鋁制金屬層，制作出了功率模塊用基板。在此，在成為電路層及金屬層的鋁板(4N招)的接合面，固著Cu及添加元素而形成固著層，層壓金屬板與陶瓷基板并進(jìn)行加壓加熱，接合了金屬板與陶瓷基板。
而且，制出變更了所固著的添加元素的各種試驗片，并使用這些試驗片進(jìn)行了接合可靠性的評價。作為接合可靠性的評價，比較了反復(fù)2000次冷熱循環(huán)(_45°C 125°C )后的接合率。將結(jié)果示于表I至表3。另外，用下式接合率=(初始接合面積-剝離面積)/初始接合面積來計算接合率。在此，初始接合面積設(shè)定為，接合前的應(yīng)接合的面積。并且，對于這些試驗片，通過EPMA分析(斑點直徑30μπι)測定金屬板中陶瓷基板的接合界面附近(距離接合界面50 μ m)的Cu及添加元素的濃度。將Cu及添加元素的總計濃度合并示于表1-3。
權(quán)利要求
1.一種功率模塊用基板，其在陶瓷基板的表面層壓接合有鋁制金屬板，其特征在干， 在所述金屬板中，除了 Cu之外,還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg, Ca, Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，在所述金屬板中，與所述陶瓷基板的界面附近的Cu濃度及所述添加元素的濃度總計設(shè)定在0. 05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求I所述的功率模塊用基板，其特征在干， 所述陶瓷基板的寬度設(shè)定成寬于所述金屬板的寬度，在所述金屬板的寬度方向端部形成有含Cu的化合物在鋁中析出的Cu析出部。
3.如權(quán)利要求I或2所述的功率模塊用基板，其特征在干， 所述陶瓷基板由AlN或Si3N4構(gòu)成，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面，形成有氧濃度高于所述金屬板中及所述陶瓷基板中氧濃度的氧高濃度部，該氧高濃度部的厚度設(shè)定在4nm以下。
4.一種自帶散熱器的功率模塊用基板，其特征在干， 具備權(quán)利要求I至3中的任一項所述的功率模塊用基板和冷卻該功率模塊用基板的散熱器。
5.—種功率模塊，其特征在干， 具備權(quán)利要求I至3中的任一項所述的功率模塊用基板和搭載于該功率模塊用基板上的電子零件。
6.一種功率模塊用基板的制造方法，所述功率模塊用基板在陶瓷基板的表面層壓接合有鋁制金屬板，其特征在于，具有 固著工序，在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方，除了 Cu之夕卜，還固著選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素，并形成含有Cu及所述添加元素的固著層； 層壓エ序，通過所述固著層，層壓所述陶瓷基板和所述金屬板； 加熱エ序，將被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板向?qū)訅悍较蚣訅旱耐瑫r進(jìn)行加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區(qū)域；以及 凝固エ序，通過凝固該熔融金屬區(qū)域來接合所述陶瓷基板和所述金屬板， 在所述固著工序中，使Cu及所述添加元素在0. lmg/cm2以上10mg/cm2以下的范圍內(nèi)介入在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面， 在所述加熱エ序中，通過使所述固著層的元素向所述金屬板側(cè)擴散，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成所述熔融金屬區(qū)域。
7.如權(quán)利要求6所述的功率模塊用基板的制造方法，其特征在干， 在所述固著工序中，與Cu及所述添加元素一同固著Al。
8.如權(quán)利要求6或7所述的功率模塊用基板的制造方法，其特征在干， 所述固著工程通過電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴涂或者通過涂布分散有粉末的糊劑及墨水，在所述陶瓷基板的接合面及所述金屬板的接合面中的至少一方固著Cu和選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的I種或2種以上的添加元素。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金屬板與陶瓷基板確實接合且熱循環(huán)可靠性高的功率模塊用基板、具備該功率模塊用基板的功率模塊及該功率模塊用基板的制造方法。一種功率模塊用基板(10)，其在陶瓷基板(11)的表面層壓接合有鋁制金屬板(12、13)，其特征在于，在金屬板(12、13)中，除了Cu之外，還固溶有選自Zn、Ge、Ag、Mg、Ca、Ga及Li中的1種或2種以上的添加元素，在金屬板(12、13)中，與陶瓷基板(11)的界面附近的Cu濃度及所述添加元素的濃度總計設(shè)定在0.05質(zhì)量％以上5質(zhì)量％以下的范圍內(nèi)。
文檔編號H01L21/48GK102651349SQ20111004867
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者殿村宏史, 長友義幸, 黑光祥郎 申請人:三菱綜合材料株式會社