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TW201617300A - 陶瓷／鋁接合體之製造方法、電源模組用基板之製造方法及陶瓷／鋁接合體、電源模組用基板 - Google Patents

陶瓷／鋁接合體之製造方法、電源模組用基板之製造方法及陶瓷／鋁接合體、電源模組用基板 Download PDF

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TW201617300A
TW201617300A TW104120553A TW104120553A TW201617300A TW 201617300 A TW201617300 A TW 201617300A TW 104120553 A TW104120553 A TW 104120553A TW 104120553 A TW104120553 A TW 104120553A TW 201617300 A TW201617300 A TW 201617300A
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岩崎航
石博
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三菱綜合材料股份有限公司
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Abstract

本發明係陶瓷構件與鋁構件接合而成之陶瓷/鋁接合體之製造方法，其中接合前之前述鋁構件係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，且該製造方法具備下列步驟：使前述鋁構件在400℃以上且未達固相線溫度之範圍進行熱處理之熱處理步驟，與透過含Si之焊料材接合前述熱處理步驟後之前述鋁構件與前述陶瓷構件之接合步驟。

Description

陶瓷/鋁接合體之製造方法、電源模組用基板之製造方法及陶瓷/鋁接合體、電源模組用基板
本發明係關於使陶瓷構件與鋁構件接合而成之陶瓷/鋁接合體之製造方法、包含將該陶瓷基板及與該陶瓷基板接合之鋁板之電源模組用基板之製造方法、及陶瓷/鋁接合體、電源模組用基板。
本申請案係基於2014年6月30日於日本提出申請之特願2014-134572號主張優先權，其內容援用於本文。
LED或電源模組等之半導體裝置具備有在由導電材料所成之電路層上接合半導體元件之構造。
用以控制風力發電、電動汽車、油電混合汽車等之大電力控制用之電源半導體元件之發熱量大。因此，作為搭載其之基板，自過去以來已廣泛使用具備有由例如AlN(氮化鋁)、Al2O3(氧化鋁)等所成之陶瓷基板與於該 陶瓷基板之一面上接合導電性優異之金屬板而形成之電路層的電源模組用基板。又，作為電源模組用基板，亦提供於陶瓷基板之另一面上接合金屬板而形成金屬層者。
例如，專利文獻1中，提案一種電源模組用基板，其係於AlN(氮化鋁)所成之陶瓷基板之一面上透過Al-Si系之焊料材接合成為電路層之鋁板，且於陶瓷基板之另一面上透過Al-Si系之焊料材接合成為金屬層之鋁板而成。
此種電源模組用基板係在電路層上透過焊料層搭載作為電源元件之半導體元件而作為電源模組使用。且，亦有於金屬層側透過焊料接合銅製之散熱器。
此處，上述之電源模組於使用時負荷有熱循環。此時，因陶瓷基板與鋁板之熱膨脹係數差所致之應力會作用於陶瓷基板與電路層及金屬層之接合界面，而有使接合信賴性降低之虞。因此，以往係以純度為99.99質量%以上之鋁(所謂4N鋁)等構成電路層及金屬層，利用電路層及金屬層之變形而吸收熱應力，藉此實現接合信賴性之提高。
不過，電路層及金屬層以純度99.99質量%以上(4N鋁)等之變形阻抗較小之鋁構成時，負荷熱循環時，會有於電路層及金屬層表面發生起伏或皺褶之問題。如此於電路層及金屬層表面發生起伏或皺褶時，由於會於焊料層產生龜裂，而使電源模組之信賴性降低。
尤其最近，基於環境負擔之觀點，作為焊料 層變得大多使用Sn-Ag系、Sn-Cu系之無鉛銲材。該等無鉛銲材由於與以往之Sn-Pb系焊料材相比變形阻抗較大，故有不易因電路層及金屬層之起伏或皺褶而於焊料層產生龜裂之傾向。
且，最近，電源模組之使用環境亦益趨嚴苛，由於自半導體元件等之電子零件之發熱量變大，因此熱循環溫度差變大，而有易於於電路層及金屬層表面發生起伏或皺褶之傾向。
因此，例如專利文獻2中，提案一種電源模組用基板，其藉由以析出分散型之鋁合金構成電路層，而抑制電路層表面之起伏或皺褶。
且，於專利文獻3中，提案一種電源模組用基板，其藉由將添加元素添加於構成金屬層之鋁中而抑制金屬層之塑性變形。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第03/090277號
[專利文獻2]日本特開2012-059836號公報
[專利文獻3]日本特開2008-108993號公報
不過最近，隨著電源模組之小型化、薄片化進展，對於電路層及金屬層亦實現薄片化。此處，構成電路層及金屬層之鋁板若較薄，則於陶瓷基板與鋁板接合時，Al-Si系焊料材中之Si會擴散至鋁板中並到達至與陶瓷基板相反側之表面，而有發生表面變質之情況。且，Al-Si系焊料材中之Si擴散至鋁板中而發生表面變質時，於陶瓷基板與鋁板之接合界面液相之形成變不充分，而有無法使陶瓷基板與鋁板接合之虞。
本發明係鑒於前述情況而完成者，目的在於提供於使陶瓷構件與鋁構件藉由含Si之焊料材接合時，可抑制Si擴散至鋁構件之與陶瓷構件之接合面相反側之面，而可使陶瓷構件與鋁構件確實接合之陶瓷/鋁接合體之製造方法、電源模組用基板之製造方法及陶瓷/鋁接合體、電源模組用基板。
為了解決上述課題而達成上述目的，本發明人等積極檢討之結果，得到如下見解；焊料材中之Si係沿著鋁構件之結晶粒界擴散至鋁構件內部，該Si到達至鋁構件之與陶瓷構件相反側之表面，而使鋁構件表面之熔點局部下降，而使表面熔解而發生表面變質。
本發明係基於上述見解而完成者，本發明之一樣態之陶瓷/鋁接合體之製造方法，其係陶瓷構件與鋁構件接合而成之陶瓷/鋁接合體之製造方法，且接合前之 前述鋁構件係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，且該製造方法具備下列步驟：使前述鋁構件在400℃以上且未達固相線溫度之範圍進行熱處理之熱處理步驟，與透過含Si之焊料材接合前述熱處理步驟後之前述鋁構件與前述陶瓷構件之接合步驟。
該構成之陶瓷/鋁接合體之製造方法中，由於以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成之鋁構件在與陶瓷構件接合之前，在400℃以上且未達固相線溫度之範圍進行熱處理而構成，故接合前之鋁構件之結晶粒可大幅成長。因此，可抑制鋁構件與陶瓷構件接合時，焊料材中之Si沿結晶粒界擴散。藉此，可使鋁構件與陶瓷構件確實接合。且，可抑制Si擴散至鋁構件之表面，且可抑制鋁構件之表面變質。
又，熱處理步驟中，即使鋁構件之結晶粒未完全再結晶粗大化，於接合步驟之加熱時，在焊料材熔解前，若鋁構件之結晶粒粗大化則亦可抑制Si之擴散。
本發明之一樣態之電源模組用基板之製造方法，其係具備陶瓷基板、及與該陶瓷基板接合之鋁板之電源模組用基板之製造方法，且接合前之前述鋁板係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，且以上述之陶瓷/鋁接合體之製造方法接合前述鋁板與前述陶瓷基板。
電源模組用基板中，藉由於陶瓷基板之一面或另一面上接合純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁板，而形成電路層或金屬層。此處，構成電路層或金屬層 之純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁板係藉由上述之陶瓷/鋁接合體之製造方法接合於陶瓷基板。藉此，可抑制Si之擴散，可於鋁板與陶瓷基板之間充分形成液相，且可確實接合電路層或金屬層與鋁基板。且，可抑制Si擴散至鋁板之與陶瓷基板相反側之面，且可抑制電路層或金屬層之表面變質。
