铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板制造技术

本发明专利技术的铜‑陶瓷接合体中，在铜部件与陶瓷部件的接合界面，从陶瓷部件侧依次形成有包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层和Ag‑Cu共晶层，氮化物层的厚度为0.15μm以上且1.0μm以下，在铜部件与陶瓷部件之间存在由包含氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，在氮化物层的晶界中存在Cu及Si。

Copper-Ceramic Joints and Insulating Circuit Substrates

In the copper-ceramic joint of the invention, at the interface between the copper component and the ceramic component, a nitride layer and an Ag-Cu eutectic layer containing one or more nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf and Zr are formed successively from the side of the ceramic component. The thickness of the nitride layer is above 0.15 micron and below 1.0 micron, and there is a nitride shape between the copper component and the ceramic component. The intermetallic phase formed by intermetallic compounds of elements and Si exists in the grain boundaries of nitride layer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板
本专利技术涉及一种由铜或铜合金形成的铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件接合而成的铜-陶瓷接合体及在由氮化硅形成的陶瓷基板的表面形成有由铜或铜合金形成的铜层的绝缘电路基板。本申请主张基于2016年6月30日在日本申请的专利申请2016-130224号及2017年6月19日在日本申请的专利申请2017-119683号的优先权，并将其内容援用于此。
技术介绍
LED或功率模块等半导体装置呈在由导电材料形成的电路层上接合半导体元件而成的结构。在用于控制风力发电、电动汽车、混合动力汽车等而使用的高功率控制用功率半导体元件中，由于发热量大，因此作为搭载这种功率半导体元件的基板，一直以来广泛使用如下绝缘电路基板，该绝缘电路基板具备例如由氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)等形成的陶瓷基板和在该陶瓷基板的一面上接合导电性优异的金属板而形成的电路层。另外，作为绝缘电路基板，还提供一种在陶瓷基板的另一面上接合金属板而形成金属层的绝缘电路基板。在此，由氮化硅(Si3N4)形成的陶瓷基板的强度尤其优异。例如，专利文献1中提出了将构成电路层及金属层的第一金属板及第二金属板设为铜板，并通过DBC(DirectBondedCopper：直接敷铜)法将该铜板直接接合于陶瓷基板而成的绝缘电路基板。在该DBC法中，通过利用铜和铜氧化物的共晶反应，在铜板与陶瓷基板的界面产生液相，从而接合铜板和陶瓷基板。并且，专利文献2中提出了通过在陶瓷基板的一面及另一面上接合铜板而形成电路层及金属层的绝缘电路基板。在该绝缘电路基板中，通过在陶瓷基板的一面及另一面上以夹入Ag-Cu-Ti系钎料的方式配置铜板并进行加热处理而接合有铜板(所谓的活性金属钎焊法)。在该活性金属钎焊法中，由于使用含有作为活性金属的Ti的钎料，因此熔融的钎料和陶瓷基板的润湿性提高，从而良好地接合陶瓷基板和铜板。专利文献1：日本特开平01-251781号公报专利文献2：日本专利第3211856号公报然而，如专利文献1中所公开，在通过DBC法接合陶瓷基板和铜板的情况下，需要将接合温度设为1065℃以上(铜和铜氧化物的共晶点温度以上)，因此有可能接合时陶瓷基板劣化。并且，如专利文献2中所公开，在通过使用了例如Ag-Cu-Ti钎料等的活性金属钎焊法接合陶瓷基板和铜板的情况下，接合温度设为900℃这一较高的温度，因此仍旧存在陶瓷基板劣化的问题。在此，在仅降低接合温度的情况下，钎料不与陶瓷基板充分反应，导致陶瓷基板与铜板的界面处的接合率降低，从而无法提供可靠性高的绝缘电路基板。进而，在使用Ag-Cu-Ti钎料接合时的接合温度高的情况下，形成于接合界面的氮化物层(氮化钛层)较厚地生长，存在该氮化物层(氮化钛层)中容易产生裂缝的问题。
技术实现思路
本专利技术鉴于前述情况而完成，其目的在于提供一种能够抑制在氮化物层中产生裂缝，且铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件可靠地接合而成的可靠性高的铜-陶瓷接合体及由该铜-陶瓷接合体形成的绝缘电路基板。为了解决这种课题而达到所述目的，本专利技术的铜-陶瓷接合体通过由铜或铜合金形成的铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件接合而成，所述铜-陶瓷接合体的特征在于，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，从所述陶瓷部件侧依次形成有包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层和Ag-Cu共晶层，所述氮化物层的厚度为0.15μm以上且1.0μm以下，在所述铜部件与所述陶瓷部件之间存在由包含所述氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，在所述氮化物层的晶界中存在Cu及Si。在该结构的铜-陶瓷接合体中，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面形成有Ag-Cu共晶层，并且在所述铜部件与所述陶瓷部件之间存在由包含所述氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，因此在由氮化硅形成的陶瓷基板的接合面中充分产生分解反应，从而能够得到铜部件和陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。另外，金属间化合物相有时存在于Ag-Cu共晶层的内部，有时还以与包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层相邻的方式存在。并且，金属间化合物相有时还存在于从所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面朝向所述铜部件20μm以内。进而，在所述Ag-Cu共晶层与陶瓷部件之间形成有厚度0.15μm以上且1.0μm以下的所述氮化物层，在所述氮化物层的晶界中存在Cu及Si，因此能够抑制在该氮化物层中产生裂缝，并且在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面不会产生未反应部，能够得到接合强度高的铜-陶瓷接合体。在此，本专利技术的铜-陶瓷接合体中，优选在所述氮化物层的内部分散有Ag粒子。推测为该Ag粒子是在氮化物形成元素和氮进行反应而形成上述的所述氮化物层的过程中生成的粒子。因此，通过在所述氮化物层的内部分散有Ag粒子而充分形成上述的氮化物层，能够得到铜部件和陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。并且，在本专利技术的铜-陶瓷接合体中，也可以设为如下结构：分散于所述氮化物层的内部的所述Ag粒子的粒径设为10nm以上且100nm以下的范围内。在该情况下，分散于所述氮化物层内的Ag粒子的粒径为10nm以上且100nm以下、较微细，该Ag粒子是在氮化物形成元素和氮(N)进行反应而形成上述的所述氮化物层的过程中生成的粒子，因此促进包含氮化物形成元素的氮化物的生成，从而充分形成氮化物层，能够得到铜部件和陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。进而，在本专利技术的铜-陶瓷接合体中，优选在所述氮化物层中，从所述陶瓷部件侧的界面至总厚度的25％位置为止的区域中的Ag的平均浓度C1与从所述铜部件侧的界面至总厚度的25％位置为止的区域中的Ag的平均浓度C2之间的比C2/C1为0.8以下。在该情况下，在所述氮化物层内，陶瓷部件侧的Ag浓度高于铜部件侧的Ag浓度，因此界面反应充分进行，能够得到铜部件和陶瓷部件可靠地接合而成的铜-陶瓷接合体。本专利技术的绝缘电路基板为在由氮化硅形成的陶瓷基板的表面形成有由铜或铜合金形成的铜层的绝缘电路基板，所述绝缘电路基板的特征在于，所述铜层和所述陶瓷基板由上述的铜-陶瓷接合体构成。根据该结构的绝缘电路基板，所述铜层和所述陶瓷基板由上述的铜-陶瓷接合体构成，因此陶瓷基板和铜板可靠地接合，能够确保接合可靠性。另外，在陶瓷基板的表面接合的铜层作为构成电路层或金属层的层而使用。根据本专利技术，能够提供一种能够抑制在氮化物层中产生裂缝，且铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件可靠地接合而成的可靠性高的铜-陶瓷接合体及由该铜-陶瓷接合体形成的绝缘电路基板。附图说明图1是使用了本专利技术的第1实施方式的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。图2是本专利技术的第1实施方式的绝缘电路基板的电路层(铜部件)与陶瓷基板(陶瓷部件)的接合界面的示意图。图3是图2中示出的氮化物层的放大说明图。图4是示出本专利技术的第1实施方式的绝缘电路基板的制造方法的流程图。图5是示出本专利技术的第1实施方式的绝缘电路基板的制造方法的说明图。图6是示出氮化物层及金属间化合物相的形成过程的示意说明图。图7是使用了本专利技术的第2实施方式的绝缘电路基板的功率模块的概略说明图。图8是示出本专利技术的第2实施方式的绝缘电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜‑陶瓷接合体，其通过由铜或铜合金形成的铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件接合而成，所述铜‑陶瓷接合体的特征在于，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，从所述陶瓷部件侧依次形成有包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层和Ag‑Cu共晶层，所述氮化物层的厚度为0.15μm以上且1.0μm以下，在所述铜部件与所述陶瓷部件之间存在由包含所述氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，在所述氮化物层的晶界中存在Cu及Si。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.30 JP 2016-130224;2017.06.19 JP 2017-119681.一种铜-陶瓷接合体，其通过由铜或铜合金形成的铜部件和由氮化硅形成的陶瓷部件接合而成，所述铜-陶瓷接合体的特征在于，在所述铜部件与所述陶瓷部件的接合界面，从所述陶瓷部件侧依次形成有包含选自Ti、Nb、Hf、Zr中的一种或两种以上的氮化物形成元素的氮化物层和Ag-Cu共晶层，所述氮化物层的厚度为0.15μm以上且1.0μm以下，在所述铜部件与所述陶瓷部件之间存在由包含所述氮化物形成元素和Si的金属间化合物形成的金属间化合物相，在所述氮化物层的晶界中存在Cu及Si。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：寺崎伸幸，
申请(专利权)人：三菱综合材料株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP