功率模塊用基板、帶散熱器的功率模塊用基板、功率模塊、功率模塊用基板的製造方法及...的製作方法

2023-07-23 12:53:41 1

專利名稱：功率模塊用基板、帶散熱器的功率模塊用基板、功率模塊、功率模塊用基板的製造方法及 ...的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制大電流、高電壓的在半導體裝置中使用的功率模塊用基板、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、該功率模塊用基板的製造方法及帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法。本申請基於2009年10月22日向日本申請的日本專利申請2009-243259號、2010年3月2日向日本申請的日本專利申請2010-045747號、2010年4月12日向日本申請的日本專利申請2010-091366號、2010年9月觀日向日本申請的日本專利申請2010-217590號和日本專利申請2010-217591號主張優先權，在此引用其內容。
背景技術：
在半導體元件中用於電力供給的功率元件的發熱量比較高。作為搭載該功率元件的基板，例如，如專利文獻1所示，使用如下功率模塊用基板在由AlN(氮化鋁)構成的陶瓷基板上通過釺料接合有Al (鋁)金屬板。並且，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(半導體元件)。另外，提出有在陶瓷基板的下表面接合Al等金屬板而形成金屬層，在該金屬層上接合散熱器的帶散熱器的功率模塊用基板。並且，作為形成電路層的手段，提出有在陶瓷基板上接合金屬板之後，在該金屬板上形成電路圖案的方法。另外，例如如專利文獻2公開的那樣，還提出有將預先形成為電路圖案的金屬片接合於陶瓷基板上的方法。在此，為了獲得所述金屬板與陶瓷基板的良好的接合強度，例如在專利文獻3中公開有將陶瓷基板的表面粗糙度設為不到0. 5 μ m的技術。但是，將金屬板接合於陶瓷基板時，存在僅降低陶瓷基板的表面粗糙度也不能獲得充分高的接合強度，不能實現可靠性的提高的問題。例如，即使以乾式方式對陶瓷基板的表面進行利用Al2O3顆粒的珩磨處理，將表面粗糙度設為Ra = 0. 2 μ m，在剝離試驗中有時也產生界面剝離。並且，即使通過研磨法將表面粗糙度設為Ra = 0. 1 μ m以下，也有時產生界面剝離。尤其，最近在進行功率模塊的小型化、薄型化的同時，其使用環境也日趨嚴峻。另外，來自被搭載的半導體元件等電子零件的發熱量有變大的趨勢，需要在散熱器上配設功率模塊用基板。此時，因功率模塊用基板受散熱器約束，所以在熱循環負荷時，巨大的剪切力作用於金屬板與陶瓷基板的接合界面。因此，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。專利文獻1 日本專利公開2003-086744號公報專利文獻2 日本專利公開2008-311四4號公報
專利文獻3 日本專利公開平3-234045號公報

發明內容
本發明的功率模塊用基板的一方案如下為具備陶瓷基板和在該陶瓷基板的表面層壓而接合有鋁或鋁合金制的金屬板的功率模塊用基板，其中，在所述金屬板中，固溶有Ag或選自ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li中的一種或兩種以上的添加元素，所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下，或者所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li的總計濃度設定在0. 01質量％以上5質量％以下。在該構成的功率模塊用基板中，金屬板的接合界面側部分變得固溶強化。由此，可防止金屬板部分處的斷裂，能夠提高接合可靠性。在此，由於所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上，或者Zn、Ge、Mg、Ca、fei及Li的總計濃度設定在0. 01質量％以上，所以可切實地固溶強化金屬板的接合界面側部分。並且，由於所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag濃度設定在10質量％以下，或者ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li的總計濃度設定在5質量％以下，所以可防止金屬板的接合界面的強度變得過高。於是，在該功率模塊用基板上負荷冷熱循環時，可由金屬板吸收熱應力，可防止陶瓷基板的破裂等。在本發明的功率模塊用基板的一方案中，也可以為在所述金屬板中，除了 Ag之外，還固溶有選自Zn、Ge、Mg、Ca、( 及Li中的一種或兩種以上的元素，所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的總計濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下。此時，金屬板的接合界面側部分切實地固溶強化。由此，可防止金屬板部分處的斷裂，能夠提高接合可靠性。在此，由於所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag和Si、Ge、Mg、Ca、( 及Li的總計濃度設定在0. 05質量％以上，所以可切實地固溶強化金屬板的接合界面側部分。並且，由於所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag和ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li的總計濃度設定在10質量％以下，所以可防止金屬板的接合界面的強度變得過高。本發明的功率模塊用基板的一方案中，也可以為所述陶瓷基板由AlN或Si3N4構成，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面，形成有氧濃度高於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可以為4nm以下。並且，添加元素為Ag時，所述氧高濃度部為所述陶瓷基板的晶粒內的氧濃度的2倍以上。此時，通過存在於接合界面的氧，提高由AlN或Si3N4構成的陶瓷基板與鋁製金屬板的接合強度。進而，由於該氧高濃度部的厚度為4nm以下，通過負荷熱循環時的應力抑制在氧高濃度部產生裂紋。另外，在此，所述陶瓷基板的晶粒內的氧濃度是指，陶瓷基板中距離接合界面一定距離(例如，5nm以上)的那部分的氧濃度。本發明的功率模塊用基板的一方案中，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面，也可以形成有所述添加元素的濃度為所述金屬板中的所述添加元素的濃度的2倍以上的添加元素高濃度部。
此時，通過存在於界面附近的所述添加元素原子，能夠實現陶瓷基板與金屬板的接合強度的提高。另外，金屬板中的所述添加元素的濃度是指，金屬板中距離接合界面一定距離(例如，5nm以上)的那部分的所述添加元素的濃度。本發明的功率模塊用基板的一方案中，也可以為所述陶瓷基板由AlN構成，用能量分散型X射線分析法分析含所述添加元素高濃度部的所述接合界面時，Al、所述添加元素、0、N的質量比為Al 添加元素0 N = 50 90質量％ 1 30質量％ 1 10質量％ 25質量％以下。或者，本發明的功率模塊用基板的一方案中，也可以為所述陶瓷基板由Si3N4構成，用能量分散型X射線分析法分析含所述添加元素高濃度部的所述接合界面時，Al、Si、所述添加元素、0、N的質量比為Al Si 添加元素0 N= 15 45質量15 45質量％ 1 30質量1 10質量25質量％以下。另外，本發明的功率模塊用基板的一方案中，也可以為所述陶瓷基板由Al2O3構成，用能量分散型X射線分析法分析含所述添加元素高濃度部的所述接合界面時，Al、所述添加元素、0的質量比為Al 添加元素0 = 50 90質量％ 1 30質量％ 45質
量％以下。存在於接合界面的所述添加元素原子的質量比超過30質量％時，Al與添加元素的反應產物生成過多，該反應產物有可能阻礙接合。另外，由於該反應產物，金屬板的接合界面附近被強化為所需以上，在熱循環負荷時應力作用於陶瓷基板，陶瓷基板有可能斷裂。另一方面，所述添加元素原子的質量比小於1質量％時，有可能無法充分實現基於添加元素原子的接合強度的提高。因此，接合界面中的添加元素原子的質量比優選為1 30質量％的範圍內。在此，進行基於能量分散型X射線分析法的分析時，由於斑點直徑極小，在所述接合界面的多個點(例如10 100個點)測定，並算出其平均值。而且，測定時，沒有將金屬板的晶界與陶瓷基板的接合界面作為測定對象，僅將晶粒與陶瓷基板的接合界面作為測定對象。並且，本說明書中的基於能量分散型X射線分析法的分析值是使用搭載在日本電子製造的電子顯微鏡JEM-2010F上的Thermo Fisher Scientific公司(寸一 7 ^ ν
^-yr 4 7 4 -y夕株式會社)製造的能量分散型螢光X射線元素分析裝置NORANSystem7,以加速電壓200kV進行。本發明的帶散熱器的功率模塊用基板的一方案為具有所述陶瓷基板；接合在該陶瓷基板的一個表面上的鋁或鋁合金制的第一金屬板；接合在所述陶瓷基板的另一個表面上的鋁或鋁合金制的第二金屬板；以及接合在所述第二金屬板中的與所述陶瓷基板的接合面相反側的面上的散熱器。而且，在所述第二金屬板及所述散熱器中，固溶有^Vg或選自Si、Ge、Mg、Ca、( 及Li中的一種或兩種以上的添加元素。所述第二金屬板及所述散熱器的界面附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下，或者所述第二金屬板及所述散熱器的界面附近的ai、Ge、Mg、Ca、fei及Li的總計濃度設定在0. 01質量％以上5質量％以下。根據該構成的帶散熱器的功率模塊用基板，因為所述第二金屬板及所述散熱器固溶有Ag或選自Si、Ge、Mg、Ca、( 及Li中的一種或兩種以上的添加元素，因此所述第二金屬板及所述散熱器的各自的接合界面側部分得到固溶強化。而且，所述第二金屬板及所述散熱器的接合界面附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上，或者ai、Ge、Mg、Ca、fei及Li的總計濃度設定在0. 01質量％以上，因此可切實地固溶強化所述第二金屬板及所述散熱器的接合界面側部分。而且，所述第二金屬板及所述散熱器的接合界面附近的Ag濃度設定在10質量％以下，或者ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li的總計濃度設定在5質量％以下，可防止所述第二金屬板及所述散熱器的接合界面的強度變得過高，可由所述第二金屬板吸收熱變形。本發明的帶散熱器的功率模塊用基板的一方案中，也可以在所述第二金屬板及所述散熱器中，除了 Ag之外，還固溶有選自ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li中的一種或兩種以上的元素，所述第二金屬板及所述散熱器的界面附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的總計濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下。此時，所述第二金屬板及所述散熱器的接合界面側部分固溶強化，可防止第二金屬板及所述散熱器中的斷裂的發生，可提高接合可靠性。在此，所述第二金屬板及所述散熱器的界面附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的總計濃度設定在0. 05質量％以上，因此可切實地固溶強化所述第二金屬板及所述散熱器的界面側部分。而且，所述第二金屬板及所述散熱器的界面附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、( 及Li的總計濃度設定在10質量％以下，可防止所述第二金屬板及所述散熱器的接合界面的強度變得過高。