本發明之一樣態之陶瓷/鋁接合體，係陶瓷構件與鋁構件接合而成之陶瓷/鋁接合體，且接合前之前述鋁構件係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，接合後之前述鋁構件之沿著厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L係每1mm2為0.1mm以下。
依據該構成之陶瓷/鋁接合體，接合後之前述鋁構件之沿著厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L係設為每1mm2為0.1mm以下。因此，可提供Si之粒界擴散受抑制、鋁構件之表面變質受抑制、並且可確實接合陶瓷構件與鋁構件之高品質陶瓷/鋁接合體。
又，本發明之一樣態之電源模組用基板，其係具備陶瓷基板、及與該陶瓷基板接合之鋁板之電源模組用基板，且接合前之前述鋁板係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，且接合後之前述鋁板之沿著厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L係每1mm2為0.1mm以下。
依據該構成之電源模組用基板，藉由於陶瓷基板之一面或另一面上接合純度99.0質量%以上99.9質 量%以下之鋁板而形成之電路層或金屬層中，沿著厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L係設為每1mm2為0.1mm以下。因此，可提供Si之粒界擴散受抑制、電路層或金屬層之表面變質受抑制、並且可確實接合陶瓷基板與電路層或金屬層之高品質電源模組用基板。
此處，本發明之一樣態之電源模組用基板中，前述鋁板之厚度可為0.05mm以上且未達0.4mm之範圍內。
依據該構成之電源模組用基板，構成電路層或金屬層之前述鋁板之厚度即使為0.05mm以上且未達0.4mm之較薄時，亦可抑制Si擴散至電路層或金屬層之與陶瓷基板相反側之面，可抑制表面變質。
依據本發明，可提供於使陶瓷構件與鋁構件藉由含Si之焊料材接合時，可抑制Si擴散至鋁構件之與陶瓷構件之接合面相反側之面，而可使陶瓷構件與鋁構件確實接合之陶瓷/鋁接合體之製造方法、電源模組用基板之製造方法及陶瓷/鋁接合體、電源模組用基板。
1‧‧‧電源模組
2‧‧‧第1焊料層
3‧‧‧半導體元件
4‧‧‧第2焊料層
10‧‧‧電源模組用基板(陶瓷/鋁接合體)
11‧‧‧陶瓷基板(陶瓷構件)
12‧‧‧電路層
13‧‧‧金屬層
22‧‧‧鋁板(鋁構件)
23‧‧‧鋁板(鋁構件)
24‧‧‧Al-Si焊料材
25‧‧‧Al-Si焊料材
40‧‧‧散熱器
41‧‧‧散熱板
42‧‧‧冷卻器
43‧‧‧流路
45‧‧‧固定螺絲
GB‧‧‧粒界
圖1係使用本發明之實施形態之電源模組用基板之電源模組之概略說明圖。
圖2係本發明之實施形態之電源模組用基板之製造方法之流程圖。
圖3係本發明之實施形態之電源模組用基板之製造方法之說明圖。
圖4係顯示具有粒徑成為電路層及金屬層厚度之80%以上之粗大結晶粒時之電路層及金屬層之剖面觀察結果之照片。
圖5系顯示實施例所用之鋁板之觀察結果之圖，(a)係先前例所用之熱處理前之鋁板，(b)係本發明例9所用之熱處理後之鋁板，(c)係本發明例10所用之熱處理後之鋁板。
圖6係顯示實施例中自金屬層之表面觀察算出金屬層剖面之結晶粒界長度之方法之說明圖。
以下針對本發明之實施形態參考附加圖式予以說明。本實施例之陶瓷/鋁接合體係具備作為陶瓷構件之陶瓷基板11、接合作為鋁構件之鋁板22而成之電路層12、接合鋁板23而成之金屬層13之電源模組用基板10。
