CN117222608A - 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 - Google Patents

铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 Download PDF

Info

Publication number
CN117222608A
CN117222608A CN202280029038.4A CN202280029038A CN117222608A CN 117222608 A CN117222608 A CN 117222608A CN 202280029038 A CN202280029038 A CN 202280029038A CN 117222608 A CN117222608 A CN 117222608A
Authority
CN
China
Prior art keywords
copper
active metal
ceramic
ceramic substrate
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280029038.4A
Other languages
English (en)
Inventor
寺崎伸幸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Materials Corp filed Critical Mitsubishi Materials Corp
Publication of CN117222608A publication Critical patent/CN117222608A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/13—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the shape
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0271—Arrangements for reducing stress or warp in rigid printed circuit boards, e.g. caused by loads, vibrations or differences in thermal expansion
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
    • H05K3/388—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal by the use of a metallic or inorganic thin film adhesion layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54—Particle size related information
    • C04B2235/5409—Particle size related information expressed by specific surface values
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
    • C04B2235/666—Applying a current during sintering, e.g. plasma sintering [SPS], electrical resistance heating or pulse electric current sintering [PECS]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/122—Metallic interlayers based on refractory metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/125—Metallic interlayers based on noble metals, e.g. silver
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C04B2237/127—The active component for bonding being a refractory metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/368—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/60—Forming at the joining interface or in the joining layer specific reaction phases or zones, e.g. diffusion of reactive species from the interlayer to the substrate or from a substrate to the joining interface, carbide forming at the joining interface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29109—Indium [In] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29111—Tin [Sn] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29139—Silver [Ag] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29147—Copper [Cu] as principal constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/014—Solder alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025—Semiconducting materials