本發明的功率模塊的特徵在於，具備本發明的一方案的功率模塊用基板及搭載於所述功率模塊用基板上的電子零件。根據該構成的功率模塊，陶瓷基板與金屬板的接合強度高，即使是在使用環境嚴峻的情況下，也可以顯著地提高其可靠性。本發明的功率模塊用基板的製造方法的一方案為具備陶瓷基板和在該陶瓷基板的表面層壓而接合有鋁或鋁合金制的金屬板的功率模塊用基板的製造方法。該製造方法具有固著工序，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，固著選自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一種或兩種以上的添加元素，形成含有該添加元素的固著層；層壓工序，在介入所述固著層的狀態下，層壓所述陶瓷基板和所述金屬板；加熱工序，在層壓方向上對被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板進行加壓的同時進行加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區域；以及凝固工序，通過凝固該熔融金屬區域來接合所述陶瓷基板與所述金屬板。而且，在所述層壓工序中，使所述添加元素在0. Olmg/cm2以上lOmg/cm2以下的範圍內介入在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面。在所述加熱工序中，通過使所述添加元素向所述金屬板擴散，從而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域。根據該構成的功率模塊用基板的製造方法，在所述金屬板及所述陶瓷基板的接合界面中介入選自Ag、Si、Ge、Mg、Ca、( 及Li中的一種或兩種以上的添加元素。在此，由於Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、( 及Li這樣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域。從而，即使在較低溫、短時間的接合條件下接合，也能牢固接合陶瓷基板與金屬板。
另外，無需使用釺料箔等，就可以低成本製造出切實地接合金屬板與陶瓷基板的功率模塊用基板。由於不使用釺料箔就可接合所述陶瓷基板與所述金屬板，因此無需進行釺料箔的對位作業等。因此，例如將預先形成為電路圖案狀的金屬片接合於陶瓷基板時，也可將由錯位等引起的問題防患於未然。並且，在所述層壓工序中，將介入於所述陶瓷基板與所述金屬板的界面的所述添加元素的固著量設為0. 01mg/cm2以上，因此在陶瓷基板與金屬板的界面可切實地形成熔融金屬區域，並可牢固地接合陶瓷基板與金屬板。進而，將介入於所述陶瓷基板與所述金屬板的界面的所述添加元素的固著量設為10mg/cm2以下，因此可防止在固著層中產生裂紋，並可在陶瓷基板與金屬板的界面切實地形成熔融金屬區域。進而，能夠防止所述添加元素過於向金屬板側擴散而使得界面附近的金屬板的強度過於變高。由此，在功率模塊用基板負荷冷熱循環時，可由金屬板吸收熱應力，並可防止陶瓷基板的破裂等。進而，在所述層壓工序中，使所述添加元素在0. 01mg/cm2以上lOmg/cm2以下的範圍內介入於所述陶瓷基板與所述金屬板的界面，因此可製造所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近中的Ag濃度為0. 05質量％以上10質量％以下，或者ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li的總計濃度為0. Ol質量％以上5質量％以下的功率模塊用基板。而且，由於在金屬板及陶瓷基板上直接形成固著層，因此氧化被膜只形成在金屬板的表面。於是，與使用了在兩面形成氧化被膜的釺料箔時相比，存在於金屬板及陶瓷基板的界面的氧化被膜的總計厚度變薄，因此能夠提高初始接合的合格率。並且，所述陶瓷基板的接合面和所述金屬板的接合面中的至少一方直接固著所述添加元素，但從生產率的觀點考慮，優選在金屬板的接合面固著所述添加元素。另外，也可以在所述陶瓷基板的接合面和所述金屬板的接合面中的至少一方，分別單獨固著所述添加元素而形成多層添加元素層。本發明的功率模塊用基板的製造方法的一方案中，也可以在所述固著工序中，將Al與所述添加元素一起固著。此時，由於將Al與所述添加元素一起固著，因此所形成的固著層含有Al。因此，在加熱工序中，該固著層能夠優先熔融而切實形成熔融金屬區域，並能夠牢固地接合陶瓷基板和金屬板。並且，能夠防止Mg、Ca、Li等氧化活性元素的氧化。另外，為了將Al與所述添加元素一起固著，可同時蒸鍍所述添加元素和Al。也可將所述添加元素與Al的合金作為靶進行濺射。另外，也可層壓Al及添加元素。本發明的功率模塊用基板的製造方法的一方案中，優選所述固著工序通過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塗布^Vg漿料而形成所述固著層。此時，通過塗布Ag漿料能夠切實地形成固著層。另外，Ag漿料即使在大氣氣氛中加熱燒成，Ag也不會氧化，因此可容易形成含有Ag的固著層。並且，使用Ag漿料時，為了防止在大氣中加熱時的金屬板的氧化，優選塗布在陶瓷基板側。另外，也可以在塗布Ag漿料的狀態下層壓所述陶瓷基板與所述金屬板，對被層壓的所述陶瓷基板與所述金屬板進行加熱時，進行^Vg漿料的燒成。本發明的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的一方案為具備陶瓷基板、與該陶瓷基板一個表面接合的鋁或鋁合金制的第一金屬板、與所述陶瓷基板的另一個表面接合的鋁或鋁合金制的第二金屬板以及接合在所述第二金屬板中的與所述陶瓷基板的接合面相反側的面上的所述散熱器的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法。該製造方法具有陶瓷基板接合工序，接合所述陶瓷基板與所述第一金屬板、以及接合所述陶瓷基板與所述第二金屬板；以及散熱器接合工序，在所述第二金屬板的一面，接合所述散熱器。所述散熱器接合工序具有添加元素層形成工序，在所述第二金屬板的接合面與所述散熱器的接合面中的至少一方固著選自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、fei和Li中的一種或兩種以上的添加元素而形成添加元素層；散熱器層壓工序，在介入所述添加元素層的狀態下層壓所述第二金屬板與所述散熱器；散熱器加熱工序，在層壓方向上對被層壓的所述第二金屬板與所述散熱器進行加壓的同時進行加熱，在所述第二金屬板與所述散熱器的界面形成熔融金屬區域；以及熔融金屬凝固工序，通過凝固該熔融金屬區域，接合所述第二金屬板與所述散熱器。在所述散熱器加熱工序中，通過使所述添加元素層的添加元素擴散到所述第二金屬板和所述散熱器，在所述第二金屬板與所述散熱器的界面形成所述熔融金屬區域。該構成的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法中，在第二金屬板與散熱器的接合界面中介入選自Ag、ai、Ge、Mg、Ca、(;a和Li中的一種或兩種以上的添加元素。該添加元素為降低鋁的熔點的元素，因此可在較低溫條件下，在散熱器與第二金屬板的界面形成熔融金屬區域。因此，即使在較低溫、短時間的接合條件下接合，也能夠牢固地接合散熱器與第二金屬板。另外，無需使用製造困難的Al-Si系的釺料箔等，就能夠以低成本製造第二金屬板與散熱器切實接合的帶散熱器的功率模塊用基板。進而，不使用釺料箔，在所述散熱器的接合面和所述第二金屬板的接合面中的至少一方直接固著添加元素，因此無需進行釺料箔的對位操作等。而且，在所述散熱器的接合面和所述第二金屬板的接合面上直接固著添加元素的情況下，氧化被膜只形成在第二金屬板和散熱器的表面，由此存在於第二金屬板和散熱器的界面的氧化被膜的總計厚度變薄，因此能夠提高初始接合的合格率。本發明的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的一方案中，也可以為所述陶瓷基板接合工序和所述散熱器接合工序同時進行。此時，同時進行所述陶瓷基板接合工序和所述散熱器接合工序，因此可以大幅削減它們的接合所需的成本。而且，無需進行反覆加熱、冷卻來完成，因此可以實現該帶散熱器的功率模塊用基板的翹曲的減少。本發明的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的一方案中，所述添加元素層形成工序中，還可以將Al與所述添加元素一起固著。此時，在散熱器加熱工序中，該添加元素層能夠優先熔融而切實形成熔融金屬區域，並能夠牢固地接合散熱器和第二金屬板。並且，能夠防止Mg、Ca、Li等氧化活性元素的氧化。另外，為了將Al與所述添加元素一起固著，可同時蒸鍍所述添加元素和Al。也可將所述添加元素與Al的合金作為靶進行濺射。另外，也可層壓Al及添加元素。並且，上述本發明的帶散熱器的功率模塊用基板及其製造方法的一方案中，所述第二金屬板的厚度可以厚於所述第一金屬板的厚度。
此時，可以使設置有散熱器側的剛性相對高於與其相反側的剛性。由此可以抑制帶散熱器的功率模塊用基板的翹曲。進而，本發明的帶散熱器的功率模塊用基板及其製造方法的一方案中，所述第二金屬板也可以層壓多個金屬板而構成。此時，可以用該第二金屬板充分緩和起因於散熱器與陶瓷基板的熱膨脹係數之差的熱變形，可以抑制在陶瓷基板中的破裂的產生。並且，上述本發明的功率模塊用基板的製造方法或帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的一方案中，所述固著工序也可以通過電鍍、蒸鍍、CVD、濺射、冷噴塗或者分散有粉末的漿料及油墨等的塗布，在所述陶瓷基板、所述金屬板、所述散熱器或所述第二金屬板的任意一個接合面中固著所述添加元素。此時，能夠使所述添加元素切實介入於接合界面。並且，可高精度調節所述添加元素的固著量，並可以牢固地接合陶瓷基板與金屬板、或者散熱器與所述第二金屬板。並且，使用含有所述添加元素的漿料時，為了防止在大氣中加熱時的金屬板的氧化，優選塗布在陶瓷基板側。另外，也可以在塗布含有所述添加元素的漿料的狀態下層壓所述陶瓷基板與所述金屬板，在層壓方向上對被層壓的所述陶瓷基板與所述金屬板進行加壓的同時進行加熱時，進行含有所述添加元素的漿料的燒成。根據本發明，能夠提供金屬板與陶瓷基板切實接合且熱循環可靠性高的功率模塊用基板、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製造方法、帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法。