圖1中顯示使用本發明之實施形態的電源模組用基板10之電源模組1。
該電源模組1具備配設電路層12及金屬層13之電源模組用基板10、於電路層12之一面(圖1之上面)透過 第1焊料層2接合之半導體元件3、及於金屬層13之另一面(圖1之下面)透過第2焊料層4接合之散熱器40。
此處，第1焊料層2及第2焊料層4係由例如Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系之焊料材而成。且，本實施形態中，於電路層12及第1焊料層2之間，以及金屬層13及第2焊料層4之間，設有Ni鍍敷層(未圖示)。
電源模組用基板10具備陶瓷基板11、配設於該陶瓷基板11之一面(圖1之上面)之電路層12、及配設於陶瓷基板11之另一面(圖1之下面)之金屬層13。
陶瓷基板11係為了防止電路層12與金屬層13之間之電性連接者，於本實施形態中，係以絕緣性高的AlN(氮化鋁)構成。且，陶瓷基板11之厚度係設定於0.2~1.5mm之範圍內，本實施形態中係設定為0.635mm。且，本實施形態係如圖1及圖3所示，陶瓷基板11之寬度係設定為比電路層12及金屬層13寬。
電路層12係藉由於陶瓷基板11之一面上接合具有導電性之金屬板而形成。本實施形態中，如圖3所示，電路層12係藉由將由純度為99.0質量%以上且99.9質量%以下之鋁之壓軋板所成之鋁板22接合於陶瓷基板11上而形成。本實施形態中，使用A1050(純度99.5%)之鋁板。
於該電路層12上，形成電路圖形，其另一面(圖1之上面)成為搭載半導體元件3之搭載面。此處，電路層 12(鋁板22)之厚度係設定於0.05mm以上且未達0.4mm之範圍內，本實施形態係設定為0.3mm。前述電路層12之厚度較好為0.2mm以上且未達0.4mm，但不限定於此。
金屬層13係藉由於陶瓷基板11之另一面上接合導熱性優異之金屬板而形成。本實施形態中，如圖3所示，金屬層13係藉由將由純度為99.0質量%以上且99.9質量%以下之鋁之壓軋板所成之鋁板23接合於陶瓷基板11上而形成。本實施形態中，使用A1050(純度99.5%)之鋁板。
此處，電路層13(鋁板23)之厚度係設定於0.05mm以上且未達0.4mm之範圍內，本實施形態係設定為0.3mm。前述金屬層13之厚度較好為0.2mm以上且未達0.4mm，但不限定於此。
散熱器40係用以冷卻前述電源模組用基板10者，且具備與電源模組用基板10接合之散熱板41及積層配置於該散熱板41之冷卻器42。
散熱板41係使熱自前述之電源模組用基板10朝向面方向擴散者，本實施形態中，係設為導熱性優異之銅板。
冷卻器42如圖1所示，具備用以流通冷卻介質(例如冷卻水)之流路43。冷卻器42期望由導熱性良好之材質構成，本實施形態中，係以A6063(鋁合金)構成。
又，散熱板41與冷卻器42係如圖1所示，由固定螺絲45予以緊固。
而且，本實施形態中，電路層12及金屬層13於沿著厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L係設為每1mm2為0.1mm以下。
此處，電路層12及金屬層13之粒界長度L可藉由如下順序測定。
首先，使用EBSD測定裝置，測定電路層12及金屬層13之剖面之粒徑，調查有無具有電路層12及金屬層13之厚度之80%以上之粒徑的結晶粒(例如電路層12及金屬層13之厚度為0.2mm時，調查有無160μm以上之結晶粒)。
無具有電路層12及金屬層13之厚度之80%以上之粒徑的粗大結晶粒時，藉由EBSD測定裝置所附屬之解析軟體，算出電路層12及金屬層13之剖面中，於橫寬方向：0.38mm，厚度方向：電路層12及金屬層13之厚度之80%之範圍內(例如電路層12及金屬層13之厚度為0.2mm時，為0.16mm)，大傾角粒界(傾角15度~180度)之合計長度。接著將大傾角粒界之合計長度除以測定面積，算出每1mm2之粒界長度L。