    • H01L2924/10251—Elemental semiconductors, i.e. Group IV
    • H01L2924/10253—Silicon [Si]
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/06—Thermal details
    • H05K2201/068—Thermal details wherein the coefficient of thermal expansion is important

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

在本发明的铜‑陶瓷接合体中，在陶瓷部件(11)的一面和另一面分别接合有铜部件(12)、(13)，在铜部件(12)、(13)中的陶瓷部件(11)侧形成有活性金属氮化物层(21)、(31)，含有Si和活性金属的活性金属化合物在从活性金属氮化物层(21)、(31)起朝向铜部件(12)、(13)侧10μm的区域(E1)、(E2)中的面积率A1、A2为10％以下，一面侧的所述活性金属化合物的面积率A1与所述另一面侧的所述活性金属化合物的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内。

Description

铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
技术领域
本发明涉及一种通过接合由铜或铜合金构成的铜部件和陶瓷部件而成的铜-陶瓷接合体、及在陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金构成的铜板而成的绝缘电路基板。
本申请基于2021年4月19日在日本申请的专利申请2021-070220号主张优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
功率模块、LED模块及热电模块具有如下结构：在绝缘层的一面形成由导电材料构成的电路层的绝缘电路基板上，接合有功率半导体元件、LED元件及热电元件。
例如、为了控制风力发电、电动汽车、油电混合汽车等而使用的大功率控制用的功率半导体元件在工作时的发热量多，因此，作为搭载该功率半导体元件的基板，一直以来被广泛使用如下绝缘电路基板，该绝缘电路基板具备：陶瓷基板；在该陶瓷基板的一面接合导电性优异的金属板而形成的电路层；及在陶瓷基板的另一面接合金属板而形成的散热用的金属层。
例如，专利文献1提出了通过在陶瓷基板的一面及另一面接合铜板而形成电路层及金属层的绝缘电路基板。在该专利文献1中，在陶瓷基板的一面及另一面隔着Ag-Cu-Ti系钎料而配置铜板，通过进行加热处理而接合铜板(所谓活性金属钎焊法)。
并且，专利文献2提出了一种功率模块用基板，其使用含有Ag和Ti的接合材料来接合由铜或铜合金构成的铜板及由氮化硅构成的陶瓷基板而成。
如上所述，当使用含有Ti的接合材料来接合铜板和陶瓷基板时，通过作为活性金属的Ti与陶瓷基板反应，提高接合材料的润湿性，并且提高铜板与陶瓷基板的接合强度。
专利文献1：日本专利第3211856号公报(B)
专利文献2：日本特开2018-008869号公报(A)
然而，最近有搭载于绝缘电路基板的半导体元件的发热温度变高的倾向，对于绝缘电路基板，与以往相比，要求能够承受严酷的冷热循环的冷热循环可靠性。
在此，如上所述，当使用含有Ti的接合材料来接合铜板和陶瓷基板时，作为活性金属的Ti向铜板侧扩散，析出含有Cu和Ti的金属间化合物，从而接合界面附近***，在负载冷热循环时陶瓷部件会产生裂纹，冷热循环可靠性有可能降低。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供即使在负载严酷的冷热循环时也能够抑制陶瓷部件的裂纹的产生，并且冷热循环可靠性优异的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶瓷接合体构成的绝缘电路基板。
为了解决上述问题，本发明人进行了深入研究，结果发现根据分别与陶瓷部件的一面和另一面接合的铜部件的形状、接合材料的涂布状态以及接合时的液相发生状态等，与接合于陶瓷部件的一面的铜板之间的接合界面和与接合于陶瓷部件的另一面的铜板之间的接合界面的结构会不同。
并且，当与分别接合到陶瓷部件的一面和另一面的铜部件之间的接合界面的硬度不同时，在负载冷热循环时施加到陶瓷部件的热应力的平衡会丧失，陶瓷部件容易产生裂纹。
本发明是基于上述见解而完成的，本发明的铜-陶瓷接合体是通过将由铜或铜合金构成的铜部件及由氮化硅构成的陶瓷部件接合而形成，其特征在于，在所述陶瓷部件的一面和另一面分别接合有所述铜部件，在所述铜部件中的所述陶瓷部件侧形成有活性金属氮化物层，含有Si和活性金属的活性金属化合物在从所述活性金属氮化物层起朝向所述铜部件侧10μm的区域中的面积率为10％以下，所述活性金属化合物在接合于所述一面侧的所述铜部件中的面积率A1与所述活性金属化合物在接合于所述另一面侧的所述铜部件中的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内。
根据本发明的铜-陶瓷接合体，在与接合于所述陶瓷部件的一面和另一面的铜部件的接合界面处，含有Si和活性金属的活性金属化合物在从所述活性金属氮化物层起朝向所述铜部件侧10μm的区域中的面积率为10％以下，因此能够抑制陶瓷部件与铜部件的接合界面变得过硬。
并且，所述活性金属化合物在接合于所述一面侧的所述铜部件中的面积率A1与所述活性金属化合物在接合于所述另一面侧的所述铜部件中的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内，因此与分别接合于陶瓷部件的一面和另一面的铜部件之间的接合界面的硬度没有较大的差异，能够抑制负载冷热循环时的陶瓷部件的裂纹的产生，冷热循环可靠性优异。
在此，本发明的铜-陶瓷接合体中，优选形成在所述陶瓷部件的所述一面侧的所述活性金属氮化物层的厚度ta1和形成在所述陶瓷部件的所述另一面侧的所述活性金属氮化物层的厚度ta2在0.05μm以上且0.8μm以下的范围内，厚度比ta1/ta2在0.7以上且1.4以下的范围内。
此时，形成在所述陶瓷部件的所述一面侧的所述活性金属氮化物层的厚度ta1和形成在所述陶瓷部件的所述另一面侧的所述活性金属氮化物层的厚度ta2在0.05μm以上且0.8μm以下的范围内，因此陶瓷部件和铜部件通过活性金属可靠而牢固地接合，并且进一步抑制接合界面***。
并且，厚度比ta1/ta2设定在0.7以上且1.4以下的范围内，因此与分别接合到陶瓷部件的一面和另一面的铜部件之间的接合界面的硬度没有较大的差异，能够进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷部件的裂纹的产生。
并且，本发明的铜-陶瓷接合体中，优选在所述陶瓷部件与所述铜部件的接合界面处，在所述铜部件侧形成有Ag-Cu合金层，形成于所述陶瓷部件的所述一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb1与形成于所述陶瓷部件的所述另一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb2之比tb1/tb2在0.7以上且1.4以下的范围内。
此时，形成在所述陶瓷部件的所述一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb1和形成在所述陶瓷部件的所述另一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb2之比tb1/tb2在0.7以上且1.4以下的范围内，因此与分别接合到陶瓷部件的一面和另一面的铜部件之间的接合界面的硬度没有较大的差异，能够进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷部件的裂纹的产生。
本发明的绝缘电路基板为在陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金构成的铜板而成的绝缘电路基板，其特征在于，在所述陶瓷基板的一面和另一面分别接合有所述铜板，在所述铜板中的所述陶瓷基板侧形成有活性金属氮化物层，含有Si和活性金属的活性金属化合物在从所述活性金属氮化物层起朝向所述铜板侧10μm的区域中的面积率为10％以下，所述活性金属化合物在接合于所述一面侧的所述铜板中的面积率A1与所述活性金属化合物在接合于所述另一面侧的所述铜板中的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内。
根据本发明的绝缘电路基板，在与接合于所述陶瓷基板的一面和另一面的铜板的接合界面处，含有Si和活性金属的活性金属化合物在从所述活性金属氮化物层起朝向所述铜板侧10μm的区域中的面积率为10％以下，因此抑制陶瓷基板与铜板的接合界面变得过硬。
并且，所述活性金属化合物在接合于所述一面侧的所述铜板中的面积率A1与所述活性金属化合物在接合于所述另一面侧的所述铜板中的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内，因此与分别接合于陶瓷基板的一面和另一面的铜板之间的接合界面的硬度没有较大的差异，能够抑制负载冷热循环时的陶瓷基板的裂纹的产生，冷热循环可靠性优异。
在此，本发明的绝缘电路基板中，优选形成在所述陶瓷基板的所述一面侧的活性金属氮化物层的厚度ta1和形成在所述陶瓷基板的所述另一面侧的活性金属氮化物层的厚度ta2在0.05μm以上且0.8μm以下的范围内，厚度比ta1/ta2在0.7以上且1.4以下的范围内。
此时，形成在所述陶瓷基板的所述一面侧的所述活性金属氮化物层的厚度ta1和形成在所述陶瓷基板的所述另一面侧的活性金属氮化物层的厚度ta2在0.05μm以上且0.8μm以下的范围内，因此陶瓷基板和铜板通过活性金属可靠而牢固地接合，并且进一步抑制接合界面***。
并且，厚度比ta1/ta2设在0.7以上且1.4以下的范围内，因此与分别接合到陶瓷基板的一面和另一面的铜板之间的接合界面的硬度没有较大的差异，能够进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷基板的裂纹的产生。
并且，本发明的绝缘电路基板中，优选在所述陶瓷基板与所述铜板的接合界面处，在所述铜板侧形成有Ag-Cu合金层，形成于所述陶瓷部件的所述一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb1与形成于所述陶瓷部件的所述另一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb2之比tb1/tb2在0.7以上且1.4以下的范围内。
此时，形成在所述陶瓷基板的所述一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb1和形成在所述陶瓷基板的所述另一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb2之比tb1/tb2在0.7以上且1.4以下的范围内，因此与分别接合到陶瓷基板的一面和另一面的铜板之间的接合界面的硬度没有较大的差异，能够进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷基板的裂纹的产生。
根据本发明，能够提供即使在负载严酷的冷热循环时也能够抑制陶瓷部件的裂纹的产生，并且冷热循环可靠性优异的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶瓷接合体构成的绝缘电路基板。
附图说明
图1是使用本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。
图2A是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的电路层与陶瓷基板的接合界面的放大说明图。
图2B是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的金属层与陶瓷基板的接合界面的放大说明图。
图3是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的制造方法的流程图