圖1是使用本發明的第一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是表示本發明的第一實施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的Ag濃度分布及Ge濃度分布的說明圖。圖3是本發明的第一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TEM觀察圖。圖4是表示本發明的第一實施方式的功率模塊用基板的製造方法的流程圖。圖5是表示本發明的第一實施方式的功率模塊用基板的製造方法的說明圖。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是使用本發明的第二實施方式的功率模塊用基板的功率模塊的簡要說明圖。圖8是表示本發明的第二實施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的Ag濃度分布的說明圖。圖9是本發明的第二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10是表示本發明的第二實施方式的功率模塊用基板的製造方法的流程圖。圖11是表示本發明的第二實施方式的功率模塊用基板的製造方法的說明圖。圖12是使用本發明的第三實施方式的功率模塊用基板的功率模塊的簡要說明圖。圖13是表示本發明的第三實施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的Ag濃度分布的說明圖。圖14是本發明的第三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15是表示本發明的第三實施方式的功率模塊用基板的製造方法的流程圖。圖16是表示本發明的第三實施方式的功率模塊用基板的製造方法的說明圖。圖17是表示本發明的第三實施方式的具備功率模塊用基板的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的說明圖。圖18是使用本發明的第四實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的功率模塊的簡要說明圖。圖19是表示本發明的第四實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的金屬層及散熱器的Ag濃度分布的說明圖。圖20是表示本發明的第四實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的流程圖。圖21是表示本發明的第四實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的說明圖。圖22是表示圖21中的第二金屬板(金屬層)與散熱器的接合界面附近的說明圖。圖23是使用本發明的第五實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的功率模塊的簡要說明圖。圖M是表示本發明的第五實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的流程圖。圖25是表示本發明的第五實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的說明圖。圖沈是表示本發明的第五實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法的說明圖。圖27是表示本發明的第六實施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的添加元素(Ge)的濃度分布的說明圖。圖觀是表示本發明的第七實施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的添加元素(Mg)的濃度分布的說明圖。圖四是表示本發明的第八實施方式的功率模塊用基板的電路層及金屬層的添加元素(Zn)的濃度分布的說明圖。圖30是表示本發明的第九實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板的金屬層及散熱器的添加元素(Ge)的濃度分布的說明圖。圖31是本發明的其他實施方式的使用帶散熱器的功率模塊用基板的功率模塊的簡要說明圖。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。首先，利用圖1 圖6說明本發明的第一實施方式。圖1所示的功率模塊1具備有功率模塊用基板10，配設有電路層12 ；半導體晶片3，通過焊層2接合於電路層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之間設置有M鍍層(未圖示)。功率模塊用基板10具備有陶瓷基板11 ；電路層12，配設於該陶瓷基板11的一面(在圖1中為上表面)；及金屬層13，配設於陶瓷基板11的另一面(在圖1中為下表面)。陶瓷基板11是防止電路層12與金屬層13之間的電連接的基板，由絕緣性高的AlN(氮化鋁)構成。並且，陶瓷基板11的厚度設定在0. 2 1. 5mm的範圍內，在本實施方式中設定為0. 635mm。另外，如圖1所示，在本實施方式中，陶瓷基板11的寬度(圖1的左右方向長度)設定為寬於電路層12及金屬層13的寬度。電路層12通過在陶瓷基板11的一面接合具有導電性的金屬板22而形成。在本實施方式中，形成電路層12的金屬板22是純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)軋制板。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，形成金屬層13的金屬板23是純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)軋制板。散熱器4用於冷卻上述功率模塊用基板10。該散熱器4具備有頂板部5，與功率模塊用基板10相接合；及流路6，用於使冷卻介質(例如冷卻水)流通。散熱器4的頂板部5優選由熱傳導性良好的材質構成，在本實施方式中，由A6063(鋁合金)構成。並且，在本實施方式中，散熱器4的頂板部5與金屬層13之間設置有緩衝層15。該緩衝層15由鋁或鋁合金或者含有鋁的複合材料(例如AlSiC等)構成。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中，在電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中，除了 Ag之外，還固溶有選自Si、Ge、Mg、Ca、( 及Li中的一種或兩種以上的元素作為添加元素。在電路層12及金屬層13的接合界面30的附近處形成有Ag和選自Zn、Ge、Mg、CaWa及Li中的一種或兩種以上的元素濃度隨著從接合界面30沿層壓方向離開而逐漸降低的濃度傾斜層33。電路層12及金屬層13的接合界面30附近的Ag濃度及選自Zn、Ge、Mg、Ca、(ia及Li中的一種或兩種以上的元素的總計濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下的範圍內。在本實施方式中，除了 Ag之外還固溶有Ge作為添加元素，且電路層12及金屬層13的接合界面30附近的Ag濃度和Ge濃度的總計設定在0. 05質量％以上10質量％以下。另外，電路層12及金屬層13的接合界面30附近的Ag濃度及Ge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位置進行5點測定的平均值。並且，圖2的圖表是在電路層12 (金屬板2 及金屬層13 (金屬板23)的中央部分在層壓方向上進行線性分析，並將所述50 μ m位置處的濃度作為基準而求出的圖表。並且，在透射電子顯微鏡中觀察陶瓷基板11與電路層12(金屬板2 及金屬層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Ag的Ag高濃度部32。在該Ag高濃度部32中，Ag濃度是電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的Ag濃度的2倍以上。另外，該Ag高濃度部32的厚度H為4nm以下。進而，在該Ag高濃度部32中，氧濃度比陶瓷基板11中的氧濃度高。另外，如圖3所示，在此觀察的接合界面30中，將電路層12(金屬板2 及金屬層13(金屬板23)的晶格像的界面側端部與陶瓷基板11的晶格像的接合界面側端部之間的中央設為基準面S。並且，電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的Ag濃度是指，距離電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的接合界面30 —定距離(本實施方式中為5nm以上)的那部分(圖3中A點)的Ag濃度。並且，陶瓷基板11中的氧濃度是指，距離陶瓷基板11中的接合界面30 —定距離(本實施方式中為5nm以上)的那部分(圖3中C點)的晶粒內的氧濃度。並且，通過能量分散型X射線分析法(EDS)分析該接合界面30(圖3中B點)時的Al、Ag、0、N的質量比為Al Ag 0 N = 50 90質量％ 1 30質量％ 1 10質量％ 25質量％以下。進行基於EDS的分析時的斑點直徑為1 4nm。在多個點(例如在本實施方式中為20個點)測定接合界面30，算出其平均值。而且，沒有將構成電路層12和金屬層13的金屬板22、23的晶界與陶瓷基板11的接合界面30作為測定對象，僅將構成電路層12和金屬層13的金屬板22、23的晶粒與陶瓷基板11的接合界面30作為測定對象。以下，參照圖4至圖6對本發明第一實施方式的功率模塊用基板10的製造方法進行說明。(固著工序S01)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Ag和選自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一種或兩種以上的元素作為添加元素，形成固著層對、25。在此，在本實施方式中，使用Ag和Ge作為添加元素。固著層M、25中的Ag量設定在0. 01mg/cm2以上10mg/cm2以下。Ge量設定在0. 01mg/cm2以上10mg/cm2以下。(層壓工序SO2)接著，如圖5所示，將金屬板22層壓在陶瓷基板11的一面側。並且，將金屬板23層壓在陶瓷基板11的另一面側。此時，如圖5及圖6所示，以金屬板22、23中形成有固著層M、25的面朝向陶瓷基板11的方式層壓。即，在金屬板22與陶瓷基板11之間介入有固著層M (Ag及Ge)，金屬板23與陶瓷基板11之間介入有固著層25 (Ag及Ge)。如此形成層壓體20。(加熱工序S03)接著，將在層壓工序S02中形成的層壓體20以向其層壓方向加壓(壓力為1 35kgf/cm2)的狀態下裝入真空加熱爐內進行加熱。由此，如圖6所示，在金屬板22與陶瓷基板11的界面形成熔融金屬區域沈，在金屬板23與陶瓷基板11的界面形成熔融金屬區域27。如圖6所示，該熔融金屬區域沈、27是通過如下而形成的固著層M、25的Ag及Ge向金屬板22、23擴散，從而金屬板22、23的固著層M、25附近的Ag濃度及Ge濃度上升，熔點降低，由此來形成熔融金屬區域沈、27。另外，上述壓力不到lkgf/cm2時，有可能無法良好地進行陶瓷基板11與金屬板22、23的接合。並且，上述壓力超過35kgf/cm2時，金屬板22、23有可能變形。從而，上述加壓壓力優選設在1 35kgf/cm2的範圍內。在此，本實施方式中，真空加熱爐內的壓力設定在10_3 的範圍內，加熱溫度設定在550°C以上650°C以下的範圍內。(凝固工序S04)接著，在形成有熔融金屬區域沈、27的狀態下將溫度保持為恆定。這樣，熔融金屬區域沈、27中的Ag及Ge進一步向金屬板22、23側擴散。由此，曾為熔融金屬區域沈、27的部分的Ag濃度及Ge濃度逐漸降低，熔點上升，在將溫度保持為恆定的狀態下進行凝固。即，陶瓷基板11和金屬板22、23通過所謂擴散接合(Transient Liquid Phase DiffusionBonding)而接合。如此，進行凝固之後冷卻至常溫。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，製造出本實施方式的功率模塊用基板10。在如以上構成的本實施方式的功率模塊用基板10及功率模塊1中，由於具備有在金屬板22、23的接合面固著Ag及Ge的固著工序S01，所以在金屬板22、23與陶瓷基板11的接合界面30介入有Ag及Ge。在此，由於Ag及Ge為降低鋁的熔點的元素，因此在較低溫的條件下，也能夠在金屬板與陶瓷基板的界面形成熔融金屬區域。進而，通過固著層M、25的Ag及Ge向金屬板22、23擴散來接合陶瓷基板11與電路層12 (金屬板2 及金屬層13 (金屬板2 ，因此即使在較低溫、短時間的接合條件下接合，也能夠牢固接合陶瓷基板11與金屬板22、23。並且，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中，在電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)固溶有Ag及Ge。而且，電路層12及金屬層13的各接合界面30側的Ag及Ge總計濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下。