另一方面，存在具有電路層12及金屬層13之厚度之80%以上之粒徑的粗大結晶粒時，如圖4所示，於電路層12或金屬層13表面所觀察之粒界伸長並到達至與陶瓷基板11之界面。因此，於電路層12或金屬層13之表面畫出縱橫各3條直線，於前述直線與粒界交叉之部位，視為於電路層12或金屬層13之厚度方向上，存在有 與電路層12或金屬層13之厚度相等長度之粒界，算出剖面中每1mm2之粒界長度L。且，電路層12或金屬層13之剖面中每1mm2之粒界長度L越短越好，但剖面中每1mm2之粒界長度L極度降低時將導致成本增加。因此，剖面中每1mm2之粒界長度L較好設為0.01mm以上。且，剖面中每1mm2之粒界長度L較好設為0.05mm以下，但不限於此。
接著，針對上述本實施形態之電源模組用基板10之製造方法，參考圖2及圖3加以說明。
(熱處理步驟S01)
首先，如圖2及圖3所示，對於接合於陶瓷基板11之前之鋁板22、23，以熱處理溫度：400℃以上且未達固相線溫度之範圍進行熱處理。
又，本實施形態中，使用真空加熱爐51，將氛圍設為真空氛圍(例如10-4Pa以上、10-3Pa以下)，於前述之熱處理溫度之保持時間設為20分鐘以上且35分鐘以下之範圍內。藉由該熱處理步驟S01，鋁板22、23係如圖5所示，藉由再結晶而使結晶粒成長而粗大化。接著，使鋁板22、23進行爐冷或使用N2或Ar等惰性氣體藉由吹拂等而冷卻至室溫。
此處，熱處理溫度未達400℃時，會有鋁板22、23不進行再結晶而使結晶無法充分成長之虞。另一方面，熱處理溫度為固相線溫度以上時，鋁板22、23本 身有熔融之虞。因此，本實施形態中，將熱處理步驟S01之熱處理溫度設定於400℃以上且未達固相線溫度之範圍內。又，為了使鋁板22、23確實進行再結晶而使結晶粗大化，熱處理溫度較好設為400℃以上，更好設為500℃以上。且熱處理溫度較好設為645℃以上。
(接合步驟S02)
接著，將實施熱處理步驟S01後之鋁板22、23與陶瓷基板11接合，形成電路層12及金屬層13。
本實施形態中，如圖2所示，接合步驟S02具備積層步驟S21與加熱步驟S22及熔融金屬凝固步驟S23。
積層步驟S21中，如圖3所示，於陶瓷基板11之一面上，透過含Si之焊料材24，積層實施熱處理步驟S01後之鋁板22。且，於陶瓷基板11之一面上，透過含Si之焊料材25，積層實施熱處理步驟S01後之鋁板23。作為焊料材24、25，可使用Al-Si系、Al-Si-Mg系、Al-Cu-Si系、4000號之鋁合金等。
本實施形態中，使用以6.0質量%以上且12質量%以下之範圍含有Si之Al-Si系之焊料材箔或焊料材膏作為焊料材24、25，將焊料材24、25之厚度設為5μm以上且30μm以下之範圍。
於加熱步驟S22中，將如上述般積層之鋁板22、焊料材24、陶瓷基板11、焊料材25、鋁板23於積層方向加壓(壓力1~5kgf/cm2(0.10~0.49MPa))之狀態 裝入加熱爐52內進行加熱。如此，焊料材24、25與鋁板22、23之一部分熔融，而於鋁板22、23與陶瓷基板11之界面分別形成熔融金屬區域。此處，氛圍設為真空氛圍(10-4Pa以上、10-3Pa以下)，加熱溫度設為550℃以上且650℃以下之範圍內，加熱時間設為30分鐘以上且180分鐘以下之範圍內。
該加熱步驟S22中，焊料材24、25熔融前之階段鋁板22、23進行再結晶而使結晶粒粗大化。此時，鋁板22、23沿厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L係每1mm2為0.1mm以下。
熔融金屬凝固步驟S23中，藉由使於鋁板22、23與陶瓷基板11之界面分別形成之熔融金屬區域凝固，使陶瓷基板11與鋁板22及鋁板23接合。
藉此，製造於陶瓷基板11上形成電路層12及金屬層13之電源模組用基板10。
(散熱器接合步驟S03)
其次，於該電源模組用基板10之金屬層13之另一面側，透過第2焊料層4接合散熱板41，藉由固定螺絲45將該散熱板41緊固於冷卻器42。藉此，使散熱器40與電源模組用基板10接合。
(半導體元件接合步驟S04)
又，於電路層12之一面上，透過第1焊料層2接合 半導體元件3。藉此，製造本實施形態之電源模組1。
設為以上構成之本實施形態之電源模組用基板10之製造方法中，由於將以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成之鋁板22、23接合於陶瓷基板11而形成電路層12及金屬層13之接合步驟S02之前，具備將鋁板22、23於400℃以上且未達固相線溫度之範圍進行熱處理之熱處理步驟S01，故即使為以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成之鋁板22、23，亦可進行鋁板22、23之再結晶而使結晶粒大幅成長。
因此，於接合步驟S02中，即使於焊料材24、25熔融形成熔融金屬區域時，亦可抑制焊料材24、25中之Si沿著鋁板22、23之結晶粒界擴散。藉此，可抑制焊料材24、25中之Si擴散至鋁板22、23之與陶瓷基板11之接合面相反側，可抑制接合後之鋁板22、23(電路層12及金屬層)之表面變質發生。
且，藉由抑制Si之擴散，於陶瓷基板11與鋁板22、23之接合界面可充分形成熔融金屬區域，可使陶瓷基板11與鋁板22、23(電路層12及金屬層13)強固地接合。
又，本實施形態中，由於接合步驟S02之加熱步驟S22中，只要在焊料材24、25熔融前能使鋁板22、23再結晶使結晶粒粗大化即可，故在熱處理步驟S01中並無必要使鋁板22、23完全再結晶而使結晶粒粗大化。當然，熱處理步驟S01中之鋁板22、23亦可完全再 結晶。
例如，於由A1050所構成之鋁板22、23中，熱處理溫度在560℃至580℃之範圍內，再結晶會激烈進行，故熱處理溫度設為580℃以上時，可使鋁板22、23完全再結晶。
且，本實施形態之電源模組用基板10中，如上述，係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成之鋁板22、23經熱處理而使結晶粒粗大化後，與陶瓷基板11接合而製造，故電路層12及金屬層13之結晶粒粗大化。
具體而言，電路層12及金屬層13(接合後之鋁板22、23)之沿厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L設為每1mm2為0.1mm以下。因此，Si之粒界擴散受抑制，鋁板22、23之表面變質受抑制，表面品質優異。
且，於陶瓷基板11與鋁板22、23之接合界面確實形成熔融金屬區域，使陶瓷基板11與電路層12及金屬層13(鋁板22、23)確實接合，接合信賴性優異。
以上，針對本發明實施形態加以說明，但本發明不限定於此，在不脫離本發明之技術思想之範圍內可適當變更。
例如，本實施形態中，雖列舉電源模組用基板為例加以說明，但不限定於此，只要為使陶瓷構件與由純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成之鋁構件接合而成之陶瓷/鋁接合體即可。
又，本實施形態中，電路層及金屬層分別以接合純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁板而形成者加以說明，但不限定於此，只要電路層或金屬層之任一者以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁板構成即可。
具體而言，若金屬層以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁板構成時，電路層亦可由純度99.99質量%以上之4N鋁所成之鋁板、銅或銅合金所成之銅板、鋁與銅之積層板等構成。且若電路層以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁板構成時，金屬層亦可由純度99.99質量%以上之4N鋁所成之鋁板等之其他金屬或複合材料構成，亦可不形成金屬層本身。