图4是本发明的实施方式所涉及的绝缘电路基板的制造方法的概略说明图。
图5是表示本发明的实施例中的活性金属化合物的面积率的算出方法的说明图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
本实施方式所涉及的铜-陶瓷接合体为通过接合作为由陶瓷构成的陶瓷部件的陶瓷基板11、作为由铜或铜合金构成的铜部件的铜板42(电路层12)及铜板43(金属层13)而成的绝缘电路基板10。图1示出具备本实施方式的绝缘电路基板10的功率模块1。
该功率模块1具备：配设有电路层12及金属层13的绝缘电路基板10；在电路层12的一面(在图1中为上面)经由接合层2接合的半导体元件3；及配置于金属层13的另一侧(在图1中为下侧)的散热器5。
半导体元件3由Si等半导体材料构成。该半导体元件3与电路层12经由接合层2接合。
接合层2例如由Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊料材料构成。
散热器5用于将来自前述绝缘电路基板10的热进行散热。该散热器5由铜或铜合金构成，在本实施方式中，由磷脱氧铜构成。在该散热器5中，设置有供冷却用流体流动的流路。
另外，在本实施方式中，散热器5与金属层13通过由焊料材料构成的焊料层7进行接合。该焊料层7例如由Sn-Ag系、Sn-In系或Sn-Ag-Cu系的焊料材料构成。
并且，如图1所示，本实施方式的绝缘电路基板10具备：陶瓷基板11；配设于该陶瓷基板11的一面(在图1中为上面)的电路层12；及配设于陶瓷基板11的另一面(在图1中为下面)的金属层13。
陶瓷基板11由绝缘性及散热性优异的氮化硅(Si3N4)构成。陶瓷基板11的厚度例如设定在0.2mm以上且1.5mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为0.32mm。
如图4所示，电路层12通过在陶瓷基板11的一面(在图4中为上面)接合由铜或铜合金构成的铜板42而形成。
本实施方式中，电路层12通过在将冲压无氧铜的轧制板而成的物体以电路图案状配置的状态下接合于陶瓷基板11而形成。
另外，成为电路层12的铜板42的厚度设定在0.1mm以上且2.0mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为0.6mm。
如图4所示，金属层13通过在陶瓷基板11的另一面(在图4中为下面)接合由铜或铜合金构成的铜板43而形成。
本实施方式中，金属层13通过将无氧铜的轧制板接合于陶瓷基板11而形成。
另外，成为金属层13的铜板43的厚度设定在0.1mm以上且2.0mm以下的范围内，在本实施方式中，设定为0.6mm。
在陶瓷基板11与电路层12之间的接合界面处，如图2A所示，从陶瓷基板11侧起依次形成有活性金属氮化物层21和Ag-Cu合金层22。
并且，含有Si和活性金属(本实施方式中为Ti)的活性金属化合物在从活性金属氮化物层21的电路层12侧的界面(与Ag-Cu合金层22的界面)起朝向电路层12侧10μm的区域E1中的面积率A1为10％以下。面积率A1的下限值没有限定，例如为1％。作为含有Si和活性金属(Ti)的金属间化合物，例如可举出TiSi2、TiSi、Ti5Si4、Ti5Si3及Ti5Si，本实施方式中为Ti5Si3。
在陶瓷基板11与金属层13之间的接合界面处，如图2B所示，从陶瓷基板11侧起依次形成有活性金属氮化物层31和Ag-Cu合金层32。
并且，含有Si和活性金属(本实施方式中为Ti)的活性金属化合物在从活性金属氮化物层31的金属层13侧的界面(与Ag-Cu合金层32的界面)起朝向金属层13侧10μm的区域E2中的面积率A2为10％以下。面积率A2的下限值没有限定，例如为1％。作为含有Si和活性金属(Ti)的金属间化合物，例如可举出TiSi2、TiSi、Ti5Si4、Ti5Si3及Ti5Si，本实施方式中为Ti5Si3。
并且，在本实施方式中，活性金属化合物在形成于陶瓷基板11的一面的电路层12中的面积率A1与活性金属化合物在形成于陶瓷基板11的另一面的金属层13中的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内。
并且，在本实施方式中，优选形成在陶瓷基板11的一面侧的活性金属氮化物层21的厚度ta1和形成在陶瓷基板11的另一面侧的活性金属氮化物层31的厚度ta2在0.05μm以上且0.8μm以下的范围内，它们的厚度比ta1/ta2在0.7以上且1.4以下的范围内。
另外，在本实施方式中，接合材料45含有Ti作为活性金属，陶瓷基板11由氮化铝构成，因此活性金属氮化物层21、31由氮化钛(TiN)构成。
此外，在本实施方式中，优选形成在陶瓷基板11的一面侧的Ag-Cu合金层22的厚度tb1与形成在陶瓷基板11的另一面侧的Ag-Cu合金层32的厚度tb2之比tb1/tb2在0.7以上且1.4以下的范围内。
并且，Ag-Cu合金层22(Ag-Cu合金层32)的厚度优选为1μm以上且30μm以下。
以下，参考图3及图4对本实施方式所涉及的绝缘电路基板10的制造方法进行说明。
(接合材料配设工序S01)
准备成为电路层12的铜板42和成为金属层13的铜板43。在此，成为电路层12的铜板42是以电路图案状配设的冲压片。
并且，在成为电路层12的铜板42和成为金属层13的铜板43的接合面上涂布接合材料45并使其干燥。膏状接合材料45的涂布厚度优选在干燥后设在10μm以上且50μm以下的范围内。
在本实施方式中，通过丝网印刷来涂布膏状接合材料45。
接合材料45含有Ag和活性金属(Ti、Zr、Nb、Hf)。在本实施方式中，作为接合材料45，使用Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)。另外，作为Ag-Ti系钎料(Ag-Cu-Ti系钎料)，例如优选使用如下组成的钎料：即，该钎料含有0质量％以上且32质量％以下的范围内的Cu和0.5质量％以上且20质量％以下的范围内的作为活性金属的Ti，剩余部分为Ag及不可避免的杂质。
在此，通过调整膏状接合材料45中含有的Ag粉末的比表面积(BET值)，控制含有Si和活性金属的活性金属化合物在从前述活性金属氮化物层21、31的电路层12侧和金属层13侧的界面起朝向电路层12侧和金属层侧1310μm的区域E1、E2中的面积率A1、A2。
即，当Ag粉末的比表面积小时，膏状接合材料45的烧结性变高，在后述的加热工序S03中容易产生液相，促进活性金属的扩散，前述活性金属化合物的面积率变高。另一方面，当Ag粉末的比表面积大时，膏状接合材料45的烧结性变低，在后述的加热工序S03中不易产生液相，抑制活性金属的扩散，前述活性金属化合物的面积率变低。
Ag粉末的比表面积优选为0.15m2/g以上，更优选为0.25m2/g以上，进一步优选为0.40m2/g以上。另一方面，Ag粉末的比表面积优选为1.40m2/g以下，更优选为1.00m2/g以下，进一步优选为0.75m2/g以下。
另外，关于膏状接合材料45中含有的Ag粉末的粒径，优选D10在0.7μm以上且3.5μm以下的范围内，并且D100在4.5μm以上且23μm以下的范围内。
(层叠工序S02)
接着，在陶瓷基板11的一面(在图4中为上面)经由接合材料45层叠成为电路层12的铜板42，并且在陶瓷基板11的另一面(在图4中为下面)经由接合材料45层叠成为金属层13的铜板43。
(加热工序S03)
接着，在对铜板42、陶瓷基板11及铜板43进行加压的状态下，在真空气氛下的加热炉内进行加热，使接合材料45熔融。这里的加压状态是指例如将铜板42、43分别朝向陶瓷基板11侧按压的状态。
在此，加热工序S03中的加热温度优选在800℃以上且850℃以下的范围内。并且，优选从780℃至加热温度为止的升温工序以及加热温度下的保持工序中的温度积分值的总计在7℃·h以上且120℃·h以下的范围内。
并且，加热工序S03中的加压荷载优选在0.029MPa以上且2.94MPa以下的范围内。
此外，加热工序S03中的真空度优选在1×10-6Pa以上且5×10-2Pa以下的范围内。
(冷却工序S04)
并且，在加热工序S03之后进行冷却，从而使熔融的接合材料45凝固，将成为电路层12的铜板42和陶瓷基板11以及陶瓷基板11和成为金属层13的铜板43接合。
另外，该冷却工序S04中的冷却速度优选在2℃/分钟以上且20℃/分钟以下的范围内。另外。这里的冷却速度是指从加热温度到Ag-Cu共晶温度即780℃为止的冷却速度。
在此，通过在电路层12(铜板42)侧和金属层13(铜板43)侧调整冷却速度，控制含有Si和活性金属的活性金属化合物在从前述活性金属氮化物层21、31的电路层12侧和金属层13侧的界面起朝向电路层12侧和金属层13侧10μm的区域E1、E2中的面积率A1、A2。
即，当冷却速度快时，活性金属的扩散提前停止，前述活性金属化合物的面积率会降低。另一方面，当冷却速度慢时，活性金属的扩散会长期持续，前述活性金属化合物的面积率变高。
另外，在冷却工序S04中，通过使非活性气体流向电路层12(铜板42)侧和金属层13(铜板43)侧中的任一侧，能够在电路层12(铜板42)侧和金属层13(铜板43)侧调整冷却速度。
并且，在加热工序S03和冷却工序S04中，当应用SPS(放电等离子烧结)法时，通过在电路层12(铜板42)侧的电极和金属层13(铜板43)侧的电极调整冷却水的流量，可以在电路层12(铜板42)侧和金属层13(铜板43)侧调整冷却速度。
如上所述，通过接合材料配设工序S01、层叠工序S02、加热工序S03、冷却工序S04，制造本实施方式的绝缘电路基板10。
(散热器接合工序S05)
接着，在绝缘电路基板10的金属层13的另一面侧接合散热器5。
将绝缘电路基板10与散热器5经由焊料材料进行层叠，并装入加热炉，经由焊料层7将绝缘电路基板10与散热器5进行焊料接合。
(半导体元件接合工序S06)
接着，将半导体元件3通过焊接而接合在绝缘电路基板10的电路层12的一面。
通过上述工序，制出图1所示的功率模块1。
根据如上所述结构的本实施方式的绝缘电路基板10(铜-陶瓷接合体)，在与形成于陶瓷基板11的一面的电路层12和形成于陶瓷基板11的另一面的金属层13的接合界面处，含有Si和活性金属的活性金属化合物在从活性金属氮化物层21、31的电路层12侧和金属层13侧的界面起朝向电路层12侧和金属层13侧10μm的区域E1、E2中的面积率A1、A2为10％以下，因此能够抑制陶瓷基板与电路层12和金属层13的接合界面变得过硬。
另外，为了进一步抑制陶瓷基板11与电路层12和金属层13的接合界面变得过硬，上述活性金属化合物的面积率A1、A2优选为8％以下，更优选为5％以下。
并且，活性金属化合物在形成于陶瓷基板11的一面侧的电路层12中的面积率A1与活性金属化合物在接合于陶瓷基板11的另一面侧的金属层13中的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内，因此与形成于陶瓷基板的一面的电路层12和形成于陶瓷基板的另一面的金属层13之间的接合界面的硬度没有较大的差异，能够抑制负载冷热循环时的陶瓷基板11的裂纹的产生，能够提高冷热循环可靠性。
另外，为了进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷基板11的裂纹的产生，活性金属化合物在形成于陶瓷基板11的一面侧的电路层12中的面积率A1与活性金属化合物在接合于陶瓷基板11的另一面侧的金属层13中的面积率A2之比A1/A2更优选在0.8以上且1.2以下的范围内，进一步优选在0.9以上且1.1以下的范围内。
并且，在本实施方式中，当在形成于陶瓷基板11的一面的电路层12侧形成的活性金属氮化物层21的厚度ta1和在形成于陶瓷基板11的另一面的金属层13侧形成的活性金属氮化物层31的厚度ta2为0.05μm以上时，接合材料45的活性金属与陶瓷基板11充分反应，陶瓷基板11与电路层12和金属层13进一步牢固地接合。
另一方面，在将活性金属氮化物层21的厚度ta1及活性金属氮化物层31的厚度ta2设为0.8μm以下时，能够抑制接合界面变得过硬，能够进一步提高冷热循环可靠性。
另外，为了使陶瓷基板11与电路层12和金属层13进一步牢固地接合，活性金属氮化物层21的厚度ta1和活性金属氮化物层31的厚度ta2优选为0.08μm以上，更优选为0.15μm以上。
并且，为了进一步抑制接合界面变得过硬，活性金属氮化物层21的厚度ta1和活性金属氮化物层31的厚度ta2优选为0.6μm以下，更优选为0.4μm以下。
