TW201541570A - 接合體、電源模組用基板、電源模組及接合體之製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明之接合體，係接合含鋁的陶瓷所構成的陶瓷構件，與銅或銅合金構成的銅構件而成的接合體，前述陶瓷構件與前述銅構件之間，被形成接合部，於該接合部之陶瓷構件側，被形成由包含活性金屬的化合物構成的活性金屬化合物區域；由該活性金屬化合物區域之構成前述銅構件側之一面，朝向前述銅構件側，0.5μm~3μm之厚度範圍之前述接合部的鋁濃度在0.5原子百分比(at%)以上，15at%以下之範圍。

Description

接合體、電源模組用基板、電源模組及接合體之製造方法

本發明係關於堅固地接合陶瓷構件與銅構件之接合體、具備此接合體之電源模組用基板、電源模組、及接合體之製造方法。

本發明根據2014年3月20日於日本提出申請之特願2014-058869號專利申請案主張優先權，於此處援用其內容。

LED或電源模組等半導體裝置，具備在導電材料所構成的電路層之上被接合半導體元件的構造。

供控制風力發電、電動車等電力車輛等，供控制大電力用的電源半導體元件，其發熱量很多。因此，作為搭載這樣的電源半導體元件的基板，例如使用Si₃N₄(氮化矽)、AlN(氮化鋁)、Al₂O₃(氧化鋁)等耐熱性及絕緣性優異的陶瓷基板。接著，於此陶瓷基板之一方之面，把 導電性優異的銅板作為電路層接合的電源模組用基板從以前就已經廣泛使用著。此外，於陶瓷基板之另一方之面也接合金屬板。

從前，作為對陶瓷基板接合銅板的方法，例如在陶瓷基板上重疊銅板的狀態下，對這些施加荷重，在氮氣氛圍中加熱至1000℃以上的所謂的DBC法(Direct Bonding Copper法)係屬已知(例如參照專利文獻1)。

[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

然而，藉由專利文獻1所示的DBC法接合陶瓷基板與銅板的場合，因為把陶瓷基板與銅板加熱至1000℃以上進行接合，所以對陶瓷基板施加熱負荷，而有使陶瓷基板與銅板之接合信賴性降低之虞。

本發明係有鑑於前述情形而完成之發明，目的在於提供陶瓷構件與銅構件之接合信賴性高的接合體、電源模組用基板、電源模組、以及接合體之製造方法。

為了解決前述課題，本發明之數個態樣，提 供如下所述的接合體、電源模組用基板、電源模組及接合體之製造方法。

相關於本發明的第一態樣之接合體，係接合含鋁的陶瓷所構成的陶瓷構件，與銅或銅合金構成的銅構件而成的接合體，前述陶瓷構件與前述銅構件之間，被形成接合部，於該接合部之陶瓷構件側，被形成由包含活性金屬的化合物構成的活性金屬化合物區域；由該活性金屬化合物區域之構成前述銅構件側之一面，朝向前述銅構件側，0.5μm~3μm之厚度範圍之前述接合部的鋁濃度在0.5原子百分比(at%)以上，15at%以下之範圍。

接合部之鋁成分，係陶瓷構件的構成材料，亦即含鋁的陶瓷的一部分，在陶瓷構件與銅構件接合時被分解，鋁成分朝向接合部擴散而產生。鋁濃度顯示陶瓷構件之分解程度，鋁濃度越高顯示陶瓷構件的分解進行而提高陶瓷構件與接合部之接合力。

在此，前述鋁濃度未滿0.5原子百分比的話，陶瓷構件的分解沒有進行，陶瓷構件與銅構件之剝離率增加。此外，前述鋁濃度超過15原子百分比的話，接合部的鋁成分變多，鋁之金屬間化合物等增加。由此，接合部的硬度上升，陶瓷構件與銅構件之接合信賴性降低。

亦即，如本發明這樣，藉由把接合部的鋁濃度限制在特定範圍內，可以維持陶瓷構件與接合部之接合力為較高，減低接合部之剝離率，實現陶瓷構件與銅構件堅固地接合之接合體。

於本發明之接合體，前述活性金屬化合物區域之前述一面，為具有凹凸之面，前述厚度範圍，係由前述凹凸之中最接近於前述銅構件的地點起算之範圍。

藉此，可以根據鋁濃度而更為正確地把握陶瓷構件的分解程度，確實實現接合部之剝離率的減低。

於本發明之接合體，前述陶瓷構件為AlN、Al₂O₃之中的任一所構成的。

藉由選擇AlN、Al₂O₃作為陶瓷構件，可以製造絕緣性及耐熱性優異的接合體。

於本發明之接合體，前述活性金屬化合物區域，包含選自活性金屬的氮化物、活性金屬的氧化物之任一種。

藉由在活性金屬化合物區域，包含活性金屬的氮化物、活性金屬的氧化物，可以提高陶瓷構件與銅構件之接合姓，確實實現陶瓷構件與銅構件之剝離率的減低。

相關於本發明之第二態樣的電源模組用基板，係具備前述接合體之電源模組用基板，使用前述銅構件作為電路層，於前述陶瓷構件在前述電路層被接合之面的相反面，形成金屬層。

此電源模組用基板，使用銅構件作為電路層，於陶瓷構件在此電路層被接合之面的相反面，形成有金屬層。因此，被形成於陶瓷構件與電路層之間的接合部的鋁濃度保持在特定範圍內，可以維持陶瓷構件與接合部之接合力為較高，減低接合部之剝離率，實現陶瓷構件與電路層堅固 地接合之電源模組用基板。

於本發明之電源模組用基板，前述金屬層由銅或銅合金所構成。

在此場合，在陶瓷構件之被接合電路層的面的相反面，被形成銅或銅合金所構成的金屬層，所以可實現散熱性優異的電源模組基板。

於本發明之電源模組用基板，前述金屬層由鋁或鋁合金所構成。

在此場合，陶瓷構件之與被接合電路層的面相反的面，藉由接合鋁或鋁合金所構成的金屬層減少變形電阻，對陶瓷構件施加熱應力時，此熱應力可以藉由鋁或鋁合金構成的金屬層所吸收，可以抑制陶瓷構件的熱應力導致的破損。

相關於本發明之第三態樣之電源模組，具備：前述之電源模組用基板，及被接合於前述電路層之中與前述陶瓷構件相反側之面的電子零件。

根據本發明之電源模組，使用具有如前所述的接合體之電源模組用基板，所以陶瓷構件與電路層堅固地接合，信賴性優異。

相關於本發明之第四態樣之接合體之製造方法，係含鋁的陶瓷所構成的陶瓷構件，與銅或銅合金所構成的銅構件被接合而成的接合體之製造方法，具備：中介著銅-磷焊料，與含有活性金屬的活性金屬材，形成在前述陶瓷構件層積前述銅構件的層積體之層積步驟，以及加 熱處理前述層積體，使前述銅-磷焊料熔融，同時使包含於前述陶瓷構件的鋁朝向前述銅-磷焊料擴散的加熱處理步驟。

根據本發明之接合體之製造方法，於加熱處理步驟，藉由包含於陶瓷構件的鋁朝向銅-磷焊料擴散，而可以維持陶瓷構件與接合部之接合力為較高，減低接合部之剝離率，可以製造陶瓷構件與銅構件被堅固接合的接合體。

於本發明之接合體之製造方法，前述銅-磷焊料，含有磷3質量百分比(mass%)以上10mass%以下。

含有磷3mass%以上10mass%以下的銅-磷焊料，融點很低，所以加熱時容易產生融液，容易進行陶瓷構件與銅構件之反應，所以可堅固地接合陶瓷構件與銅構件。

於本發明之接合體之製造方法，前述銅-磷焊料，係選自Cu-P焊料、Cu-P-Sn焊料、Cu-P-Sn-Ni焊料、Cu-P-Zn焊料之中的任何一種。

使用這樣的焊料的場合，焊料的融點很低，所以可確實進行陶瓷構件與銅構件之接合。

根據本發明的話，可以提供陶瓷構件與銅構件之接合信賴性高的接合體、電源模組用基板、電源模組、以及接合體之製造方法。

1‧‧‧電源模組

3‧‧‧電源半導體(電子零件)

10‧‧‧接合體

11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)

12‧‧‧銅構件

13‧‧‧接合部

31‧‧‧焊料

32‧‧‧活性金屬材

40‧‧‧電源模組用基板

41‧‧‧金屬層

圖1係相關於本發明的實施型態之接合體之一例之剖面圖。

圖2係相關於本發明的實施型態之接合體之接合部之重要部位擴大剖面圖。

圖3係相關於本發明的實施型態之接合體之接合部之剖面觀察照片。

圖4係相關於本發明的實施型態之接合體之接合部之其他例的重要部位擴大剖面圖。

圖5係階段性顯示相關於本發明的實施型態之接合體之製造方法之剖面圖。

圖6係顯示相關於本發明的實施型態之電源模組用基板及電源模組之剖面圖。

圖7係顯示實施例之活性金屬化合物區域之觀察例之圖。

以下，參照圖式，說明相關於本發明的實施型態之接合體，及其製造方法。又，於以下所示之各實施型態，係為了使本發明的要旨更容易理解而具體說明之例，在沒有特別指定的情況下，並不能用來限定本發明之範圍。此外，以下說明所使用的圖式，亦有為了使本發明 的特徵容易理解，而方便上擴大顯示重要部位的部份的場合，各構成要素的尺寸比率不限於與實際上相同。

(接合體)

圖1係相關於本發明的實施型態之接合體之一例之剖面圖。

接合體10，例如作為具備電源半導體的構成電源模組之電源模組用基板來使用。此接合體10，如圖1所示，具備：陶瓷基板(陶瓷構件)11，以及被配設於此陶瓷基板11的一面11a(於圖1為上面)之銅構件12。此外，此陶瓷基板11與銅構件12，中介著接合部13接合。接合部13，例如藉由加熱處理活性金屬材及Cu-P系焊料而形成。又，接合體10之製造方法，稍後詳述。

陶瓷基板11，由含鋁的絕緣性高的陶瓷，例如A1N(氮化鋁)、Al₂O₃(氧化鋁)等構成。在本實施型態，陶瓷基板11，以散熱性優異的AlN構成。陶瓷基板11的厚度，例如被設定在0.2~1.5mm之範圍內，在本實施型態，使用0.635mm者。

銅構件12，使用由具有高導電性的銅或銅合金構成的金屬板。在本實施型態，作為銅構件12使用由無氧銅構成的金屬板。此銅構件12的厚度，例如，被設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內，在本實施型態，使用0.6mm者。

這樣的銅構件12，例如作為電源模組用基板的電路 層使用。

圖2係相關於本發明的實施型態之接合體之接合部13的概要的重要部位擴大剖面圖。此外，圖3係相關於本發明的實施型態之接合體之接合部13之剖面觀察照片。又，圖2及圖3所示的本實施型態之接合部13的構成，係在陶瓷基板11與銅構件12的接合，使用Cu-P-Sn-Ni焊料，與作為活性金屬使用Ti的場合之一例。又，作為活性金屬，除了Ti以外，例如可以舉出Zr、Nb、Hf等。

接合部13，係把活性金屬材(在本實施型態為Ti)以及Cu-P系焊料以特定的溫度、時間進行熱處理而產生的接合層。

接合部13，具備：位在銅構件12側的合金層17，以及位在陶瓷基板11側的活性金屬化合物區域16。

於本實施型態，活性金屬化合物區域16，係從活性金屬材擴散的Ti，與包含於構成陶瓷基板11的AlN的N化合形成的鈦氮化物，例如以TiN構成為主體。合金層17，係以焊料的成分之Cu,P,Sn,Ni，以及由活性金屬材擴散的Ti及這些的合金或金屬間化合物構成的。

於如此構成的接合部13，係以由活性金屬化合物區域16之構成銅構件12側的一面16a起朝向銅構件12側，以0.5μm~3μm的厚度範圍E之鋁濃度成為0.5at%以上、15at%以下的範圍的方式形成的。亦即，由活性金屬化合物區域16之一面16a起，朝向銅構件12在 0.5μm(△t1)的位置擴開的面，與朝向銅構件12之3μm(△t2)的位置擴開的面之間之擴開於2.5μm的厚度範圍E的區域內，鋁濃度為0.5at%以上、15at%以下。又，鋁濃度為厚度範圍E之平均值。前述厚度範圍E之鋁濃度以0.5at%以上、10at%以下為較佳，但不被限定於此範圍。

接合部13之鋁成分，係陶瓷基板11的構成材料，亦即含鋁的陶瓷的一部分，在陶瓷基板11與銅構件12接合時被分解，鋁成分朝向接合部13擴散而產生。在本實施型態，構成陶瓷基板11的AlN分解，鋁朝向接合部13擴散。

這樣的接合部13的厚度範圍E之鋁濃度的控制，是藉由陶瓷基板11與銅構件12之接合時的在加熱處理步驟的接合溫度的設定或是加熱時間的設定，而控制在所要的值。

又，在本實施型態，活性金屬化合物區域16，以活性金屬材，與構成陶瓷基板11的AlN所含的N化合形成的活性金屬的氮化物為主體構成的，但作為陶瓷基板11使用Al₂O₃的場合，活性金屬化合物區域16，以Al₂O₃所含有的O與活性金屬化合形成的活性金屬的氧化物為主體構成。

此外，在圖2，模式上，以活性金屬化合物區域16的一面16a為平面，實際上，如圖3的觀察相片所示，此活性金屬化合物區域16之一面16a為具有多數凹凸的面。在此場合，例如圖4所示那樣，只要把被規定鋁 濃度的接合部13的厚度範圍E，定義為活性金屬化合物區域16的一面16a之中，最接近於銅構件的地點Sp(最往銅構件12側突出的頂部Sp)為基點，0.5μm~3μm之厚度範圍E即可。

此外，於陶瓷基板11之另一面11b側，進而被接合金屬構件，例如鋁或鋁合金構成的鋁構件、銅或銅合金構成的銅構件的構成為較佳。作為如此進行的金屬構件之一例，可以舉出4N-Al構成的鋁構件，或無氧銅構成的銅構件。陶瓷構件11與金屬構件之接合，例如可以使用Al-Si系焊料或Cu-P系焊料等。作為Al-Si系焊料，可舉出矽含量1mass%至12mass%之焊料。

根據以上所述構成的接合體10，接合陶瓷基板11與銅構件12的接合部13，係由活性金屬化合物區域16之一面16a起朝向銅構件12側，以0.5μm~3μm的厚度範圍E之鋁濃度成為0.5at%以上、15at%以下的範圍的方式形成的。此鋁，係構成陶瓷基板11的AlN或Al₂O₃分解，朝向接合部13擴散。因此，鋁的濃度，顯示這些AlN或Al₂O₃的分解程度，鋁的濃度越高，顯示AlN或Al₂O₃的分解越加進行，陶瓷基板11與接合部13之接合力很高。

因此，藉由管理接合部13的特定區域的鋁濃度，可以把陶瓷基板11與接合部13之接合力維持得很高，可以減低接合部13的剝離率。

(接合體之製造方法)

說明如前所述的構成的接合體之製造方法。

圖5係階段性顯示相關於本發明的實施型態之接合體之製造方法之剖面圖。

例如，製造作為電源模組用基板使用的接合體時，首先準備AlN(氮化鋁)、Al₂O₃(氧化鋁)等含鋁的陶瓷所構成的陶瓷基板(陶瓷構件)11(參照圖5(a))。在本實施型態，使用由AlN所構成，厚度0.635mm的陶瓷基板。

其次，於陶瓷基板11之一面11a側，依序層積焊料31、活性金屬材32以及銅構件12，形成層積體35(參照圖5(b)：層積步驟)。焊料31，使用Cu-P系焊料。作為Cu-P系的焊料，例如可以舉出Cu-P焊料、Cu-P-Sn系焊料、Cu-P-Sn-Ni系焊料、Cu-P-Zn系焊料、Cu-P-Sn-Mn系焊料、Cu-P-Sn-Cr系焊料、Cu-P-Sn-Fe系焊料等，在本實施型態使用Cu-P-Sn-Ni焊料。

Cu-P-Sn-Ni焊料的組成，具體為Cu-7mass%P-15mass%Sn-10mass%Ni。在此，Cu-P-Sn-Ni焊料的厚度被形成為5μm以上150μm以下。

Cu-P系焊料的成分之磷，係具有使焊料融點降低的作用效果的元素。此外，此磷，係藉由磷氧化產生的磷氧化物，接著覆蓋焊料表面防止焊料的氧化，同時藉著以流動性良好的磷氧化物覆蓋熔融的焊料的表面具有提高焊料的潤濕性的作用效果的元素。

磷含量未滿3mass%的話，無法充分得到使焊料融點降低的效果而會有焊料的融點上升，或是焊料的流動性不足，陶瓷基板11與銅構件12之接合性降低之虞。此外，磷含量超過10mass%的話，會形成許多脆的金屬間化合物，而有陶瓷基板11與銅構件12之接合性或接合信賴性降低之虞。

由於這樣的理由，Cu-P系焊料含的磷含量在3mass%以上10mass%以下之範圍內為較佳。前述Cu-P系焊料含的磷含量，為6mass%以上8mass%以下的範圍內更佳，但是不限於此。

Cu-P系焊料的成分之一例之Sn，係具有使焊料融點降低的作用效果的元素。Sn含量為0.5mass%以上可以使焊料融點確實地降低。此外，Sn含量25mass%以下，可以抑制焊料的低溫脆化，可提高陶瓷基板11與銅構件12的接合信賴性。

由於這樣的理由，於Cu-P系焊料含有Sn的場合，其含量在0.5mass%以上25mass%以下之範圍內為較佳。

Cu-P系焊料的成分之一例之Ni、Cr、Fe、Mn等，係具有抑制在陶瓷基板11與焊料的界面被形成含有磷的金屬間化合物的作用效果之元素。

Ni、Cr、Fe、Mn之中的任何1種或2種以上的含量合計在2mass%以上，可以抑制在陶瓷基板11與焊料的接合界面被形成含有磷的金屬間化合物，提高陶瓷基板11與銅構件12之接合信賴性。

此外，Ni、Cr、Fe、Mn之中的任何1種或2種以上的含量合計在20mass%以下，可以抑制焊料的融點上升，抑制焊料的流動性降低，提高陶瓷基板11與銅構件12之接合性。

由於這樣的理由，於Cu-P系焊料含有Ni、Cr、Fe、Mn之中的任何1種或2種以上的場合，其合計含量在2mass%以上20mass%以下之範圍內為較佳。

Cu-P系焊料的成分之一例之Zn，係具有提高焊料的耐氧化性的作用效果的元素。

Zn含量在0.5mass%以上，可以充分確保焊料的耐氧化性，提高接合性。此外，Zn含量為50mass%以下，防止形成許多脆的金屬間化合物，可以確保陶瓷基板11與銅構件12之接合信賴性。

由於這樣的理由，於Cu-P系焊料含有Zn的場合，其含量在0.5mass%以上50mass%以下之範圍內為較佳。

焊料31，係藉由把混合構成元素的成分的粉末，透過適切的結合劑形成為糊狀者(焊料糊)，塗布於陶瓷基板11之一面11a而形成。

活性金屬材32，至少含有活性元素。作為活性金屬材32的性狀，可以舉出箔、粉末、對粉末加入適切地結合劑混練之糊等。

在本實施型態，作為活性金屬材，使用Ti箔，Ti箔的厚度為0.5μm以上25μm以下。此外，使Ti箔的組成為純度99.4mass%以上亦可，在本實施型態純度為99.6 mass%。

又，在本實施型態，活性金屬材32，被配置於銅構件12之側，但也可以配置於陶瓷構件11之側。在此場合，層積體35的層積順序，為陶瓷構件11、活性金屬材32、焊料31以及銅構件12的順序。

其次，如圖5(c)所示，把層積體35放入真空加熱處理爐H，加壓層積體35同時加熱直到焊料31的熔融溫度(接合溫度)以上為止(加熱處理步驟)。藉此，使焊料31熔融。其後，被冷卻時，如圖5(d)所示，得到陶瓷構件11與銅構件12中介著接合部13接合的接合體10。

在本實施型態，作為加熱處理步驟之加熱處理條件，分別設定為往層積體35的層積方向的加壓力為1~35kgf/cm²(0.10~3.43MPa)，真空加熱爐內的壓力為10^-6Pa以上10^-3Pa以下，加熱溫度為700℃以上850℃以下，加熱時間為10分鐘以上60分鐘以下。

於加熱處理步驟，陶瓷基板11之一面11a的AlN被分解，進行加熱處理直到Al擴散到接合部13的程度。亦即，如圖2所示，於所得到的接合體10的接合部13，係以由活性金屬化合物區域16之構成銅構件12側的一面16a起朝向銅構件12側，以0.5μm~3μm的厚度範圍E之鋁濃度成為0.5at%以上、15at%以下的範圍的方式進行加熱處理。

藉此，構成陶瓷基板11的AlN的分解程度成 為適切的範圍，陶瓷基板11與接合部13之接合力被提高。因此，可以把接合體10之陶瓷基板11與接合部13之接合力維持得很高，可以減低接合部13的初期剝離率。

(電源模組用基板及電源模組)

以下說明使用了前述接合體的相關於本發明的實施型態之電源模組用基板及電源模組的構成。又，圖1、圖2所示的接合體10對相同的構成賦予相同的符號，省略其詳細說明。

圖6係顯示相關於本發明的實施型態之電源模組用基板及電源模組之剖面圖。

電源模組1，具備：電源模組用基板40，以及在此電源模組用基板40之一方側(於圖6為上側)之面中介焊錫層2接合的電源半導體(電子零件)3。

在此，焊錫層2，例如為Sn-Ag系、Sn-In系、或者Sn-Ag-Cu系之焊料。

電源模組用基板40，具備：陶瓷基板(陶瓷構件)11、配設於此陶瓷基板11之一面11a(於圖6為上面)的銅構件(電路層)12、以及接合陶瓷基板11及銅構件12的接合部13所構成的接合體10。

此外，電源模組用基板40，在對被配設銅構件(電路層)12的陶瓷基板11之一面11a構成相反面的陶瓷基板11的另一面11b(於圖6為下面)具備金屬層 41。金屬層41，例如，使用銅或銅合金構成的金屬板。在本實施型態，作為金屬層41使用由無氧銅構成的金屬板。此銅構件12的厚度，例如，被設定在0.1mm以上1.0mm以下之範圍內，在本實施型態，使用0.6mm者。

電源模組用基板40之銅構件(電路層)12，適用於電源模組時，構成電源半導體的電路層。亦即，銅構件12構成電源半導體的導電體。此外，陶瓷基板11構成絕緣此導電體的下層側的絕緣體。

根據這樣的電源模組用基板40及電源模組1，藉由適用圖1所示的接合體10，使接合陶瓷基板11與銅構件(電路層)12的接合部13的特定區域的鋁濃度受到管理，可以實現使陶瓷基板11與接合部13之接合力維持得很高的電源模組用基板40及電源模組1。

又，在本實施型態，作為電源模組用基板40，在陶瓷基板11之另一面11b形成金屬層41，但亦可為不特別形成這樣的金屬層41的構成。此外，金屬層41，不限定於銅或銅合金，可以使用各種金屬。例如，可以把鋁或鋁合金作為金屬層適用。

藉由鋁或鋁合金形成金屬層41的話，對陶瓷構件施加熱應力時，可以藉由鋁或鋁合金構成的金屬層吸收此熱應力，可以抑制陶瓷構件之熱應力導致的破損。藉由鋁或鋁合金形成金屬層的場合，金屬層的厚度以設定在0.1mm~3.0mm之範圍內為佳。

[實施例] (實施例1)

於表1記載的材質所構成的陶瓷基板(40mm×40mm×厚度0.635mm)之一方之面，依序層積表1記載之焊料(37mm×37mm)、表1記載之活性金屬材(37mm×37mm)、無氧銅構成的Cu板(37mm×37mm×厚度0.3mm)，形成層積體。又，針對本發明例4，把Cu-7mass%P-15mass%Sn-10mass%Ni粉末與Ti粉末構成的糊作為焊料及活性元素使用。又，糊的塗布厚度為80μm。

接著，藉著在把層積體於層積方向以壓力5kgf/cm²(0.49MPa)加壓的狀態投入真空加熱爐，進行加熱，於陶瓷基板之一方之面接合銅板。加熱溫度及時間如表1所記載的。

如此進行得到本發明例1~8，比較例1~3之接合體。針對所得到的接合體「有無活性金屬化合物區域」、「接合部之鋁濃度」、「接合率」進行了評估。

(有無活性金屬化合物區域)

藉由EPMA(電子微探分析儀，日本電子(股)製造JXA-8530F)以倍率10000倍測定了接合體的剖面，取得陶瓷基板所含有的元素(AlN的場合為N、Al₂O₃的場合為O)及活性金屬元素之元素映射圖。於所得到的元素映射圖，在活性金屬元素與陶瓷基板所含的元素存在於同一 區域的場合判斷為有活性金屬化合物區域。

圖7顯示活性金屬化合物區域的觀察例。於此圖7，活性金屬元素(Ti)與陶瓷基板(AlN)所含的元素(N)存在於同一區域，判斷為有活性金屬化合物區域。

(接合部之鋁濃度)

作為接合部之鋁濃度的測定方法，藉由EPMA(電子微探分析儀，日本電子(股)製造JXA-8530F)分析接合部的剖面，由活性金屬化合物區域之一面定量分析0.5μm~3μm之範圍，測定了鋁濃度。具體而言，分析前述範圍內的任意處所10個點，將其平均值作為鋁濃度。

(冷熱循環試驗)

冷熱循環試驗，係使用冷熱衝擊試驗機(Espec公司製造之TSB-51)，對電源模組用基板，在液相(Fluorinert^TM(電子化學液))，將-40℃下5分鐘與150℃下5分鐘的循環，實施了2000個循環。

(接合率)

接合率的評估，係對接合體，針對陶瓷基板與銅構件之界面的接合率使用超音波探傷機((股)日立Power Solutions製造的FineSAT200)進行評估，由以下公式算出接合率。

此處，所謂初期接合面積，是接合前之應該接合的面 積，亦即在本實施例為銅構件的面積(37mm×37mm)。在把超音波探傷影像二值化處理之後的影像，剝離以接合部內的白色部來顯示，所以此白色部的面積為剝離面積。

(接合率(%))={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積)×100

接合率的評估，是在進行冷卻循環試驗前(初期接合率)及冷熱循環試驗後進行。

結果顯示於表1。

(實施例2) (本發明例9~10)

使用在實施例1得到的接合體，於陶瓷基板之另一方之面中介Al-Si系系焊料接合純度99.99mass%以上的鋁(4N-Al)，做出形成了金屬層之電源模組用基板。在本發明例9，使用本發明例2的接合體，在本發明例10，使用本發明例8的接合體。又，在實施例9~10，作為Al-Si焊料，使用了Al-7mass%Si焊料。

(本發明例11~12)

於陶瓷基板之一方之面及另一方之面，依序層積Cu-7mass%P-15mass%Sn-10mass%Ni焊料、Ti箔、無氧銅(OFC)構成的銅板，形成層積體。在把該層積體加壓於層積方向的狀態投入真空加熱爐，藉由進行加熱製作了在陶瓷基板之一方之面及另一方之面被接合銅板的電源模組用基板。在本發明例11，作為陶瓷基板使用AlN，在本發明例12，使用Al₂O₃。

對於所得到的本發明例9~12之電源模組用基板，評估了電路層(陶瓷基板之一方之面)的接合率。評估方法與實施例1所記載的相同。

結果顯示於表2。

由表1所示的結果，針對本發明例1~8，確認了鋁濃度在0.5at%以上、15at%以下之範圍，所以陶瓷基板與鋁板之初期接合率很高，堅固地被接合。此外，冷熱循環後的接合率也高，可得接合信賴性優異的銅板與陶瓷基板之接合體。

另一方面，比較例1及比較例2，因為鋁濃度在0.5at%以上、15at%以下之範圍以外，所以陶瓷基板與銅板的初期接合率及冷熱循環後的接合率，都比本發明例還要低劣。此外，接合時未使用活性金屬材的比較例3，銅板與陶瓷基板未接合成功。

此外，由表2所示的結果，確認了針對本發明例9~12，冷熱循環試驗後的接合率高，接合信賴性高。

[產業上利用可能性]

根據相關於本發明的接合體，及其製造方法、電源模組用基板，可以提高陶瓷構件與銅構件之接合信賴性。因此，根據相關於本發明之接合體之製造方法，可以製造適合於風力發電、供控制電動車等電力車輛等而 使用的大電力控制用的電源半導體元件等使用環境苛酷的電源模組之接合體以及電源模組用基板。

11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)

12‧‧‧銅構件

13‧‧‧接合部

16‧‧‧活性金屬化合物區域

16a‧‧‧一面

17‧‧‧合金層

E‧‧‧厚度範圍

Claims (11)

1. 一種接合體，係接合含鋁的陶瓷所構成的陶瓷構件，與銅或銅合金構成的銅構件而成的接合體，其特徵為：前述陶瓷構件與前述銅構件之間，被形成接合部，於該接合部之陶瓷構件側，被形成由包含活性金屬的化合物構成的活性金屬化合物區域；由該活性金屬化合物區域之構成前述銅構件側之一面，朝向前述銅構件側，0.5μm~3μm之厚度範圍之前述接合部的鋁濃度在0.5原子百分比(at%)以上，15at%以下之範圍。
2. 如申請專利範圍第1項之接合體，其中前述活性金屬化合物區域之前述一面，為具有凹凸之面，前述厚度範圍，係由前述凹凸之中最接近於前述銅構件的地點起算之範圍。
3. 如申請專利範圍第1或2項之接合體，其中前述陶瓷構件為AlN、Al₂O₃之中的任一所構成的。
4. 如申請專利範圍第1至3項之任一項之接合體，其中前述活性金屬化合物區域，包含選自活性金屬的氮化物、活性金屬的氧化物之任一種。
5. 一種電源模組用基板，其特徵為具備申請專利範圍第1至4項之任一項之接合體，使用前述銅構件作為電路層，於前述陶瓷構件在前述 電路層被接合之面的相反面，形成金屬層。
6. 如申請專利範圍第5項之電源模組用基板，其中前述金屬層由銅或銅合金所構成。
7. 如申請專利範圍第5項之電源模組用基板，其中前述金屬層由鋁或鋁合金所構成。
8. 一種電源模組，其特徵為具備：申請專利範圍第5至7項之任一項之電源模組用基板，及被接合於前述電路層之中與前述陶瓷構件相反側之面的電子零件。
9. 一種接合體之製造方法，係含鋁的陶瓷所構成的陶瓷構件，與銅或銅合金所構成的銅構件被接合而成的接合體之製造方法，其特徵為具備：中介著銅-磷焊料，與含有活性金屬的活性金屬材，形成在前述陶瓷構件層積前述銅構件的層積體之層積步驟，以及加熱處理前述層積體，使前述銅-磷焊料熔融，同時使包含於前述陶瓷構件的鋁朝向前述銅-磷焊料擴散的加熱處理步驟。
10. 如申請專利範圍第9項之接合體之製造方法，其中前述銅-磷焊料，含有磷3質量百分比(mass%)以上10mass%以下。
11. 如申請專利範圍第9或10項之接合體之製造方法，其中 前述銅-磷焊料，係選自Cu-P焊料、Cu-P-Sn焊料、Cu-P-Sn-Ni焊料、Cu-P-Zn焊料之中的任何一種。