又，本實施形態中，作為陶瓷基板11，列舉氮化鋁(AlN)為例加以說明，但不限定於此，亦可為以氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(Si3N4)等其他陶瓷構成者。
再者，雖說明電路層及金屬層之進行焊料接合之面上形成Ni鍍敷層者，但不限定於此，亦可藉由Ag膏等其他方式構成基底層。
又，散熱器不限定於本實施形態所例示者，散熱器之構造並未特別限定。
[實施例]
針對為了確認本發明之有效性之確認實驗加以說明。
準備純度99.9質量%之鋁(4N鋁)之壓軋板(70mm ×70mm×厚0.4mm)作為構成電路層之鋁板。
又，準備由AlN所成之陶瓷基板(72mm×70mm×厚0.635mm)。
又，準備表1所示組成及厚度之壓軋板(72mm×70mm)作為構成金屬層之鋁板。
對於構成金屬層之鋁板，在真空(1×10-3Pa)氛圍下以表1所示之條件實施熱處理。升溫速度設為20℃/min，於各熱處理溫度保持後，藉由N2吹拂予以冷卻。
又，先前例中，未實施鋁板之熱處理。
使用Al-Si焊料材(Al-7.5質量%Si，厚度17μm)，將4N鋁之壓軋板、陶瓷基板、熱處理後之鋁板予以接合，製造電源模組用基板。
具體而言，於真空(1×10-3Pa)氛圍下，於積層方向以3kgf/cm2(0.29MPa)之荷重加壓，加熱至650℃保持30分鐘，隨後藉由N2吹拂予以冷卻。
(熱處理後之鋁板之結晶粒徑)
對於構成金屬層之鋁板進行熱處理，測定隨後之鋁板之結晶粒徑。測定結果示於表1。結晶粒徑之測定方法係首先藉由EBSD測定裝置(FEI公司製Quanta FEG450)觀察鋁板之剖面，於橫寬方向：0.38mm，厚度方向：金屬層之厚度之80%範圍內(例如金屬層厚度為0.2mm時，為0.16mm)，算出由粒界所包圍之部分(結晶粒)之面積，藉由將其面積合計除以結晶粒數，而算出範圍內 之結晶粒之平均面積，將具有與該平均面積相等面積之圓之直徑設為結晶粒徑。又，上述粒界設為大傾角粒界(傾角15度~180度)。
先前例所用之鋁板(未熱處理)、本發明例9及本發明例10所用之熱處理後之鋁板之結晶粒之觀察結果示於圖5。
(金屬層之表面改質)
於接合後之電源模組用基板中，以目視觀察金屬層中之與陶瓷基板相反側之面(金屬層表面)，以下列基準評價表面變質之發生狀況。
A：未觀察到表面變質
B：觀察到表面變質，且表面變質未達金屬層表面之面積的30%
C：觀察到表面變質，且表面變質為金屬層表面之面積的30%以上
(金屬層與陶瓷基板之接合率)
金屬層與陶瓷基板之接合率係使用超音波探傷裝置(Insight股份有限公司製INSIGHT-300)由以下式求出。此處，所謂初期接合面積為接合前應接合之面積，為金屬層之面積(72mm×70mm)。於將超音波探傷影像經二值化處理之圖像中剝離部分以接合部內之白色部顯示，故將該白色部之面積設為剝離面積。
(接合率(%))={(初期接合面積)-(剝離面積)}/(初期接合面積)×100
(金屬層之粒界長度L)
觀察金屬層之沿厚度方向之剖面，測定每1mm2之粒界長度L。測定結果示於表1。
測定方法係首先使用EBSD測定裝置，調查有無具有金屬層之剖面之粒徑為金屬層厚度之80%以上之結晶粒(例如電路層12及金屬層13之厚度為0.2mm時，調查有無160μm以上之結晶粒)。
無具有金屬層之厚度之80%以上之粒徑的粗大結晶粒時，藉由EBSD附屬之解析軟體，算出於橫寬方向：0.38mm，厚度方向：金屬層之厚度之80%之範圍內，大傾角粒界(傾角15度~180度)之合計長度。接著將大傾角粒界之合計長度除以測定面積，算出每1mm2之粒界長度L。
存在具有金屬層之厚度之80%以上之粒徑的粗大結晶粒時，如圖6(a)所示，於金屬層表面畫出縱橫各3條直線，於70mm×70mm之範圍內，於前述直線與粒界交叉之部位，視為於金屬層之厚度方向上，存在有與金屬層之厚度相等長度之粒界(圖6(b))，算出剖面中每1mm2之粒界長度L(圖6(c))。
又，於圖6(c)之例示中，顯示圖6(b)之直線A之位置之剖面，粒界長度為400μm，剖面之面積為14mm2，每1mm2之粒界長度L為0.03mm。
針對鋁板之熱處理溫度較低而為350℃之比較例中，金屬層之粒界長度L係每1mm2為20mm之非常長，金屬層之表面變質為全部面積之30%以上。又，接合率亦低而為97.1%。
同樣地，未實施鋁板之熱處理的先前例中，金屬層之粒界長度L係每1mm2為17mm之非常長，金屬層之表面變質為全部面積之30%以上。又，接合率亦低而為97.2%。
該等比較例及先前例中，推測由於存在多數結晶粒界，Al-Si系焊料材中之Si通過結晶粒界擴散至表面，故使表面發生變質。
且推測為因Si之擴散而使接合界面附近之Si量不足，而使接合率低。
相對於此，對於以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成之鋁板，在400℃以上且未達固相線溫度之範圍進行熱處理之本發明例1-12中，金屬層之粒界長度L係每1mm2為0.1mm以下，金屬層之表面變質受到充分抑制。且，接合率亦顯示97.5%以上之較高值。推測係因結晶粒界少，Al-Si系焊料材中之Si之移動受到抑制之故。
由以上確認實驗之結果可確認，依據本發明例，可提供可抑制Si擴散至金屬層(鋁構件)表面，金屬層(鋁構件)之表面變質受抑制，同時使陶瓷基板(陶瓷構件)與金屬層(鋁構件)確實接合之電源模組用基板 (陶瓷/鋁接合體)。
[產業上之可利用性]
依據本發明之陶瓷/鋁接合體之製造方法、電源模組用基板之製造方法，可使陶瓷構件與陶瓷構件良好地接合。因此，依據本發明之接合體之製造方法、電源模組用基板之製造方法，可製造適用於用以控制風力發電、電動汽車等電動車輛等之大電力控制用之電源半導體元件之使用環境嚴苛之電源模組中之陶瓷/鋁接合體及電源模組用基板。

Claims (5)

  1. 一種陶瓷/鋁接合體之製造方法，其係陶瓷構件與鋁構件接合而成之陶瓷/鋁接合體之製造方法，其中接合前之前述鋁構件係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，且該製造方法具備下列步驟：使前述鋁構件在400℃以上且未達固相線溫度之範圍進行熱處理之熱處理步驟，與透過含Si之焊料材接合前述熱處理步驟後之前述鋁構件與前述陶瓷構件之接合步驟。
  2. 一種電源模組用基板之製造方法，其係具備陶瓷基板、與此陶瓷基板接合之鋁板之電源模組用基板之製造方法，其中接合前之前述鋁板係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，且以如請求項1之陶瓷/鋁接合體之製造方法接合前述鋁板與前述陶瓷基板。
  3. 一種陶瓷/鋁接合體，其係陶瓷構件與鋁構件接合而成之陶瓷/鋁接合體，其特徵為接合前之前述鋁構件係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，接合後之前述鋁構件之沿著厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L係每1mm2為0.1mm以下。
  4. 一種電源模組用基板，其係具備陶瓷基板、與此陶瓷基板接合之鋁板之電源模組用基板，其中 接合前之前述鋁板係以純度99.0質量%以上99.9質量%以下之鋁構成，且接合後之前述鋁板之沿著厚度方向之剖面所觀察之粒界長度L係每1mm2為0.1mm以下。
  5. 如請求項4之電源模組用基板，其中前述鋁板之厚度係於0.05mm以上且未達0.4mm之範圍內。
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