此外，在本实施方式中，活性金属氮化物层21的厚度ta1与活性金属氮化物层31的厚度ta2的厚度比ta1/ta2在0.7以上且1.4以下的范围内时，与形成在陶瓷基板11的一面的电路层12和形成在陶瓷基板11的另一面的金属层13之间的接合界面的硬度没有较大的差异，可以进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷基板11的裂纹的产生。
另外，为了进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷基板11的裂纹的产生，活性金属氮化物层21的厚度ta1与活性金属氮化物层31的厚度ta2的厚度比ta1/ta2更优选在0.8以上1.2以下的范围内，进一步优选在0.9以上且1.1以下的范围内。
并且，在本实施方式中，形成于陶瓷基板11的一面侧的Ag-Cu合金层22的厚度tb1与形成于陶瓷基板11的另一面侧的Ag-Cu合金层32的厚度tb2之比tb1/tb2在0.7以上且1.4以下的范围内时，与形成于陶瓷基板11的一面的电路层12和形成于陶瓷基板11的另一面的金属层13之间的接合界面的硬度没有较大的差异，能够进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷基板11的裂纹的产生。
另外，为了进一步抑制负载冷热循环时的陶瓷基板11的裂纹的产生，Ag-Cu合金层22的厚度tb1与Ag-Cu合金层32的厚度tb2的厚度比tb1/tb2更优选在0.8以上且1.2以下的范围内，进一步优选在0.9以上且1.1以下的范围内。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此，在不脱离本发明的技术思想的范围内，可进行适当变更。
例如，在本实施方式中，对在绝缘电路基板搭载半导体元件构成功率模块的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，可以在绝缘电路基板的电路层搭载LED元件构成LED模块，也可以在绝缘电路基板的电路层搭载热电元件构成热电模块。
此外，在本实施方式中，作为接合材料中含有的活性金属，以Ti为例子进行了说明，但不限于此，只要含有选自Ti、Zr、Hf及Nb中的一种或两种以上的活性金属即可。另外，也可以以氢化物的形式包含这些活性金属。
实施例
以下，对为了确认本发明的效果而进行的确认实验的结果进行说明。
首先，准备了由氮化硅(Si3N4)构成的陶瓷基板(40mm×40mm、厚度0.32mm)。
并且，准备了两个由无氧铜构成的37mm×18mm、厚度0.8mm的铜片作为成为电路层的铜板。此外，准备由无氧铜构成的37mm×37mm、厚度0.8mm的铜板作为成为金属层的铜板。
将含有表1所示的BET值的Ag粉末的接合材料以干燥后的目标厚度为30μm的方式涂布到成为电路层的铜板上。
将含有表1所示的BET值的Ag粉末的接合材料以干燥后的目标厚度为30μm的方式涂布到成为金属层的铜板上。
另外，使用膏材料作为接合材料，Ag、Cu和活性金属的量如表1所示。
并且，关于Ag粉末的BET值(比表面积)，使用QUANTACHRROME公司制造的AUTOSORB-1，作为预处理进行在150℃加热30分钟的真空脱气，通过N2吸附、液氮77K、BET多点法进行测定。
将成为电路层的铜板层叠在陶瓷基板的一面上。此时，将两个铜片以间隔1mm隔开配置。
并且，将成为金属层的铜板层叠在陶瓷基板的另一面上。
将该层叠体在层叠方向上加压的状态下进行加热，使接合材料熔融。此时，将加压荷载设为0.245MPa，温度积分值如表1所示。
并且，通过冷却加热后的层叠体，将成为电路层的铜板、陶瓷基板和成为金属层的金属板接合，得到绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)。
另外，实施例中，通过SPS(放电等离子烧结)法进行接合，通过电路层侧的电极与金属层侧的电极调整冷却水的流量，调整为表1所示的冷却速度。
关于得到的绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)，如下所述评价了活性金属化合物的面积率、活性金属氮化物层、Ag-Cu合金层、冷热循环可靠性。
(活性金属化合物的面积率)
利用EPMA装置观察电路层与陶瓷基板之间的接合界面以及陶瓷基板与金属层之间的接合界面的截面，获得了各五个视场的关于电路层和金属层中的活性金属和Si的元素图(宽50μm×高30μm)。
然后，如图5所示，在从活性金属氮化物层起朝向电路层(金属层)表面10μm为止的区域中，将Si和活性金属重叠的部分认定为含有Si和活性金属的活性金属化合物，并算出活性金属化合物的面积率。面积率是将50μm×10μm的面积设为100％时的值。另外，表2中分别记载了五个视场的平均值。
(活性金属氮化物层)
使用扫描型电子显微镜(Carl Zeiss NTS公司制造的ULTRA55，加速电压1.8kV)，在倍率30000倍测定电路层与陶瓷基板之间的接合界面以及陶瓷基板与金属层之间的接合界面的截面，通过能量色散型X射线分析法获得N、O及活性金属元素的元素图。当活性金属元素和N或O存在于同一区域时，判断为有活性金属氮化物层。
分别在五个视场中进行观察，将活性金属元素与N或O存在于同一区域的范围面积除以已测定的宽度而得到的平均值作为“活性金属氮化物层的厚度”。
(Ag-Cu合金层)
使用EPMA装置，对电路层与陶瓷基板之间的接合界面以及陶瓷基板与金属层之间的接合界面的截面，分别在五个视场中进行了线分析。
并且，当设为Ag+Cu+活性金属＝100质量％时，将Ag浓度为15质量％以上的区域作为Ag-Cu合金层，并测定了其厚度。分别将五个视场中的测定值的平均值作为Ag-Cu合金层的厚度并记载于表2。
(冷热循环可靠性)
对上述绝缘电路基板交替重复负载40℃×5分钟和150℃×5分钟的冷热循环，到2000个循环为止每100个循环进行SAT检查，确认陶瓷裂纹的有无，评价了陶瓷裂纹的产生次数。将评价结果示于表2。在此，陶瓷裂纹的产生次数是指直到陶瓷裂纹产生为止所需的冷热循环次数。
/>
在电路层侧的活性金属化合物的面积率A1为14.6％、金属层侧的活性金属化合物的面积率A2为13.4％的比较例1中，在1100次循环时确认到裂纹，冷热循环可靠性不充分。
在电路层侧的活性金属化合物的面积率A1与金属层侧的活性金属化合物的面积率A2之比A1/A2为0.62的比较例2中，在1200次循环时确认到裂纹，冷热循环可靠性不充分。