因此，電路層12 (金屬板2 及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30側的部分固溶強化，能夠防止電路層12(金屬板2 及金屬層13(金屬板23)中的龜裂的產生。並且，在加熱工序S03中Ag及Ge充分向金屬板22、23側擴散，以牢固接合金屬板22、23和陶瓷基板11。另外，在本實施方式中，陶瓷基板11由AlN構成，成為電路層12和金屬層13的在金屬板22、23與陶瓷基板11的接合界面30形成有濃縮Ag的Ag高濃度部32。該Ag高濃度部32的Ag濃度成為電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)中的Ag濃度的2倍以上，因此能夠通過存在於界面附近的Ag原子實現陶瓷基板與金屬板的接合強度的提高。另外，該Ag高濃度部32的厚度為4nm以下，因此能抑制通過負荷熱循環時的應力導致在Ag高濃度部32中產生裂紋。進而，本實施方式中通過能量分散型X射線分析法分析接合界面30時的Al、Ag、0、N的質量比為Al Ag 0 N = 50 90質量％ 1 30質量％ 1 10質量％ 25質量％以下，因此能夠防止在接合界面30中Al與Ag的反應產物生成過多而阻礙接合的題，同時可以充分起到由於Ag原子實現的接合強度的提高效果。並且，防止接合界面30中存在厚的氧濃度高的部分，可抑制負荷熱循環時的裂紋的產生。並且，無需在金屬板的接合面使用製造困難的Al-Si系的釺料箔，能夠以低成本製造功率模塊用基板10。進而，無需進行釺料箔的對位作業等，就能夠切實接合陶瓷基板11與金屬板22、23。從而，能夠有效製造出該功率模塊用基板10。而且，由於在金屬板22、23的接合面形成有固著層對、25，由此介入於金屬板22、23與陶瓷基板11的界面的氧化被膜只存在於金屬板22、23的表面，因此能夠提高初始接合的合格率。接著，參照圖7至圖11對本發明的第二實施方式進行說明。圖7所示的功率模塊101具備有功率模塊用基板110，配設有電路層112 ；半導體晶片3，通過焊層2接合於電路層112的表面；及散熱器140。
15
功率模塊用基板110具備有陶瓷基板111 ；電路層112，配設於該陶瓷基板111的一面(在圖7中為上表面)；及金屬層113，配設於陶瓷基板111的另一面(在圖7中為下表面)。陶瓷基板111由絕緣性高的A1203 (氧化鋁)構成。並且，陶瓷基板111的厚度設定在0. 2 1. 5mm的範圍內，在本實施方式中設定為0. 635mm。電路層112通過在陶瓷基板111的一面接合具有導電性的第一金屬板122而形成。金屬層113通過在陶瓷基板111的另一面接合第二金屬板123而形成。在本實施方式中，第一金屬板122和第二金屬板123是純度為99. 99%以上的鋁軋制板。散熱器140用於冷卻所述功率模塊用基板110。該散熱器140具備有頂板部141，與功率模塊用基板110相接合；及流路142，用於使冷卻介質流通。散熱器140的頂板部141優選由熱傳導性良好的材質構成，在本實施方式中，由A6063(鋁合金)構成。在本實施方式中，散熱器140的頂板部141與金屬層113之間設置有緩衝層115，該緩衝層115由鋁或鋁合金或者含有鋁的複合材料(例如AlSiC等)構成。而且，如圖8所示，在陶瓷基板111與電路層112(金屬板122)及金屬層113(金屬板123)的接合界面130中，在電路層112(金屬板122)及金屬層113 (金屬板123)中，固溶有Ag。具體來講，在電路層112及金屬層113的接合界面130的附近處形成有Ag濃度隨著從接合界面130向層壓方向離開而逐漸降低的濃度傾斜層133。在此，電路層112及金屬層113的接合界面130附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下。另外，電路層112及金屬層113的接合界面130附近的Ag濃度是通過EPMA分析(斑點直徑30 μ m)在距離接合界面130的50 μ m位置進行5點測定的平均值。並且，圖8的圖表是在電路層112(金屬板12 及金屬層113(金屬板12 的中央部分在層壓方向上進行線性分析，並將所述50 μ m位置處的濃度作為基準而求出的圖表。並且，在透射電子顯微鏡中觀察陶瓷基板111與電路層112(金屬板122)及金屬層113 (金屬板123)的接合界面130時，如圖9所示，在接合界面130形成有濃縮Ag的Ag高濃度部132。在該Ag高濃度部132中，Ag濃度是電路層112(金屬板122)及金屬層113(金屬板123)中的Ag濃度的2倍以上。另外，該Ag高濃度部132的厚度H為4nm以下。另外，如圖9所示，在此觀察的接合界面130中，將電路層112(金屬板122)及金屬層113(金屬板12 的晶格像的界面側端部與陶瓷基板111的晶格像的接合界面側端部之間的中央設為基準面S。並且，電路層112(金屬板122)及金屬層113(金屬板123)中的Ag濃度是指，距離電路層112(金屬板122)及金屬層113(金屬板123)中的接合界面130一定距離(本實施方式中為5nm以上)的部分的Ag濃度。並且，通過能量分散型X射線分析法(EDS)分析該接合界面130時的Al、Ag、0的質量比為Al Ag 0 = 50 90質量％ 1 30質量％ 45質量％以下。另外，進行基於EDS的分析時的斑點直徑為1 4nm。在多個點(例如在本實施方式中為20個點)測定接合界面130，算出其平均值。而且，沒有將構成電路層112和金屬層113的金屬板122、123的晶界與陶瓷基板111的接合界面130作為測定對象，僅將構成電路層112和金屬層113的金屬板122、123的晶粒與陶瓷基板111的接合界面130作為測定對象。以下，參照圖10及圖11對上述構成的功率模塊用基板的製造方法進行說明。(Ag漿料塗布工序S101)首先，如圖11所示，通過網版印刷在陶瓷基板111的一面及另一面塗布Ag漿料，形成Ag漿料層12^、125a。另外，Ag漿料層12如、125a的厚度乾燥後約為0. 02 200 μ m。將該Ag漿料層lMa、12fe加熱至150 200°C除去溶劑之後，在300 500°C下進行燒成，對分解Ag漿料層進行燒成。在此使用的Ag漿料含有Ag粉末、樹脂、溶劑和分散劑。而且，Ag粉末的含量為Ag漿料整體的60質量％以上90質量％以下，剩餘部分為樹脂、溶劑和分散劑。另外，Ag粉末的含量設為Ag漿料整體的85質量％。並且，本實施方式中，Ag漿料的粘度調整為10 · s以上500Pa · s以下，更優選調整為501 · s以上300Pa · s以下。Ag粉末的粒徑為0.05μπι以上1. 0 μ m以下，本實施方式中使用平均粒徑為0. 8μπι的Ag粉末。溶劑適合沸點為200°C以上的溶劑，例如可以使用α-萜品醇、丁基卡必醇乙酸
酯、二甘醇二丁醚等。並且，本實施方式中，使用二甘醇二丁醚。樹脂是調整Ag漿料粘度，適合在500°C以上分解的樹脂。例如，可以適用丙烯酸樹脂、醇酸樹脂等。本實施方式中使用乙基纖維素。另外，本實施方式中添加二羧酸類的分散劑。而且，也可以不添加分散劑來構成Ag漿料。(層壓工序S102)接著，將金屬板122層壓在陶瓷基板111的一面側。並且，將金屬板123層壓在陶瓷基板111的另一面側。(加熱工序S103)接著，將金屬板122、陶瓷基板111和金屬板123在層壓方向加壓(壓力為1 35kgf/cm2)的狀態下裝入真空加熱爐內進行加熱。此時，在升溫過程中，在400 500°C的時點除去分解Ag漿料層內的樹脂，形成Ag燒成層124、125。該Ag燒成層1M、125形成本實施方式中的Ag固著層。而且，通過進一步加熱，Ag燒成層124、125的Ag向著金屬板122、123擴散，在金屬板122、123與陶瓷基板111的界面分別形成熔融金屬區域。在此，本實施方式中，真空加熱爐內的壓力設定在10』a以上10_3Pa以下，加熱溫度設定在600°C以上650°C以下。(凝固工序S104)接著，在形成有熔融金屬區域的狀態下將溫度保持為恆定，熔融金屬區域中的Ag進一步向金屬板122、123擴散。由此，曾為熔融金屬區域的部分的Ag濃度逐漸降低，熔點上升，在溫度保持為恆定的狀態下進行凝固。即，陶瓷基板111與金屬板122、123通過所謂擴散接合CTransient Liquid Phase Diffusion Bonding)而接合。如此，進行凝固之後冷
卻至常溫。如此，製造出功率模塊用基板110。在成為如以上構成的本實施方式的功率模塊用基板110和功率模塊101中，陶瓷基板111與電路層112(金屬板122)使形成在陶瓷基板111的一面的Ag燒成層124的Ag向著金屬板122擴散而接合。另外，陶瓷基板111與金屬層113(金屬板12 使形成在陶瓷基板111的另一面的Ag燒成層125的Ag向著金屬板123擴散而接合。因此，即使在比較低溫、短時間的接合條件下接合，也能夠牢固接合陶瓷基板111與金屬板122、123。另外，在陶瓷基板111與電路層112的接合界面及陶瓷基板111與金屬層113的接合界面130中，電路層112及金屬層113中固溶有Ag。於是，電路層112及金屬層113的各自的接合界面130側的Ag濃度設定為0. 05質量％以上10質量％以下，由此，電路層112及金屬層113的接合界面130側的部分固溶強化，可以防止電路層112及金屬層113中的龜裂的產生。另外，在本實施方式中，陶瓷基板111由Al2O3構成，在成為電路層112和金屬層113的金屬板122、123與陶瓷基板111的接合界面130形成有濃縮Ag的Ag高濃度部132。而且，該Ag高濃度部132的Ag濃度成為電路層112及金屬層113中的Ag濃度的2倍以上，因此能夠通過存在於界面附近的^Vg原子實現陶瓷基板和金屬板的接合強度的提高。另外，該Ag高濃度部132的厚度為4nm以下，因此能抑制通過負荷熱循環時的應力導致在Ag高濃度部132中產生裂紋。進而，本實施方式中通過能量分散型X射線分析法分析該接合界面130時的Al、Ag、0的質量比為Al Ag 0 = 50 90質量％ 1 30質量％ 45質量％以下，因此能夠防止在接合界面130中Al與Ag的反應產物生成過多而阻礙接合的問題。另外，可以充分起到基於Ag原子的接合強度的提高效果。另外，本實施方式中，將燒成Ag漿料層12如、125a的Ag燒成層124、125作為Ag固著層，因此可以在陶瓷基板111與金屬板122、123之間切實地介入Ag。另外，該Ag漿料即使在大氣氣氛中加熱而燒成也不會使Ag氧化，因此可以比較容易地形成Ag燒成層124、125。接著，參照圖12至圖17對本發明的第三實施方式進行說明。圖12所示的功率模塊201具備有功率模塊用基板210，配設有電路層212 ；半導體晶片3，通過焊層2接合於電路層212的表面；及散熱器M0。功率模塊用基板210具備有陶瓷基板211 ；電路層212，配設於該陶瓷基板211的一面(在圖12中為上表面)；及金屬層213，配設於陶瓷基板211的另一面(在圖12中為下表面)。陶瓷基板211由絕緣性高的Si3N4(氮化矽)構成。並且，陶瓷基板211的厚度設定在0. 2 1. 5mm的範圍內，在本實施方式中設定為0. 32mm。電路層212通過在陶瓷基板211的一面接合具有導電性的第一金屬板222而形成。金屬層213通過在陶瓷基板211的另一面接合第二金屬板223而形成。在本實施方式中，第一金屬板222和第二金屬板223是純度為99. 99 %以上的鋁軋制板。本實施方式的散熱器240具備有頂板部M1，與功率模塊用基板210相接合；底板部M5，與該頂板部241相對配置；及波紋狀散熱片M6，介入在頂板部241與底板部245之間而安裝。通過頂板部Ml、底板部245和波紋狀散熱片246分成流通冷卻介質的流路242。該散熱器240通過頂板部241與波紋狀散熱片M6、波紋狀散熱片246與底板部245分別被釺焊而形成。本實施方式中，如圖17所示，頂板部241及底板部對5由層壓鋁板構成，該層壓鋁板層壓基材層M1A、245A和由熔點低於基材層M1A、245A的材料構成的接合層M1B、245B而成，以接合層M1B、245B向著波紋狀散熱片246側的方式配設頂板部241及底板部M5。本實施方式中，基材層M1A、245A由A3003合金構成，接合層M1B、245B由A4045合金構成。如圖13所示，在陶瓷基板211與電路層212(金屬板222)及金屬層213(金屬板223)的接合界面230，電路層212(金屬板22 及金屬層213 (金屬板22 中固溶有Ag。具體來講，在電路層212及金屬層213的接合界面230的附近處形成有Ag濃度隨著從接合界面230向層壓方向離開而逐漸降低的濃度傾斜層233。在此，電路層212及金屬層213的接合界面230附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下。電路層212及金屬層213的接合界面230附近的Ag濃度是通過EPMA分析(斑點直徑30μπι)在距離接合界面230的50 μ m位置進行5點測定的平均值。圖13的圖表是在電路層212(金屬板22 及金屬層213(金屬板22 的中央部分在層壓方向上進行線性分析，並將所述50 μ m位置處的濃度作為基準而求出的圖表。在透射電子顯微鏡中觀察陶瓷基板211與電路層212(金屬板22 及金屬層213(金屬板223)的接合界面230時，如圖14所示，在接合界面230形成有濃縮Ag的Ag高濃度部232。在該Ag高濃度部232中，Ag濃度為電路層212 (金屬板222)及金屬層213 (金屬板223)中的Ag濃度的2倍以上。另外，該Ag高濃度部232的厚度H為4nm以下。進而，在該Ag高濃度部232中，氧濃度比陶瓷基板211中的氧濃度高。另外，如圖14所示，在此觀察的接合界面230中，將電路層212(金屬板22 及金屬層213(金屬板22 的晶格像的界面側端部與陶瓷基板211的晶格像的接合界面側端部之間的中央設為基準面S。並且，電路層212(金屬板222)及金屬層213(金屬板223)中的Ag濃度是指，距離電路層212(金屬板222)及金屬層213(金屬板223)中的接合界面230一定距離(本實施方式中為5nm以上)的部分的Ag濃度。並且，陶瓷基板211中的氧濃度是指，距離陶瓷基板211中的接合界面230 —定距離(本實施方式中為5nm以上)的部分的晶粒內的氧濃度。並且，通過能量分散型X射線分析法(EDS)分析該接合界面230時的Al、Si、Ag、0、N的質量比為Al Si Ag 0 N = 15 45質量％ 15 45質量％ 1 30質量％ 1 10質量％ 25質量％以下。進行基於EDS的分析時的斑點直徑為1 4nm。在多個點(例如在本實施方式中為20個點)測定接合界面230，算出其平均值。而且，沒有將構成電路層212和金屬層213的金屬板222、223的晶界與陶瓷基板211的接合界面230作為測定對象，僅將構成電路層212和金屬層213的金屬板222、223的晶粒與陶瓷基板211的接合界面230作為測定對象。以下，參照圖15及圖17對上述構成的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法進行說明。(Ag漿料塗布工序S2Ol)
首先，如圖16所示，通過噴槍或噴墨印刷在陶瓷基板211的一面及另一面塗布Ag漿料，形成細漿料層22^、225a。Ag漿料層22^、225a的厚度乾燥後約為0. 02 200 μ m。
在此使用的Ag漿料含有Ag粉末、溶劑和分散劑。Ag粉末的含量為Ag漿料整體的60質量％以上90質量％以下，剩餘部分為溶劑和分散劑。本實施方式中，Ag粉末的含量設為Ag漿料整體的85質量％。本實施方式中，Ag漿料的粘度調整為10 · s以上500Pa · s以下，更優選調整為50Pa · s 以上 300Pa · s 以下。Ag粉末的粒徑為0.02 μ m以上0.04 μ m以下，本實施方式中使用平均粒徑為0. 03μπι 的 Ag 粉末。溶劑適合沸點為200°C以上的溶劑。例如可以使用α-萜品醇、丁基卡必醇乙酸
酯、二甘醇二丁醚等。本實施方式中，使用二甘醇二丁醚。另外，本實施方式中添加二羧酸類的分散劑。而且，也可以不添加分散劑來構成Ag漿料。(Ag漿料燒成工序S2O2)接著，將形成有Ag漿料層22^、225a的陶瓷基板211在大氣氣氛下加熱至150 2000C，形成Ag燒成層224、225。本實施方式中，該Ag燒成層224、225形成Ag固著層。(層壓工序S2O3)接著，將金屬板222層壓在陶瓷基板211的一面側。並且，將金屬板223層壓在陶瓷基板211的另一面側。(加熱工序S204)接著，將金屬板222、陶瓷基板211和金屬板223在層壓方向加壓(壓力為1 35kgf/cm2)的狀態下裝入真空加熱爐內進行加熱。這樣，通過Ag燒成層224、225的Ag向著金屬板222、223擴散，在金屬板222、223與陶瓷基板211的界面形成熔融金屬區域。在此，本實施方式中，真空加熱爐內的壓力設定在10』a以上10_3Pa以下，加熱溫度設定在600°C以上650°C以下。(凝固工序S2O5)接著，在形成有熔融金屬區域的狀態下將溫度保持為恆定，熔融金屬區域中的Ag向金屬板222、223擴散。由此，曾為熔融金屬區域的部分的Ag濃度逐漸降低，熔點上升，在溫度保持為恆定的狀態下進行凝固。即，陶瓷基板211與金屬板222、223通過所謂擴散接合CTransient Liquid Phase Diffusion Bonding)而接合。如此，進行凝固之後冷卻至常如此，製造出功率模塊用基板210。(散熱器層壓工序S206)接著，在功率模塊用基板210的金屬層213的另一面側，層壓頂板部Ml、波紋狀散熱片246和底板部對5。此時，在金屬層213與頂板部241之間介入Ag固著層226。本實施方式中，Ag固著層2 通過濺射、電鍍併網版印刷Ag漿料形成在金屬層213的另一面。另外，以頂板部Ml的接合層MlB及底板部M5的接合層M5B向著波紋狀散熱片246側的方式層壓頂板部241及底板部M5。(散熱器加熱工序S207)
接著，在層壓方向上對被層壓的功率模塊用基板210、頂板部Ml、波紋狀散熱片246及底板部245進行加壓(壓力1 35kgf/cm2)的狀態下，裝入到氣氛加熱爐內進行加熱。通過Ag固著層226的Ag向著金屬層213和頂板部241擴散，在金屬層213與散熱器240的頂板部241之間形成熔融金屬區域。同時，頂板部241與波紋狀散熱片M6、底板部245與波紋狀散熱片246之間通過熔融接合層M1B、245B形成熔融金屬區域。在此，本實施方式中，氣氛加熱爐內為氮氣氣氛，加熱溫度設定為550°C以上630°C以下的範圍內。(熔融金屬凝固工序S208)通過進行冷卻，形成在金屬層213和散熱器MO的頂板部241之間的熔融金屬區域凝固，接合金屬層213和頂板部Ml。另外，形成在頂板部241與波紋狀散熱片M6、底板部245與波紋狀散熱片246之間的熔融金屬區域凝固，接合頂板部241與波紋狀散熱片M6、底板部245與波紋狀散熱片M6。由此，頂板部Ml、波紋狀散熱片246和底板部245被釺焊而形成散熱器M0。接合該散熱器240與功率模塊用基板210來製造帶散熱器的功率模塊用基板。在成為如以上構成的本實施方式的功率模塊用基板210和功率模塊201中，陶瓷基板211與電路層212(金屬板222)及金屬層213 (金屬板223)使形成在陶瓷基板211的一面及另一面的Ag燒成層224、225的Ag向著金屬板222、223擴散而接合，因此即使在比較低溫、短時間的接合條件下，也能夠牢固接合陶瓷基板211與金屬板222、223。另外，在本實施方式中，在成為電路層212和金屬層213的金屬板222、223與陶瓷基板211的接合界面230上形成有濃縮Ag的Ag高濃度部232。而且，該Ag高濃度部232的Ag濃度成為電路層212及金屬層213中的Ag濃度的2倍以上。因此，能夠通過存在於界面附近的Ag原子實現陶瓷基板211與金屬板222、223的接合強度的提高。另外，該Ag高濃度部232的厚度為4nm以下，因此可抑制通過負荷熱循環時的應力導致在Ag高濃度部232中產生裂紋。進而，本實施方式中通過能量分散型X射線分析法分析接合界面230時的Al、Si、Ag、0、N的質量比為Al Si Ag 0 N = 15 45質量％ 15 45質量％ 1 30質量％ 1 10質量25質量％以下，因此能夠防止在接合界面230中Al與Ag的反應產物生成過多而阻礙接合的問題。另外，可以充分起到基於Ag原子的接合強度的提高效果。並且，防止接合界面230中存在厚的氧濃度高的部分，可抑制負荷熱循環時的裂紋的產生。另外，本實施方式中，將燒成Ag漿料層22^、225a的Ag燒成層2M、225作為Ag固著層，因此可以在陶瓷基板211與金屬板222、223之間切實地介入Ag。另外，該Ag漿料即使在大氣氣氛中加熱而燒成也不會使Ag氧化，因此可以比較容易地形成Ag燒成層224、225。而且，本實施方式中，使用粒徑為0. 02 μ m以上0. 04 μ m以下的Ag粒子，並使用不含有樹脂的Ag漿料，因此能夠在200°C左右的低溫下對Ag漿料層22如、22如進行燒成形成Ag 燒成層 224、225。接著，參照圖18至圖22對本發明的第四實施方式進行說明。圖18所示的功率模塊301具備有功率模塊用基板310，配設有電路層312 ；半導體晶片3，通過焊層2接合於電路層312的表面；及散熱器340。功率模塊用基板310具備有陶瓷基板311 ；電路層312，配設於該陶瓷基板311的一面(在圖18中為上表面)；及金屬層313，配設於陶瓷基板311的另一面(在圖18中為下表面)。陶瓷基板311由絕緣性高的AlN(氮化鋁)構成。並且，陶瓷基板311的厚度設定在0. 2 1. 5mm的範圍內，在本實施方式中設定為0. 635mm。電路層312通過在陶瓷基板311的一面接合具有導電性的第一金屬板322而形成。金屬層313通過在陶瓷基板311的另一面接合第二金屬板323而形成。在本實施方式中，第一金屬板322和第二金屬板323是純度為99. 99 %以上的鋁軋制板。散熱器340用於冷卻所述功率模塊用基板310。該散熱器340具備有頂板部341，與功率模塊用基板310相接合；及流路342，用於使冷卻介質(例如冷卻水)流通。散熱器340的頂板部341優選由熱傳導性良好的材質構成，在本實施方式中，由A6063 (鋁合金)構成。而且，在第二金屬板323 (金屬層31 與散熱器340的接合界面330中，在金屬層313(第二金屬板323)與散熱器340中固溶有Ag。具體來講，如圖19所示，在金屬層313與散熱器340的接合界面330的附近處形成有Ag濃度隨著從接合界面330向層壓方向離開而逐漸降低的濃度傾斜層333、334。在此，金屬層313與散熱器340的接合界面330附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上10質
量％以下。金屬層313與散熱器340的接合界面330附近的Ag濃度是通過EPMA分析(斑點直徑30 μ m)在距離接合界面330的50 μ m位置進行5點測定的平均值。並且，圖19的圖表是在金屬層313(金屬板32 和散熱器340(頂板部341)的寬度中央部分在層壓方向上進行線性分析，並將所述50 μ m位置處的濃度作為基準而求出的圖表。以下，參照圖20至圖22對上述構成的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法進行說明。(Ag層形成工序S301/固著工序S311)首先，如圖21所示，通過濺射在形成電路層312的第一金屬板322的一面固著Ag而形成第一 Ag層324。通過濺射在形成金屬層313的第二金屬板323的一面固著Ag而形成第二 Ag層325 (固著工序S311)。進而，通過濺射在形成金屬層313的第二金屬板323的另一面固著Ag而形成Ag層幻6 (Ag層形成工序S301)。在此，本實施方式中，第一 Ag層324、第二 Ag層325及Ag層3 中的Ag量設定為0. 01mg/cm2 以上 10mg/cm2 以下。(散熱器層壓工序S302/陶瓷基板層壓工序S312)接著，如圖21所示，在陶瓷基板311的一面側層壓第一金屬板322。另外，在陶瓷基板311的另一面側層壓第二金屬板323(陶瓷基板層壓工序S312)。此時，如圖21所示，以第一金屬板322的形成有第一 Ag層324的面、第二金屬板323的形成有第二 Ag層325的面向著陶瓷基板311的方式層壓第一金屬板322和第二金屬板323。進而，在第二金屬板323的另一面側，層壓散熱器340 (散熱器層壓工序S3(^)。此時，如圖21所示，以第二金屬板323的形成有Ag層326的面向著散熱器340的方式層壓第二金屬板323與散熱器；340。S卩，使第一 Ag層3M介入於第一金屬板322與陶瓷基板311之間，使第二 Ag層325介入於第二金屬板323與陶瓷基板311之間，使Ag層3 介入於第二金屬板323與散熱器340之間。(散熱器加熱工序S303/陶瓷基板加熱工序S313)接著，在層壓方向上對第一金屬板322、陶瓷基板311、第二金屬板323和散熱器340進行加壓(壓力1 35kgf/cm2)的狀態下裝入真空加熱爐內進行加熱。通過第一 Ag層324的Ag向著第一金屬板322擴散，在第一金屬板322與陶瓷基板311的界面形成第一熔融金屬區域327。通過第二 Ag層325的Ag向著第二金屬板323擴散，在第二金屬板323與陶瓷基板311的界面形成第二熔融金屬區域328。(陶瓷基板加熱工序S313)另外，同時在第二金屬板323與散熱器340之間形成熔融金屬區域3 (散熱器加熱工序S303)。如圖22所示，熔融金屬區域3 通過Ag層326的Ag向著第二金屬板323和散熱器340擴散，第二金屬板323和散熱器340的Ag層326附近的Ag濃度上升並熔點降低來形成。本實施方式中，真空加熱爐內的壓力設定為10_6Pa以上10』a以下，加熱溫度設定為600°C以上650°C以下。(熔融金屬凝固工序S304/第一熔融金屬及第二熔融金屬凝固工序S314)接著，在形成有熔融金屬區域3 的狀態下將溫度保持為一定。這樣，熔融金屬區域329中的Ag進一步向著第二金屬板323和散熱器340擴散。由此，曾為熔融金屬區域329的部分的^Vg濃度漸漸降低，熔點上升，並在將溫度保持為一定的狀態下進行凝固。艮口，散熱器340與第二金屬板323通過所謂擴散接合(Transient Liquid Phase DiffusionBonding)而接合。同樣地，第一熔融金屬區域327中的Ag進一步向著第一金屬板322擴散。另外，第二熔融金屬區域328中的Ag進一步向著第二金屬板323擴散。這樣，曾為第一熔融金屬區域327、第二熔融金屬區域328的部分的Ag濃度漸漸降低，熔點上升，將溫度保持為一定的狀態下進行凝固。由此，接合陶瓷基板311與第一金屬板322、陶瓷基板311與第二金屬板323。即，陶瓷基板311與第一金屬板322和第二金屬板323通過所謂擴散接合(TransientLiquid Phase Diffusion Bonding)而接合。如此進行凝固之後，冷卻至常溫。如上所述，接合形成電路層312的第一金屬板322與陶瓷基板311。接合形成金屬層313的第二金屬板323與陶瓷基板311。接合第二金屬板323與散熱器340。由此，製造本實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板。如上所述構成的本實施方式中，在第二金屬板323與散熱器340的接合界面330中介入有Ag。該Ag為降低Al的熔點的元素，因此可以在較低溫條件下，在散熱器340與第二金屬板323的界面形成熔融金屬區域329。由此，即使在比較低溫、短時間的接合條件下接合，也能夠牢固地接合散熱器340與第二金屬板323。而且，本實施方式在第一金屬板322與陶瓷基板311的接合界面、第二金屬板323與陶瓷基板311的接合界面也有Ag介入，因此能夠牢固地接合陶瓷基板311與第一金屬板322、陶瓷基板311與第二金屬板323。進而，通過使形成在第二金屬板323的接合面的Ag層326的Ag向著第二金屬板323和散熱器340擴散來接合散熱器340與第二金屬板323 (金屬層31 ，因此在較低溫、短時間的接合條件下接合，也能夠牢固地接合散熱器340與第二金屬板323。而且，本實施方式中，通過使形成在第一金屬板322、第二金屬板323的接合面的第一 Ag層324、第二 Ag層325的Ag向著第一金屬板322、第二金屬板323擴散來接合陶瓷基板311與第一金屬板322 (電路層312)及第二金屬板323 (金屬層313)，因此即使在較低溫、短時間的接合條件下接合，也能夠牢固地接合陶瓷基板311與第一金屬板322(電路層312)及第二金屬板323 (金屬層313)。進而，在散熱器340與第二金屬板323的接合、以及陶瓷基板311與第一金屬板322及第二金屬板323的接合中不使用釺料箔，因此無需進行釺料箔的對位操作等。因此，能夠以低成本效率良好地制出本實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板。而且，本實施方式中，同時進行陶瓷基板311與第一金屬板322及第二金屬板323的接合、以及第二金屬板323與散熱器340的接合，因此可以大幅削減它們的接合所需的成本。而且，對陶瓷基板311無需進行反覆加熱、冷卻來完成，因此可以實現該帶散熱器的功率模塊用基板的翹曲的減少。進而，Ag層形成工序S301中，通過濺射在第二金屬板323的接合面固著Ag來形成Ag層326，因此能夠在散熱器340與第二金屬板323之間切實地介入Ag。而且，可以精度良好地調整Ag的固著量，切實地形成熔融金屬區域329，能夠牢固地接合散熱器340與第二金屬板323。而且，本實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板中，在散熱器340與第二金屬板323(金屬層31 的接合界面330中，第二金屬板323 (金屬層31 和散熱器340固溶有Ag，第二金屬板323 (金屬層313)及散熱器340的各自的接合界面330側的Ag濃度設定為0. 05質量％以上10質量％以下。由此，第二金屬板323 (金屬層31 和散熱器340的接合界面330側的部分固溶強化，可以防止第二金屬板323(金屬層31 和散熱器340中的龜裂的產生。由此，可以提供可靠性高的帶散熱器的功率模塊用基板。接著，使用圖23至圖沈說明本發明的第五實施方式。該功率模塊401具備有功率模塊用基板410，配設有電路層412 ；半導體晶片3，通過焊層2接合於電路層412的表面；及散熱器440。功率模塊用基板410具備有陶瓷基板411 ；電路層412，配設於該陶瓷基板411的一面(在圖23中為上表面)；及金屬層413，配設於陶瓷基板411的另一面(在圖23中為下表面)。並且，陶瓷基板411由絕緣性高的AlN(氮化鋁)構成。電路層412通過由純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)軋制板形成的第一金屬板422與陶瓷基板411接合而形成。金屬層413通過由純度為99. 99%以上的鋁(所謂4N鋁)軋制板形成的第二金屬板423與陶瓷基板411接合而形成。 散熱器440用於冷卻上述功率模塊用基板410。散熱器440具備有頂板部441，與功率模塊用基板410相接合；底板部445，與該頂板部441相對配置；及波紋狀散熱片446，介入在頂板部441與底板部445之間而安裝。通過頂板部441、底板部445和波紋狀散熱片446分成流通冷卻介質的流路442。該散熱器440通過頂板部441與波紋狀散熱片446、波紋狀散熱片446與底板部445分別被釺焊而形成。本實施方式中，如圖沈所示，底板部445由層壓鋁板構成，該層壓鋁板層壓基材層445A和由熔點低於基材層445A的材料構成的接合層445B而成。並且，本實施方式中，基材層445A由A3003合金構成，接合層445B由A4045合金構成。而且，在散熱器440的頂板部441與第二金屬板423 (金屬層41 的接合界面，第二金屬板423 (金屬層413)及頂板部441中固溶有Ag。另外，在第一金屬板422(電路層41 與陶瓷基板411的接合界面、及第一金屬板423(金屬層413)及陶瓷基板411的接合界面中固溶有Ag。以下，對上述構成的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法進行說明。(固著層形成工序S401)首先，如圖25所示，通過濺射在形成電路層412的第一金屬板422的一面固著Ag而形成第一 Ag層424。而且，通過濺射在形成金屬層413的第二金屬板423的一面固著Ag而形成第二 Ag層425。進而，在第二金屬板423的另一面通過濺射固著Ag而形成Ag層426。在此，本實施方式中，第一 Ag層424、第二 Ag層425、Ag層似6中的Ag量設定為0. 01mg/cm2 以上 10mg/cm2 以下。(層壓工序S402)接著，在陶瓷基板411的一面側層壓第一金屬板422。在陶瓷基板411的另一面側層壓第二金屬板423。此時，如圖25所示，以第一金屬板422的形成有第一 Ag層4 的面、第二金屬板423的形成有第二 Ag層425的面向著陶瓷基411的方式層壓第一金屬板422及第二金屬板423。進而，在第二金屬板423的形成有Ag層似6的面側層壓配置頂板部441。(加熱工序S403)接著，在層壓方向上對第一金屬板422、陶瓷基板411、第二金屬板423與頂板部441進行加壓(壓力1 35kgf/cm2)的狀態下裝入真空加熱爐內進行加熱。通過第一 Ag層424的Ag向著第一金屬板422擴散，在第一金屬板422與陶瓷基板411的界面形成第一熔融金屬區域427。而且，通過第二 Ag層425的Ag向著第二金屬板423擴散，在第二金屬板423與陶瓷基板411的界面形成第二熔融金屬區域428。進而，通過Ag層426的Ag向著第二金屬板423及頂板部441擴散，在第二金屬板423與頂板部441之間形成熔融金屬區域 429。在此，本實施方式中，真空加熱爐內的壓力設定為10_6Pa以上10_3Pa以下，加熱溫度設定為600°C以上650°C以下。(熔融金屬凝固工序S404)接著，在形成有第一熔融金屬區域427、第二熔融金屬區域428的狀態下將溫度保持為一定。第一熔融金屬區域427中的Ag向著第一金屬板422擴散。第二熔融金屬區域428中的Ag向著第二金屬板423擴散。曾為第一熔融金屬區域427、第二熔融金屬區域4 的部分的Ag濃度漸漸降低，熔點上升，將溫度保持為一定的狀態下進行凝固。由此，接合陶瓷基板411與第一金屬板422及第二金屬板423。而且，在形成有熔融金屬區域4 的狀態下將溫度保持為一定。熔融金屬區域429中的Ag向著第二金屬板423及頂板部441擴散。曾為熔融金屬區域429的部分的Ag濃度漸漸降低，熔點上升，將溫度保持為一定的狀態下進行凝固。由此，接合第二金屬板423與頂板部441。(散熱片層壓工序S405)接著，如圖沈所示，在頂板部441的另一面側層壓釺料箔447(例如、A1-10% Si合金箔等低熔點鋁合金箔)、波紋狀散熱片446和底板部445。此時，以底板部445的接合層445B向著波紋狀散熱片446側的方式層壓底板部445。而且，頂板部441與波紋狀散熱片446、底板部445與波紋狀散熱片446之間介入例如KAlF4為主要成分的焊劑(未圖示)。(釺焊工序S406)接著，在層壓方向上對頂板部441、波紋狀散熱片446和底板部445進行加壓(壓力1 35kgf/cm2)的狀態下，裝入氣氛加熱爐內進行加熱。於是，在頂板部441與波紋狀散熱片446之間形成使釺料箔447熔融而成的熔融金屬層。另外，在底板部445與波紋狀散熱片446之間形成使接合層445B熔融而成的熔融金屬層。在此，本實施方式中，氣體加熱爐內為氮氣氣氛，加熱溫度設定為550°C以上630°C以下的範圍內。通過冷卻，使形成在頂板部441與波紋狀散熱片446之間的熔融金屬層凝固，對頂板部441與波紋狀散熱片446進行釺焊。另外，使形成在底板部445與波紋狀散熱片446之間的熔融金屬層凝固，對底板部445與波紋狀散熱片446進行釺焊。此時，頂板部441、波紋狀散熱片446、底板部445的表面形成有氧化被膜，但通過上述焊劑除去該氧化被膜。由此，製造本實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板。如上所述構成的本實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板、帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法中，在散熱器440的頂板部441與第二金屬板423(金屬層41 之間固著Ag，因此可以通過向著頂板部441和第二金屬板423擴散該Ag來接合散熱器440的頂板部441與功率模塊用基板410，因此即使在較低溫條件下，也能夠切實地接合散熱器440的頂板部441與功率模塊用基板410。以下，參照圖1及圖27說明本發明的第六實施方式。除了固溶在電路層12 (金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)的添加元素不同以外，第六實施方式的功率模塊與第一實施方式相同。因此，省略共同部分的說明，使用圖1及其符號來說明不同點。第六實施方式的功率模塊1，在圖1中，電路層12(金屬板22)與金屬層13(金屬板23)中固溶有總計濃度為0. 01質量％以上5質量％以下的範圍內的選自ai，Ge，Mg，Ca，fei和Li中的一種或兩種以上的添加元素。在電路層12及金屬層13的接合界面30附近，形成有在層壓方向上隨著自接合界面30離開添加元素濃度逐漸降低的濃度傾斜層33。在此，本實施方式中，使用Ge作為添加元素，電路層12及金屬層13的接合界面30附近的Ge濃度設定為0. 01質量％以上5質量％以下。圖27中示出電路層12及金屬層13的添加元素(Ge)的濃度分布。另外，在該接合界面30中觀察到濃縮添加元素(Ge)的添加元素高濃度部。
在該添加元素高濃度部中，添加元素濃度(Ge濃度)為電路層12(金屬板22)及金屬層13(金屬板23)中的添加元素濃度(Ge濃度)的2倍以上。並且，該添加元素高濃度部的厚度H為4nm以下。進而，在添加元素高濃度部中，氧濃度高於陶瓷基板11中的氧濃度。在此，添加元素濃度(Ge濃度)的定義與第一實施方式中的Ag濃度相同，氧濃度也與第一實施方式中的定義相同。通過能量分散型X射線分析法(EDQ分析該接合界面30時的Al、添加元素(Ge)、0、N的質量比為Al 添加元素(Ge) 0 N = 50 90質量％ 1 30質量％ 1 10質量25質量％以下的範圍內。另外，基於EDS的分析條件與第一實施方式相同。該功率模塊用基板1通過與第一實施方式相同的方法製造。只是在固著工序中，在金屬板22、23的各自的接合面通過濺射固著0. 01mg/cm2以上lOmg/cm2以下的添加元素(Ge)。如上所述構成的本實施方式中，Ge為降低鋁熔點的元素，因此可以在較低溫條件下在金屬板22、23與陶瓷基板11的界面形成熔融金屬區域。進而，即使在較低溫、短時間的接合條件下接合陶瓷基板11與電路層12(金屬板22)及金屬層13 (金屬板23)，也能夠牢固地接合陶瓷基板11與金屬板22、23。另外，在陶瓷基板11與電路層12 (金屬板2 及金屬層13 (金屬板23)的接合界面30中，通過Ge固溶強化，可以防止電路層12 (金屬板2 及金屬層13 (金屬板23)中的龜裂的產生。另外，本實施方式中，成為電路層12和金屬層13的在金屬板22、23與陶瓷基板11的接合界面30形成有濃縮添加元素(Ge)的添加元素高濃度部，因此能夠實現陶瓷基板11與金屬板22、23的接合強度的提高。另外，該添加元素高濃度部的厚度為4nm以下，因此能抑制通過負荷熱循環時的應力導致在添加元素高濃度部中產生裂紋。進而，本實施方式中，接合界面30的Al 添加元素(Ge) O N = 50 90質量％ 1 30質量1 10質量25質量％以下，因此能夠防止添加元素存在過多而阻礙接合的問題。可以充分起到基於添加元素原子(Ge原子)的接合強度的提高效果。並且，防止接合界面30中存在厚的氧濃度高的部分，可抑制負荷熱循環時的裂紋的產生。並且，由於在陶瓷基板11與金屬板22、23的界面形成熔融金屬區域，無需使用Al-Si系的釺料箔，能夠以低成本製造切實地接合金屬板22、23與陶瓷基板11的功率模塊用基板10。另外，本實施方式中，由於Ge量為0. 01mg/cm2以上，因此可以在陶瓷基板11與金屬板22、23的界面切實地形成熔融金屬區域。進而，由於Ge量為lOmg/cm2以下，因此可防止添加元素(Ge)過多地向著金屬板22,23擴散而使得界面附近的金屬板22、23的強度變得過高。由此，功率模塊用基板10中負荷冷熱循環時，熱應力可由電路層12、金屬層13吸收，可防止陶瓷基板11的斷裂等。並且，無需進行釺料箔的對位作業等，能夠有效製造出該功率模塊用基板10。而且，由於在金屬板22、23的接合面形成有固著層對、25，由此介入於金屬板22、23與陶瓷基板11的界面的氧化被膜只存在於金屬板22、23的表面，因此能夠提高初始接合的合格率。
以下，參照圖7及圖觀說明本發明的第七實施方式。除了固溶在電路層112(金屬板122)及金屬層113 (金屬板123)的添加元素不同以外，第七實施方式的功率模塊與第二實施方式相同。因此，省略共同部分的說明，使用圖7及其符號來說明不同點。第七實施方式的功率模塊101，在圖7中，電路層112(金屬板122)及金屬層113 (金屬板123)中固溶有總計濃度為0. 01質量％以上5質量％以下的範圍內的選自Ag、Si、Ge、Mg、Ca、( 和Li中的一種或兩種以上的添加元素。具體來講，在電路層112及金屬層113的接合界面130附近，形成有在層壓方向上隨著自接合界面130離開添加元素濃度逐漸降低的濃度傾斜層133。在此，本實施方式中，使用Mg作為添加元素，電路層112及金屬層113的接合界面130附近的Mg濃度設定為0. 01質量％以上5質量％以下。圖觀中示出電路層112及金屬層113的添加元素(Mg)的濃度分布。另外，在接合界面130中觀察到濃縮添加元素(Mg)的添加元素高濃度部。在該添加元素高濃度部中，添加元素濃度(Mg濃度)為電路層112(金屬板12 及金屬層113(金屬板12 中的添加元素濃度(Mg濃度)的2倍以上。並且，該添加元素高濃度部的厚度H為以下。此外，通過能量分散型X射線分析法(EDQ分析該接合界面130時的Al、添加元素(Mg)、0的質量比為Al 添加元素(Mg) 0 = 50 90質量％ 1 30質量％ 45質量％以下的範圍內。另外，基於EDS的分析條件與第二實施方式相同。該功率模塊用基板通過與第二實施方式相同的方法製造。只是代替Ag漿料塗布工序，在陶瓷基板111的一面及另一面通過蒸鍍固著0. 01mg/cm2以上lOmg/cm2以下的添加元素(Mg)。並且，加熱工序中的加熱溫度為600°C以上650°C以下。如上所述構成的本實施方式中，通過固著在陶瓷基板111的一面及另一面的Mg向著金屬板122、123擴散而接合，因此即使在較低溫、短時間的接合條件下也能夠牢固地接合陶瓷基板111與金屬板122、123。另外，陶瓷基板111與電路層112及金屬層113的接合界面130中Mg固溶強化，可以防止電路層112及金屬層113中的龜裂的產生。另外，本實施方式中，形成有濃縮添加元素(Mg)的添加元素高濃度部，因此能夠通過存在於界面附近的添加元素原子(Mg原子)實現陶瓷基板111與金屬板122、123的接合強度的提高。另外，該添加元素高濃度部的厚度為4nm以下，因此能抑制通過負荷熱循環時的應力導致在添加元素高濃度部中產生裂紋。進而，本實施方式中，接合界面130的Al 添加元素(Mg) O = 50 90質量％ 1 30質量45質量％以下，因此能夠防止在接合界面130中Al與添加元素(Mg)的反應產物生成過多而阻礙接合的問題。另外，可以充分起到基於添加元素原子(Mg原子)的接合強度的提高效果。以下，參照圖12及圖四說明本發明的第八實施方式。除了固溶在電路層212(金屬板222)及金屬層213 (金屬板223)的添加元素不同以外，第八實施方式的功率模塊與第三實施方式相同。因此，省略共同部分的說明，使用圖12及其符號來說明不同點。
第八實施方式的功率模塊201，在圖12中，電路層212(金屬板222)與金屬層213 (金屬板223)中固溶有總計濃度為0. 01質量％以上5質量％以下的範圍內的選自Zn、Ge、Mg、Ca、( 和Li中的一種或兩種以上的添加元素。具體來講，在電路層212及金屬層213的接合界面230附近，形成有在層壓方向上隨著自接合界面230離開添加元素濃度逐漸降低的濃度傾斜層233。本實施方式中，使用Si作為添加元素，電路層212及金屬層213的接合界面230附近的Si濃度設定為0. 01質量％以上5質量％以下。圖四中示出電路層212及金屬層213的添加元素(Zn)的濃度分布。另外，在接合界面230中觀察到濃縮添加元素(Zn)的添加元素高濃度部。在該添加元素高濃度部中，添加元素濃度( 濃度)為電路層212(金屬板22 及金屬層213(金屬板22 中的添加元素濃度( 濃度)的2倍以上。該添加元素高濃度部的厚度H為4nm以下。該添加元素高濃度部的氧濃度高於陶瓷基板211中的氧濃度。在此，添加元素濃度( 濃度)的定義與第三實施方式中的Ag濃度相同，氧濃度也與第三實施方式的定義相同。此外，通過能量分散型X射線分析法(EDQ分析該接合界面230時的Al、Si、添加元素(Zn)、0、N的質量比為Al Si 添加元素(Zn) 0 N= 15 45質量15 45質量％ 1 30質量％ 1 10質量％ 25質量％以下。另外，基於EDS的分析條件與第三實施方式相同。該功率模塊用基板210通過與第三實施方式相同的方法製造。只是本實施方式中，代替Ag漿料燒成工序，在金屬板222、223的表面通過電鍍固著0. Olmg/cm2以上IOmg/cm2以下的添加元素(Zn)(電鍍工序)。並且，加熱工序中的加熱溫度為600°C以上650°C以下。而且，電鍍厚度為Iym 5μπι的範圍內。另外，散熱器層壓工序中，金屬層213與頂板部241之間介入含有添加元素(Zn)的固著層。本實施方式中，固著層通過在金屬層213的另一面實施濺射或電鍍來形成。如上所述構成的本實施方式的功率模塊用基板210及功率模塊201，通過使電鍍的添加元素(Zn)向著金屬板222、223側擴散而接合，因此即使在較低溫、短時間的接合條件下也能夠牢固地接合陶瓷基板211與金屬板222、223。另外，本實施方式中，形成有濃縮添加元素(Zn)的添加元素高濃度部，因此能夠通過存在於界面附近的添加元素原子( 原子)實現陶瓷基板211與金屬板222、223的接合強度的提高。另外，該添加元素高濃度部的厚度為4nm以下，因此能抑制通過負荷熱循環時的應力導致在添加元素高濃度部中產生裂紋。進而，本實施方式中，接合界面230的Al Si 添加元素(Zn) O N = 15 45質量％ 15 45質量％ 1 30質量％ 1 10質量％ 25質量％以下，因此能夠防止在接合界面230中Al與添加元素(Zn)的反應產物生成過多而阻礙接合的問題，同時可以充分起到基於添加元素原子( 原子)的接合強度的提高效果。另外，可以防止接合界面230中存在厚的氧濃度高的部分，可抑制負荷熱循環時的裂紋的產生。另外，本實施方式中，通過電鍍在金屬板222、223固著添加元素( )，因此可在陶瓷基板211與金屬板222、223之間切實地介入添加元素(Zn)。
以下，參照圖18及圖30說明本發明的第九實施方式。除了固溶在金屬層313 (第二金屬板32 及散熱器340的添加元素不同以外，第九實施方式的功率模塊與第四實施方式相同。因此，省略共同部分的說明，使用圖18及其符號來說明不同點。第九實施方式的功率模塊301，在圖18中，金屬層313 (第二金屬板32 及散熱器340中固溶有總計濃度為0.01質量％以上5質量％以下的範圍內的選自ai、Ge、Mg、Ca、fei和Li中的一種或兩種以上的添加元素。具體來講，在金屬層313與散熱器340的接合界面330附近，形成有在層壓方向上隨著自接合界面330離開添加元素濃度逐漸降低的濃度傾斜層333、334。在此，本實施方式中，使用Ge作為添加元素，金屬層313與散熱器340的接合界面330附近的( 濃度設定為0. 01質量％以上5質量％以下。圖30中示出金屬層313與散熱器340的添加元素(Ge)的濃度分布。該構成的帶散熱器的功率模塊用基板與第四實施方式同樣地，通過同時實施陶瓷基板311與金屬板322、323的接合、金屬板323與散熱器340的接合而製造。如上所述構成的本實施方式中，Ge為降低鋁熔點的元素，因此即使在較低溫、短時間的接合條件下接合也能夠牢固地接合散熱器340與第二金屬板323。另外，本實施方式中，在接合界面介入有Ge，因此能夠牢固地接合陶瓷基板311與第一金屬板322、陶瓷基板311與第二金屬板323。進而，由於在散熱器340與第二金屬板323的接合、以及陶瓷基板311與第一金屬板322及第二金屬板323的接合中不使用釺料箔，因此無需進行釺料箔的對位操作等。因此，能夠以低成本有效地製造出本實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板。另外，本實施方式中，同時進行陶瓷基板311與第一金屬板322及第二金屬板323的接合、以及第二金屬板323與散熱器340的接合，因此可以大幅削減它們的接合所需的成本。而且，對陶瓷基板311無需進行反覆加熱、冷卻來完成，因此可以實現該帶散熱器的功率模塊用基板的翹曲的減少，制出高品質的帶散熱器的功率模塊用基板。另外，本實施方式的帶散熱器的功率模塊用基板中，通過作為添加元素的Ge固溶強化，可防止第二金屬板323(金屬層31 及散熱器340中的龜裂的產生。由此，可提供可靠性高的帶散熱器的功率模塊用基板。以上，對本發明的實施方式進行了說明，但本發明並不局限於此，在不脫離本發明的技術思想的範圍可適當變更。例如，對於將構成電路層及金屬層的金屬板作為純度99. 99%的純鋁軋制板的情況進行了說明，但並不局限於此，也可以是純度為99%以上的鋁(2N鋁)或鋁合金。另外，對作為添加元素使用Ag、Ge、Mg、ai的情況進行了說明，但並不局限於此，也可以使用選自Ag、Si、Ge、Mg、Ca、( 和Li中的一種或兩種以上的添加元素。進而，對通過濺射、漿料的塗布、電鍍來固著添加元素的情況進行了說明，但不局限於此，也可以通過蒸鍍、CVD、冷噴塗或分散有粉末的油墨的塗布來固著所述添加元素。另外，也可以將Al與Ag、Si、Ge、Mg、Ca、( 和Li 一起固著。特別是，作為添加元素使用Mg、Ca、Li等氧化活性元素時，通過與Al 一起固著，能夠防止這些元素的氧化。進而，對由鋁構成散熱器的情況進行了說明，但也可以由鋁合金或含有鋁的複合材料等構成。另外，對具有冷卻介質的流路作為散熱器的情況進行了說明，但散熱器的結構並無特別限定，可使用各種構成的散熱器。進而，如圖31所示，金屬層1013也可以為層壓多個金屬板1013A、1013B的結構。該情況下，位於金屬層1013中的一方側(圖31中為上側)的金屬板1013A與陶瓷基板1011接合，位於另一方側(圖31中為下側)的金屬板1013B與散熱器1040的頂板部1041接合。於是，在位於另一方側的金屬板101 與散熱器1040的頂板部1041之間介入選自Ag、Si、Ge、Mg、Ca、( 和Li中的一種或兩種以上的添加元素，由此接合位於另一方側的金屬板1013B與散熱器1040的頂板部1041。在此，也可以為被層壓的金屬板1013A、101 之間介入所述添加元素而構成金屬層1013。另外，圖31中為層壓兩張金屬板1013A、1013B，但對層壓的張數沒有限制。而且，層壓的金屬板之間的尺寸、形狀可以不同，也可以調整為相同的尺寸、形狀。進而，這些金屬板的組成也可以不同。實施例(實施例1)對為了確認本發明的有效性而進行的比較實驗進行說明。在由厚度為0. 635mm的AlN構成的陶瓷基板上，接合由厚度為0. 6mm的4N鋁構成的電路層和由厚度為0. 6mm的4N鋁構成的金屬層，製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鋁)的接合面固著選自Ag、Zn、Ge、Mg、CaWa和Li中的一種或兩種以上的添加元素而形成固著層，層壓金屬板與陶瓷基板並加壓加熱(溫度650°C、壓力4kgf/cm2、時間30分鐘)，接合了金屬板與陶瓷基板。而且，制出變更了固著的添加元素的各種試樣，通過EPMA分析了接合界面附近(距接合界面50 μ m的位置)的添加元素的濃度。並且，使用這些試樣進行了接合可靠性的評價。作為接合可靠性的評價，比較了反覆2000次冷熱循環(_45°C 125°C )後的接合率。將結果示於表1。另外，用下式計算接合率。在此，初始接合面積是指接合前的應接合的面積。接合率=(初始接合面積-剝離面積)/初始接合面積[表 1]
權利要求
1.一種功率模塊用基板，為具備陶瓷基板和在該陶瓷基板的表面層壓而接合有鋁或鋁合金制的金屬板的功率模塊用基板，在所述金屬板中，固溶有細或選自Si、Ge、Mg、Ca、( 及Li中的一種或兩種以上的添加元素，所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下，或者所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li的總計濃度設定在0. 01質量％以上5質量％以下。
2.根據權利要求1所述的功率模塊用基板，在所述金屬板中，除了 Ag之外，還固溶有選自ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li中的一種或兩種以上的元素，所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的總計濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下。
3.根據權利要求1或2所述的功率模塊用基板，所述陶瓷基板由AlN或Si3N4構成，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面，形成有氧濃度為所述陶瓷基板的晶粒內的氧濃度的2倍以上的氧高濃度部，所述氧高濃度部的厚度為4nm以下。
4.根據權利要求1 3的任一項所述的功率模塊用基板，在所述金屬板與所述陶瓷基板的接合界面，形成有所述添加元素的濃度為所述金屬板中的所述添加元素的濃度的2倍以上的添加元素高濃度部。
5.根據權利要求4所述的功率模塊用基板，所述陶瓷基板由AlN構成，用能量分散型X射線分析法分析含所述添加元素高濃度部的所述接合界面時，Al、所述添加元素、0、N的質量比為Al 添加元素0 N = 50 90質量％ 1 30質量％ 1 10質量25質量％以下。
6.根據權利要求4所述的功率模塊用基板，所述陶瓷基板由Si3N4構成，用能量分散型X射線分析法分析含所述添加元素高濃度部的所述接合界面時，Al、Si、所述添加元素、0、N的質量比為Al Si 添加元素0 N= 15 45質量15 45質量％ 1 30質量1 10質量25質量％以下。
7.根據權利要求4所述的功率模塊用基板，所述陶瓷基板由Al2O3構成，用能量分散型X射線分析法分析含所述添加元素高濃度部的所述接合界面時，Al、所述添加元素、0的質量比為Al 添加元素0 = 50 90質量％ 1 30質量％ 45質量％以下。
8.一種帶散熱器的功率模塊用基板，具備權利要求1至7中的任一項所述的功率模塊用基板及用於冷卻該功率模塊用基板的散熱器，具有所述陶瓷基板；接合在該陶瓷基板的一個表面上的鋁或鋁合金制的第一金屬板；接合在所述陶瓷基板的另一個表面上的鋁或鋁合金制的第二金屬板；以及接合在所述第二金屬板中的與所述陶瓷基板的接合面相反側的面上的散熱器，在所述第二金屬板及所述散熱器中，固溶有Ag或選自Si、Ge、Mg、Ca、( 及Li中的一種或兩種以上的添加元素，所述第二金屬板及所述散熱器的界面附近的Ag濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下，或者所述第二金屬板及所述散熱器的界面附近的ai、Ge、Mg、Ca、(}a及Li的總計濃度設定在0. 01質量％以上5質量％以下。
9.根據權利要求8所述的帶散熱器的功率模塊用基板，在所述第二金屬板及所述散熱器中，除了 Ag之外，還固溶有選自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一種或兩種以上的元素，所述第二金屬板及所述散熱器的界面附近的Ag和Zn、Ge、Mg、Ca、( 及Li的總計濃度設定在0. 05質量％以上10質量％以下。
10.一種功率模塊，其特徵在於，具備權利要求1至9中的任一項所述的功率模塊用基板及搭載於所述功率模塊用基板上的電子零件。
11.一種功率模塊用基板的製造方法，為具備陶瓷基板和在該陶瓷基板的表面層壓而接合有鋁或鋁合金制的金屬板的功率模塊用基板的製造方法，該方法具有固著工序，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，固著選自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一種或兩種以上的添加元素，形成含有該添加元素的固著層；層壓工序，在介入所述固著層的狀態下，層壓所述陶瓷基板和所述金屬板；加熱工序，在層壓方向上對被層壓的所述陶瓷基板和所述金屬板進行加壓的同時進行加熱，在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面形成熔融金屬區域；以及凝固工序，通過凝固該熔融金屬區域來接合所述陶瓷基板與所述金屬板，在所述層壓工序中，使所述添加元素在0. 01mg/cm2以上lOmg/cm2以下的範圍內介入在所述陶瓷基板與所述金屬板的界面，在所述加熱工序中，通過使所述添加元素向所述金屬板擴散，從而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域。
12.根據權利要求11所述的功率模塊用基板的製造方法，在所述固著工序中，將Al與所述添加元素一起固著。
13.根據權利要求11或12所述的功率模塊用基板的製造方法，所述固著工序通過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塗布Ag漿料而形成所述固著層。
14.一種帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法，所述帶散熱器的功率模塊用基板具備陶瓷基板、與該陶瓷基板的一個表面接合的鋁或鋁合金制的第一金屬板、與所述陶瓷基板的另一個表面接合的鋁或鋁合金制的第二金屬板以及接合在所述第二金屬板中的與所述陶瓷基板的接合面相反側的面上的散熱器的的製造方法，該方法具有陶瓷基板接合工序，接合所述陶瓷基板與所述第一金屬板、以及接合所述陶瓷基板與所述第二金屬板；以及散熱器接合工序，在所述第二金屬板的一面，接合所述散熱器，所述散熱器接合工序具有添加元素層形成工序，在所述第二金屬板的接合面與所述散熱器的接合面中的至少一方固著選自Ag、Zn、Ge、Mg、Ca、Ga和Li中的一種或兩種以上的添加元素而形成添加元素層；散熱器層壓工序，通過所述添加元素層層壓所述第二金屬板與所述散熱器；散熱器加熱工序，在層壓方向上對被層壓的所述第二金屬板與所述散熱器進行加壓的同時進行加熱，在所述第二金屬板與所述散熱器的界面形成熔融金屬區域；以及熔融金屬凝固工序，通過凝固該熔融金屬區域，接合所述第二金屬板與所述散熱器，在所述散熱器加熱工序中，通過使所述添加元素層的添加元素向所述第二金屬板和所述散熱器擴散，在所述第二金屬板與所述散熱器的界面形成所述熔融金屬區域。
15.根據權利要求14所述的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法，同時進行所述陶瓷基板接合工序和所述散熱器接合工序。
16.根據權利要求14或15所述的帶散熱器的功率模塊用基板的製造方法，其中，所述添加元素層形成工序中，將Al與所述添加元素一起固著。
全文摘要
本發明提供一種功率模塊用基板，為具備陶瓷基板和在該陶瓷基板的表面層壓而接合有鋁或鋁合金制的金屬板的功率模塊用基板，在所述金屬板中，固溶有Ag或選自Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li中的一種或兩種以上的添加元素，所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Ag濃度設定在0.05質量％以上10質量％以下，或者所述金屬板中的與所述陶瓷基板的界面附近的Zn、Ge、Mg、Ca、Ga及Li的總計濃度設定在0.01質量％以上5質量％以下。
文檔編號H01L23/12GK102576697SQ20108004725
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月19日 優先權日2009年10月22日
發明者寺崎伸幸, 殿村宏史, 秋山和裕, 長友義幸, 黑光祥郎 申請人:三菱綜合材料株式會社