在电路层侧的活性金属化合物的面积率A1与金属层侧的活性金属化合物的面积率A2之比A1/A2为1.48的比较例3中，在1200次循环时确认到裂纹，冷热循环可靠性不充分。
相对于此，在将电路层侧的活性金属化合物的面积率A1和金属层侧的活性金属化合物的面积率A2均设定为10％以下，并且电路层侧的活性金属化合物的面积率A1与金属层侧的活性金属化合物的面积率A2之比A1/A2为0.7以上且1.4以下的范围内的本发明例1-8中，确认到裂纹的循环次数为1500以上，冷热循环可靠性优异。
以上的确认实验的结果，根据本发明例，确认到能够提供即使在负载严酷的冷热循环时也能够抑制陶瓷部件的裂纹的产生，并且冷热循环可靠性优异的绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供即使在负载严酷的冷热循环时也能够抑制陶瓷部件的裂纹的产生，并且冷热循环可靠性优异的铜-陶瓷接合体、及由该铜-陶瓷接合体构成的绝缘电路基板。
符号说明
10 绝缘电路基板(铜-陶瓷接合体)
11 陶瓷基板(陶瓷部件)
12 电路层(铜部件)
13 金属层(铜部件)
21、31 活性金属氮化物层
22、32 Ag-Cu合金层

Claims (6)

1.一种铜-陶瓷接合体，通过接合由铜或铜合金构成的铜部件及由氮化硅构成的陶瓷部件而成，其特征在于，
在所述陶瓷部件的一面和另一面分别接合有所述铜部件，
在所述铜部件中的所述陶瓷部件侧形成有活性金属氮化物层，含有Si和活性金属的活性金属化合物在从所述活性金属氮化物层起朝向所述铜部件侧10μm的区域中的面积率为10％以下，
所述活性金属化合物在接合于所述一面侧的所述铜部件中的面积率A1与所述活性金属化合物在接合于所述另一面侧的所述铜部件中的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内。
2.根据权利要求1所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
形成在所述陶瓷部件的所述一面侧的所述活性金属氮化物层的厚度ta1和形成在所述陶瓷部件的所述另一面侧的活性金属氮化物层的厚度ta2在0.05μm以上且0.8μm以下的范围内，厚度比ta1/ta2在0.7以上且1.4以下的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的铜-陶瓷接合体，其特征在于，
在所述陶瓷部件与所述铜部件的接合界面处，在所述铜部件侧形成有Ag-Cu合金层，
形成于所述陶瓷部件的所述一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb1与形成于所述陶瓷部件的所述另一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb2之比tb1/tb2在0.7以上且1.4以下的范围内。
4.一种绝缘电路基板，通过在陶瓷基板的表面接合由铜或铜合金构成的铜板而成，其特征在于，
在所述陶瓷基板的一面和另一面分别接合有所述铜板，
在所述铜板中的所述陶瓷基板侧形成有活性金属氮化物层，含有Si和活性金属的活性金属化合物在从所述活性金属氮化物层起朝向所述铜板侧10μm的区域中的面积率为10％以下，
所述活性金属化合物在接合于所述一面侧的所述铜板中的面积率A1与所述活性金属化合物在接合于所述另一面侧的所述铜板中的面积率A2之比A1/A2在0.7以上且1.4以下的范围内。
5.根据权利要求4所述的绝缘电路基板，其特征在于，
形成在所述陶瓷基板的所述一面侧的活性金属氮化物层的厚度ta1和形成在所述陶瓷基板的所述另一面侧的活性金属氮化物层的厚度ta2在0.05μm以上且0.8μm以下的范围内，厚度比ta1/ta2在0.7以上且1.4以下的范围内。
6.根据权利要求4或5所述的绝缘电路基板，其特征在于，
在所述陶瓷基板与所述铜板的接合界面处，在所述铜板侧形成有Ag-Cu合金层，
形成于所述陶瓷基板的所述一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb1与形成于所述陶瓷基板的所述另一面侧的所述Ag-Cu合金层的厚度tb2之比tb1/tb2在0.7以上且1.4以下的范围内。
CN202280029038.4A 2021-04-19 2022-04-19 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 Pending CN117222608A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-070220 2021-04-19
JP2021070220A JP2022165045A (ja) 2021-04-19 2021-04-19 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
PCT/JP2022/018126 WO2022224946A1 (ja) 2021-04-19 2022-04-19 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117222608A true CN117222608A (zh) 2023-12-12

Family

ID=83723323

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280029038.4A Pending CN117222608A (zh) 2021-04-19 2022-04-19 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240203819A1 (zh)
EP (1) EP4328208A1 (zh)
JP (1) JP2022165045A (zh)
CN (1) CN117222608A (zh)
WO (1) WO2022224946A1 (zh)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3211856B2 (ja) 1994-11-02 2001-09-25 電気化学工業株式会社 回路基板
KR101722893B1 (ko) * 2013-09-30 2017-04-03 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Ｃｕ/세라믹스 접합체, Ｃｕ/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 파워 모듈용 기판
WO2017213207A1 (ja) * 2016-06-10 2017-12-14 田中貴金属工業株式会社 セラミックス回路基板、及び、セラミックス回路基板の製造方法
WO2018003845A1 (ja) * 2016-06-30 2018-01-04 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
JP6904088B2 (ja) 2016-06-30 2021-07-14 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
JP7219810B2 (ja) * 2019-03-29 2023-02-08 デンカ株式会社 窒化珪素基板、窒化珪素－金属複合体、窒化珪素回路基板、及び、半導体パッケージ
JP2021017390A (ja) * 2019-07-23 2021-02-15 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
JP2021031315A (ja) * 2019-08-20 2021-03-01 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
JP2021070220A (ja) 2019-10-30 2021-05-06 株式会社吉野工業所 液体ブロー成形装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20240203819A1 (en) 2024-06-20
WO2022224946A1 (ja) 2022-10-27
EP4328208A1 (en) 2024-02-28
JP2022165045A (ja) 2022-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102459745B1 (ko) 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및, 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 절연 회로 기판의 제조 방법
CN109417056B (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
JP7056744B2 (ja) 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
WO2018159590A1 (ja) 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
CN114845977A (zh) 铜-陶瓷接合体、及绝缘电路基板
WO2020044590A1 (ja) 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
WO2015163232A1 (ja) 接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法
WO2021085451A1 (ja) 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
CN108701659B (zh) 接合体、功率模块用基板、功率模块、接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法
JP6928297B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
JP7008188B2 (ja) 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
WO2021117327A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
CN117222608A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
WO2022224958A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
CN117500769A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
WO2023286860A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2022224949A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2023286858A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、および、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
WO2023286856A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
WO2023286862A1 (ja) 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
CN117897366A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
CN117769533A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
CN117981479A (zh) 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination