接合体、陶瓷铜电路基板及半导体装置的制作方法

1.后述的实施方式大致涉及接合体、陶瓷铜电路基板及半导体装置。


背景技术：

2.陶瓷基板和铜板的接合体被作为搭载半导体元件等的电路基板使用。在国际公开第2018/180965号公报(专利文献1)中，公开了将陶瓷基板和铜板接合而成的陶瓷铜电路基板。在专利文献1中，对铜板的晶体粒径及铜板中的ag扩散量进行控制。在专利文献1中，通过进行这样的控制，而提高陶瓷铜电路基板的温度循环试验(tct)特性。
3.其另一方面，如果陶瓷铜电路基板的尺寸增大，则产生不能提高tct特性的陶瓷铜电路基板。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：国际公开第2018/180965号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的问题
8.对其原因进行了调查，结果得知原因在于ag向铜板中的扩散量。在专利文献1中，将铜板在厚度方向三等分，对ag扩散量进行控制。随着从靠近接合层的地方向铜板表面行进，ag扩散量逐渐减小。铜板中的ag从接合层扩散。因此，靠近接合层的地方的ag量较多，随着向铜板表面行进ag量逐渐减小。在铜板中，在ag扩散量多的地方和少的地方，热膨胀出现差异。得知该部分的ag扩散量的差异是阻碍tct特性提高的原因。
9.本发明是为应对这样的问题而提出的，目的是提供一种控制了铜板中的ag浓度的接合体。
10.用于解决课题的手段
11.实施方式涉及的接合体具备陶瓷基板、铜板和接合层。上述接合层配置在上述陶瓷基板的至少一个面上，且接合上述陶瓷基板和上述铜板。上述接合层含有ag及ti。上述铜板包含第一区域、第二区域及第三区域。上述第一区域在厚度方向与上述接合层分离。上述第二区域设在上述接合层与上述第一区域之间，且具有比上述第一区域高的ag浓度。上述第三区域设在上述接合层与上述第二区域之间，且具有比上述第二区域低的ag浓度。
附图说明
12.图1是表示实施方式涉及的接合体的一个例子的示意图。
13.图2是表示测定铜板中ag浓度的测定区域的一个例子的示意图。
14.图3是表示实施方式涉及的陶瓷铜电路基板的一个例子的示意图。
15.图4是表示实施方式涉及的半导体装置的一个例子的示意图。
具体实施方式
16.实施方式涉及的接合体具备陶瓷基板、铜板和接合层。上述接合层配置在上述陶瓷基板的至少一个面上，且接合上述陶瓷基板和上述铜板。上述接合层含有ag及ti。上述铜板包含第一区域、第二区域及第三区域。上述第一区域在厚度方向与上述接合层分离。上述第二区域设在上述接合层与上述第一区域之间，且具有比上述第一区域高的ag浓度。上述第三区域设在上述接合层与上述第二区域之间，且具有比上述第二区域低的ag浓度。
17.图1是表示实施方式涉及的接合体的一个例子的示意图。图1中，1是接合体、2是陶瓷基板、3是铜板、4是接合层。
18.图1示出在陶瓷基板2的两面上经由接合层4分别配置有铜板3的接合体1。在图1所示的例子中，陶瓷基板2的纵横尺寸与铜板3的纵横尺寸相同。实施方式涉及的接合体并不限定于这样的形态。接合体1也可以具有只在陶瓷基板2的一个面上设置有铜板的结构。陶瓷基板2的纵横尺寸也可以与铜板3的纵横尺寸不同。
19.图2是表示测定铜板中ag浓度的测定区域的一个例子的示意图。图2中，3是铜板、4是接合层、5是测定区域、t是铜板的厚度、p是测定区域彼此间的间隔(间距)。5-1是第一测定区域、5-2是第二测定区域、5-3是第三测定区域、5-4是第四测定区域、5-5是第五测定区域、5-6是第六测定区域、5-7是第七测定区域、5-n是第n测定区域。图2中，测定区域示出n个例子。
20.首先，将接合体1的任意的断面作为测定的部位。断面是与连接陶瓷基板2和铜板3的方向垂直的面。也就是说，断面是与陶瓷基板2和铜板3的接合面垂直的面。
21.接着，确定多个测定区域的间距p。多个测定区域在铜板3的厚度方向上按30μm以上且100μm以下的间距等间隔地排列。所谓间距，是上下排列的测定区域的中心彼此的间隔p。也有时将测定区域的中心彼此的间隔p称为间距p。间距p在30～100μm的范围内设为固定的间隔。例如，在将间距p确定为50μm时，间距p通常为50μm。此外，在将间距p确定为100μm时，间距p通常为100μm。
22.1个测定区域5的宽度方向的长度在100μm以上且200μm以下的范围内。1个测定区域5的厚度方向的长度在10μm以上且100μm以下的范围内。测定区域5是按宽度方向
×
厚度方向区分的四边形。宽度方向是与陶瓷基板2表面平行的方向。也就是说，为与铜板3表面平行的方向。厚度方向是与陶瓷基板2表面垂直的方向，为铜板3的厚度方向。测定区域5排列在铜板3的厚度方向上。
23.作为各测定区域5的尺寸，可从宽度方向100μm以上且200μm以下
×
厚度方向10μm以上且100μm以下的范围内选择一个尺寸。例如，在将测定区域5的尺寸确定为宽度方向150μm
×
厚度方向50μm的情况下，所有测定区域5的尺寸为宽度方向150μm
×
厚度方向50μm。
24.在确定了测定区域5的尺寸后，对照上述间距p特定测定区域。间距p从铜板3的接合面进行计数。交替地定位间距p
→
测定区域5
→
间距p
→
测定区域5。图2中，将最靠近接合层4的测定区域作为第一测定区域5-1。将离接合层4最远的测定区域作为第n测定区域5-n。
25.在确定了测定区域5后，采用能量色散型x射线光谱(edx)，测定各测定区域5的ag浓度。也有时将edx称为eds。按每个测定区域测定ag浓度。因此，对包含第一测定区域5-1～第n测定区域5-n的n个测定区域分别测定ag浓度。
26.在ag浓度的测定中，采用扫描式电子显微镜(sem)-edx。作为sem-edx，采用日本电
子制造的jed-2300或具有与其同等的性能的装置。将ag浓度以原子％测定到小数点后两位。此外，在edx的测定中，采取峰稳定的时间。再者，作为sem，也可以采用场发射(fe)-sem。
27.铜板3的特征在于，包含从上述陶瓷基板2侧朝其相反侧按ag浓度相对低的区域、ag浓度相对高的区域、ag浓度相对低的区域依次排列的部分。所谓从陶瓷基板2侧朝陶瓷基板2侧的相反侧，即所谓铜板3的厚度方向。也就是说，为从接合层4朝铜板3表面的方向。
28.例如，铜板3包含第一区域、第二区域及第三区域。第一区域在厚度方向与接合层4分离。第二区域位于接合层与上述第一区域之间，具有比第一区域高的ag浓度。第三区域位于接合层与第二区域之间，具有比第二区域低的ag浓度。从第二区域及第三区域来看，第一区域位于铜板3的表面侧。
29.第一区域～第三区域为多个测定区域的一部分，在厚度方向相互相邻。因此，第一区域～第三区域在厚度方向按30μm以上且100μm以下的间距排列。第一区域～第三区域各自的尺寸为宽度方向100μm以上且200μm以下
×
厚度方向10μm以上且100μm以下。
30.如上所述，在铜板3的一部分中，依次排列有ag浓度相对低的区域、ag浓度相对高的区域、ag浓度相对低的区域。这是指，在从接合层4朝铜板3表面轮流对各测定区域的ag浓度进行比较时，存在为ag浓度相对低的区域、ag浓度相对高的区域、ag浓度相对低的区域的地方。例如，假设设置了包含第一测定区域5-1～第n测定区域5-n的多个测定区域5。在这些第一测定区域5-1～第n测定区域5-n中，在从接合层4朝铜板3表面的方向上，存在按ag浓度相对低的区域
→
ag浓度相对高的区域
→
ag浓度相对低的区域的顺序排列的3个测定区域。以后，也将ag浓度相对高的区域(第二区域)称为“高浓度区域”。也将ag浓度相对低的区域(第一区域及第三区域)称为“低浓度区域”。
31.以往，ag向铜板的扩散量随着从接合层朝铜板表面而逐渐减小。因此，如果对轮流排列的测定区域的ag浓度进行比较，则这些测定区域的ag浓度以相互
→
低
→
更低的顺序排列。与此相对应，在实施方式涉及的接合体1中，在铜板3的一部分中，以ag浓度相对低的区域
→
ag浓度相对高的区域
→
ag浓度相对低的区域的顺序排列。具有由这样的3个区域形成的ag浓度起伏的区域可以至少存在1个。在铜板3中，也可以将具有ag浓度起伏的区域设定为两个以上。优选的是，在铜板3中，这样的区域只设置1个。
32.在设置包含第一测定区域5-1～第n测定区域5-n的n个测定区域时，例如，包含第一测定区域5-1、第二测定区域5-2和第三测定区域5-3的区域具有ag浓度的起伏。第三测定区域5-3与上述第一区域对应。第二测定区域5-2与上述第二区域对应。第一测定区域5-1与上述第三区域对应。或者，包含第二测定区域5-2、第三测定区域5-3和第四测定区域5-4的区域、包含第三测定区域5-3、第四测定区域5-4和第五测定区域5-5的区域、包含第四测定区域5-4、第五测定区域5-5和第六测定区域5-6的区域、或包含第五测定区域5-5、第六测定区域5-6和第七测定区域5-7的区域中的任一个区域也可以具有ag浓度的起伏。这些区域中的两个以上的区域也可以具有ag浓度的起伏。
33.此外，铜板表面不包含在测定区域中。因此，将离铜板表面30μm以上的地方作为第n测定区域。离30μm以上是因为间距p为30μm以上且100μm以下。再者，在铜板表面，可以检测ag，也可以不检测。
34.如此，存在具有ag浓度起伏的区域，铜板3具有ag浓度分布是重要的。通过铜板3具有ag浓度分布，能够提高接合体及陶瓷铜电路基板的tct特性。所谓存在具有ag浓度起伏的
区域，意味着在从厚度方向看铜板时，在铜板内侧存在高浓度区域。主要是，在铜板的铜结晶的晶界中存在ag。通过在铜结晶的晶界中存在ag，能够通过钉扎效果抑制铜板的热膨胀。因此，能够提高tct特性。此外，通过在接合层与高浓度区域之间形成低浓度区域，能够充分发挥铜板的导热率及导电性，同时抑制热膨胀。例如，即使接合体尺寸增大至纵或横为200mm以上，也能够使接合体的翘曲量在0.2mm以下。再者，铜板的晶界是否具有ag，可通过组合sem照片和基于sem-edx的成分分析来了解。首先，通过sem照片特定铜板的晶界位置。对通过sem照片所特定的位置，采用edx进行分析，由此能够确认铜板的晶界是否具有ag。
35.优选高浓度区域(第二区域)存在于0.1mm以上且0.5mm以下的范围内。0.1mm以上且0.5mm以下的范围是以接合层和铜板的边界为基准的距离。“0.1mm”为更靠近接合层4的位置。“0.5mm”为铜板3的厚度方向的中心侧。通过在从铜板3的中心部到接合层4之间形成高浓度区域，能够抑制铜板的热膨胀。此外，优选相对于铜板的厚度t，在0.3t～0.5t的范围内存在高浓度区域。再者，铜板3和接合层4的边界以ag量为5原子％的地方为基准进行定义。接合层中的ag逐渐向铜板中扩散。随着从接合层朝铜板ag量逐渐减小。将从接合层朝铜板ag量为5原子％的地方定义为铜板3和接合层4的边界。
36.关于高浓度区域中的ag浓度，在将ag和cu各自的浓度的合计设为100原子％时，优选为0.1原子％以上。也就是说，在设高浓度区域中的实际的ag浓度(原子％)为c
ag
、设实际的cu浓度(原子％)为c
cu
时，优选为0.1≥/c
ag
(c
ag
+c
cu
)。此外，在将ag和cu各自的浓度的合计设为100原子％时，高浓度区域中的ag浓度优选为0.4原子％以下。如果铜板中的ag浓度过高，则有不能充分发挥铜板的优点(导热率及导电性)的可能性。
37.在将ag和cu各自的浓度的合计设为100原子％时，低浓度区域中的ag浓度和高浓度区域中的ag浓度的差优选为0.05原子％以上。通过将ag浓度差设定为0.05原子％以上，能够提高效果。
38.铜板3的厚度t优选为0.8mm以上。如果铜板3厚，则热膨胀导致的变形量增大。可是，通过控制ag浓度，能够抑制热膨胀。
39.作为铜板3，能够使用纯铜板或铜合金板。铜板优选为无氧铜。无氧铜为纯铜的一种。无氧铜如jis-h-3100(iso1337等)中所示，是铜纯度为99.96质量％以上的铜。
40.作为陶瓷基板2，可列举氮化硅基板、氮化铝基板、氧化铝基板、阿卢西尔高硅耐热铝合金基板等。所谓阿卢西尔高硅耐热铝合金基板，是将氧化铝和氧化锆混合而成的基板。
41.陶瓷基板2的厚度优选为0.1mm以上且1mm以下。若基板厚度低于0.1mm，则有强度下降的可能性。如果厚度大于1mm，则陶瓷基板成为热阻体，有使接合体的散热性降低的可能性。
42.氮化硅基板的三点弯曲强度优选为600mpa以上。导热率优选为80w/m
·
k以上。通过提高氮化硅基板的强度，能够减薄基板厚度。因此，氮化硅基板的三点弯曲强度优选为600mpa以上，更优选为700mpa以上。可将氮化硅基板的基板厚度减薄至0.40mm以下，进一步减薄至0.30mm以下。
43.氮化铝基板的三点弯曲强度在300～450mpa左右。另一方面，氮化铝基板的导热率为160w/m
·
k以上。因氮化铝基板的强度低，而优选基板厚度为0.60mm以上。
44.氧化铝基板的三点弯曲强度在300～450mpa左右，但氧化铝基板廉价。此外，阿卢西尔高硅耐热铝合金基板的三点弯曲强度高至550mpa左右，但其导热率在30～50w/m
·
k左
右。
45.作为陶瓷基板2，优选氮化硅基板。如前所述，因氮化硅基板的强度高而能够减薄基板厚度。由此，能够降低陶瓷基板的热阻。
46.接合层4含有ag及ti。ti(钛)是被称为活性金属的元素。采用活性金属的陶瓷基板与铜板的接合方法被称为活性金属接合法。含有ag及ti的接合层可采用含有ag及ti的钎料来形成。将含有ti的钎料称为活性金属钎料。有时将活性金属钎料简称为钎料。
47.通过在接合层4中含有ag(银)，能够使ag向铜板3中扩散。通过利用ag的扩散，能够控制铜板3中的ag浓度。也可考虑使用预先含有ag的铜板，但在此种情况下ag浓度容易变得均匀，难以控制ag浓度的分布。
48.接合层4除ag及ti以外，优选含有选自cu、sn、in及c中的1种或两种以上。
49.优选活性金属钎料含有20质量％以上且60质量％以下的ag(银)、25质量％以上且70质量％以下的cu(铜)、1质量％以上且15质量％以下的ti(钛)或tih2(氢化钛)。此外，在含有ti和tih2的双方时，将它们的合计设定在1～15质量％的范围内。
50.根据需要，也可以在钎料中以1质量％以上且50质量％以下含有sn(锡)或in(铟)中的1种或两种。ti或tih2的含量优选为1～15质量％。根据需要，也可以在钎料中以0.1质量％以上且2质量％以下含有c(碳)。
51.活性金属钎料组成的比率按所混合的原料的合计为100质量％进行计算。例如，在钎料中采用ag、cu、ti这3种成分时，规定为ag+cu+ti＝100质量％。在钎料中采用ag、cu、tih2、in这4种成分时，规定为ag+cu+tih2+in＝100质量％。在由ag、cu、ti、sn、c这5种成分构成接合层4时，规定为ag+cu+ti+sn+c＝100质量％。
52.ag或cu为成为钎料母材的成分。sn或in具有降低钎料熔点的效果。c(碳)具有控制钎料流动性、或通过与其它成分反应来控制接合层组织的效果。因此，作为钎料成分，可列举ag-cu-ti、ag-cu-sn-ti、ag-cu-ti-c、ag-cu-sn-ti-c、ag-ti、ag-sn-ti、ag-ti-c、ag-sn-ti-c。此外，也可以替代sn而采用in。此外，也可以采用sn和in双方。此外，也可以替代sn及in而采用bi(铋)、sb(锑)、ga(镓)等低熔点金属。
53.以上所说明的接合体适合于陶瓷铜电路基板。图3是表示实施方式涉及的陶瓷铜电路基板的一个例子的示意图。图3中，6是电路部、7是散热板、10是陶瓷铜电路基板。
54.电路部6对表侧的铜板3赋予电路结构而成的。此外，散热板7是对背侧的铜板3进行加工而成的。图3中，为设置了两个电路部6的结构，但也并不限定于如此的结构。电路部6能够赋予任意的个数及形状。此外，也可以将两面的铜板3设为电路部6。此外，也可以将电路部6及散热板7的侧面设定为倾斜结构。此外，也可以将接合层4从电路部6及散热板7的端部突出来的接合层设定为突出部。
55.实施方式涉及的陶瓷铜电路基板适合于半导体装置。图4是表示实施方式涉及的半导体装置的一个例子的示意图。图4中，20是半导体装置、21是半导体元件、22是引线框架。在图5所示的半导体装置20中，在两个电路部6中的一个上安装有半导体元件21。在两个电路部6中的另一个上连接有引线框架22。再者，实施方式涉及的半导体装置20并不限定于如此的结构。可根据需要，适宜变更电路部6的数量及尺寸、半导体元件21的数量及尺寸等。
56.接着，对实施方式涉及的接合体的制造方法进行说明。只要实施方式涉及的接合体具有上述构成，其制造方法就不限定。这里，对可高成品率地得到实施方式涉及的接合体
的方法进行说明。
57.首先，准备陶瓷基板2。作为陶瓷基板2，可列举氮化硅基板、氮化铝基板、氧化铝基板、阿卢西尔高硅耐热铝合金基板等。
58.作为铜板3，可使用铜板或铜合金板。铜板优选为无氧铜板。关于无氧铜，如jis-h-3100所示，是纯度为99.96质量％以上的铜。此外，接合前的铜板中的铜结晶的平均晶体粒径优选在5μm以上且100μm以下的范围内。铜结晶的平均晶体粒径可采用线截距法算出。计数铜板表面的任意地方的直线10mm上的铜结晶，算出这些结晶的平均晶体粒径。铜结晶的晶界成为ag扩散的主要路径。若铜板的平均晶体粒径低于5μm，则ag扩散量过于增加。此外，如果铜板的平均晶体粒径大到超过100μm，则ag扩散量减少。因此，接合前的铜板的平均晶体粒径优选为5μm以上且100μm以下，更优选为10μm以上且50μm以下。
59.接着，调制含有ag及ti的活性金属钎料糊剂。优选在含有ag及ti的活性金属钎料中添加选自cu、sn、in及c中的1种或两种以上。ti也可以以tih2等化合物添加。各个成分的组成比(质量％)如前所述。
60.成为钎料原料的ag粉末的平均粒径d
50
优选为3.0μm以下，更优选为2.0μm以下。cu粉末的平均粒径d
50
优选为6.0μm以下，更优选为4.0μm以下。ti粉末或tih2粉末的平均粒径d
50
优选为6.0μm以下，更优选为4.0μm以下。sn粉末或in粉末的平均粒径d
50
优选为6.0μm以下，更优选为4.0μm以下。c粉末的平均粒径d
50
优选为6.0μm以下，更优选为4.0μm以下。
61.优选ag粉末的平均粒径d
50
小于cu粉末的平均粒径d
50
。优选ag粉末的平均粒径d
50
小于sn粉末或in粉末的平均粒径d
50
。优选cu粉末的平均粒径d
50
小于sn粉末或in粉末的平均粒径d
50
。通过减小ag粉末的粒径，而使ag容易向铜板中扩散。
62.通过混合活性金属钎料的构成成分粉末并使其均匀分散，调制混合粉末。混合时间优选为10小时以上。接着，将混合粉末与粘合剂及溶剂混合，调制活性金属钎料糊剂。将活性金属钎料糊剂涂布在陶瓷基板或铜板中的至少一者上。活性金属钎料糊剂层的厚度优选为5μm以上且60μm以下。所谓活性金属钎料糊剂层的厚度，是使所涂布的糊剂干燥后的厚度。若活性金属钎料糊剂层的厚度低于5μm，则有接合强度下降的可能性。如果活性金属钎料糊剂层的厚度超过60μm，则接合工序中的热应力增大，有接合体的翘曲增大的可能性。因此，活性金属钎料糊剂层的厚度优选为5μm以上且60μm以下，更优选为10μm以上且50μm以下。
63.在涂布了活性金属钎料糊剂后，进行载置未涂布糊剂的一方的工序。例如，在陶瓷基板上涂布了活性金属钎料糊剂后，进行将铜板载置在陶瓷基板上的工序。也可以在陶瓷基板的两面上涂布活性金属钎料糊剂，在其两面上分别配置铜板。也可以在铜板上涂布活性金属钎料糊剂，在铜板上配置陶瓷基板。
64.接着，进行接合温度为900℃以下的接合工序。所谓接合温度，为保持一定时间的最高到达温度。如果接合温度高则可促进构成铜板的铜晶粒的生长。如果铜板的晶粒生长快，则ag扩散量减少。
65.接合温度优选为900℃以下，更优选为860℃以下。接合温度的下限没有特别的限定，但优选为500℃以上。如果接合温度低，则有接合的可靠性下降的可能性。因此，接合温度优选为500℃以上且900℃以下，更优选为550℃以上且860℃以下。接合温度的保持时间优选为100分钟以下，更优选为30分钟以下。
66.接合工序中的气氛优选为真空或氮气氛。
67.真空的压力优选为10-3
pa以下。如果为真空中，则能够防止钎料中的ti在与陶瓷基板反应之前氮化。
68.所谓氮气氛，是含有90vol％以上氮的气氛。认为如果在接合工序中的气氛中存在氮，则ti在与陶瓷基板反应之前成为tin(氮化钛)。只要钎料中的ti含量为6质量％以上，即使在氮气氛中，也能够使ti与陶瓷基板充分反应。
69.接合工序可以用间歇式、连续式中的任一方式进行。在间歇式中，将陶瓷基板及铜板放入收纳容器内实施热处理。在连续式中，将陶瓷基板及铜板放在传送带上，一边移动一边实施热处理。间歇式适合在真空中进行的接合工序。连续式适合在氮气氛中进行的接合工序。在用间歇式进行接合工序时，能够缩短接合温度的保持时间。在用连续式进行接合工序时，接合温度的保持时间延长，但由于能够连续地进行热处理，所以批量生产性提高。
70.从接合温度冷却的冷却速度优选为50℃/分钟以下。通过接合工序中的热可促进ag朝铜板的扩散。在接合温度下保持后，通过以50℃/分钟以下的缓慢速度进行冷却，能够减缓ag的扩散速度。由此，能够在铜板内形成ag浓度高的区域。
71.如上所述，通过控制接合前的铜板中的铜结晶的粒径、钎料中的ag粒径、接合后的冷却速度等，能够控制铜板中的ag浓度。控制了铜板中的ag浓度的接合体具有优异的tct特性。此外，即使接合体的纵或横的尺寸大到200mm以上，也能够使其翘曲量在0.1mm以下。
72.根据需要，也可以对所制造的接合体进行多件同时加工。所谓多件同时加工，是通过将大型的接合体分割得到小的接合体的方法。为了容易分割，也可以实施激光划线加工等。根据实施方式，由于能够使接合体大型化，所以能够提供适合多件同时加工的接合体。
73.通过对所得到的接合体1的铜板3赋予电路部6及散热板7的结构，能够制造陶瓷铜电路基板10。对于对电路部6或散热板7赋予结构，刻蚀工序是有效的。也可以在电路部6或散热板7的侧面设置倾斜形状。也可以相对于接合层4，设置从电路部6或散热板7的端部突出来的突出部。
74.(实施例)
75.(实施例1～9、比较例1～2)
76.作为陶瓷基板，准备表1所示的氮化硅基板。
77.表1
[0078][0079]
接着，作为铜板，准备表2所示的铜板。铜板都为无氧铜。
[0080]
表2
[0081]
铜板板厚(mm)平均晶体粒径(μm)铜板10.818铜板21.037铜板30.8126
[0082]
接着，准备活性金属钎料。构成成分的质量％、平均粒径d50如表3所示。
[0083]
表3
[0084][0085]
接着，调制活性金属钎料糊剂，制作接合体。氮化硅基板、活性金属钎料、铜板、接合工序如表4所示。在10-3
pa以下的真空中进行接合。
[0086]
表4
[0087][0088]
对所得到的接合体，调查了铜板中的ag浓度。关于ag浓度的分析，采用edx测定了接合体的任意的断面中的铜板。作为用于测定的sem-edx，采用日本电子制造的jed-2300。
[0089]
edx的测定区域统一为宽度方向200μm
×
厚度方向50μm。测定区域彼此的间隔p统一为50μm。相对于铜板厚度为0.8mm的接合体，设定8个测定区域。相对于铜板厚度为1.0mm的接合体，设定10个测定区域。基于采用edx的测定结果，调查了在铜板3中是否存在按ag浓度相对低的区域、ag浓度相对高的区域、ag浓度相对低的区域的顺序排列的ag浓度分布。调查了ag浓度分布中的高浓度区域是否存在于距接合层和铜板的边界0.1mm以上且0.5mm以下的范围内。此外，调查了高浓度区域中的ag浓度(原子％)。
[0090]
另外，测定了接合体的翘曲量。作为接合体的翘曲量，测定了长边侧的翘曲量。将翘曲量为0.2mm以下的接合体表示为良(〇)，将翘曲量超过0.2mm的接合体表示为不良(
×
)。
[0091]
表5中示出其结果。
[0092]
表5
[0093][0094]
由表5可知，在实施例涉及的接合体中，在铜板的一部分中存在ag浓度分布。ag浓度分布中的高浓度区域位于距接合层和铜板的边界0.1mm以上且0.5mm以下的范围内。高浓度区域中的ag浓度在0.1～0.4原子％的范围内。此外，在ag浓度分布中，高浓度区域与低浓度区域之间的ag浓度的差为0.05原子％以上。接合体的翘曲量为小至0.2mm以下的值。
[0095]
与此相对应，在比较例涉及的接合体中，铜板中不存在按ag浓度相对低的区域、ag浓度相对高的区域、ag浓度相对低的区域的顺序排列的部分。比较例中，从接合层侧朝铜板表面ag浓度缓慢减小。此外，接合体的翘曲量超过0.2mm。
[0096]
得知，对于ag浓度的控制，铜板中的铜结晶的粒径、钎料的ag粒径、接合工序的冷却速度等是有效的。此外，根据实施方式，得知即使接合体的长边大型化至200mm以上，也能够降低翘曲量。
[0097]
接着，通过对接合体进行刻蚀加工，对表面侧的铜板赋予电路部的结构，对背面侧的铜板赋予散热板的结构。通过对接合体进行划线加工，而多件同时加工4个陶瓷铜电路基板。
[0098]
对各陶瓷铜电路基板调查了tct特性。
[0099]
tct试验将-40℃
×
30分钟
→
常温
×
10分钟
→
170℃
×
30分钟
→
常温
×
10分钟作为1个循环，进行了1500个循环及2500个循环的试验。将分别4个都未发生不良情况的设为最佳(
◎
)、将发生1个不良情况的设为良(〇)、将发生两个以上不良情况的设为不良(
×
)。
[0100]
表6中示出其结果。
[0101]
表6
[0102][0103]
由表6可知，实施例涉及的陶瓷铜电路基板tct特性良好。得知通过控制铜板中的ag浓度，能够改善tct特性。对于实施例1～8，高浓度区域与低浓度区域之间的ag浓度的差在0.05原子％以上且0.4原子％以下的范围内。对于实施例9，高浓度区域与低浓度区域之间的ag浓度的差为0.02原子％。得知如果ag浓度的差小，则tct特性有些降低。
[0104]
关于比较例，在循环数少时未发生不良情况。但是，比较例中，如果循环数逐渐增加则发生不良情况的陶瓷铜电路基板增加。认为这是由铜板中的ag浓度的影响造成的。
[0105]
以上，对本发明的几个实施方式进行了例示，但这些实施方式是作为例子而提示出的，其意图并非限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其它各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更等。这些实施方式和其变形包含于发明的范围、主旨中，同时包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。此外，上述的各实施方式还可通过相互组合来实施。
[0106]
符号说明
[0107]
1－接合体
[0108]
2－陶瓷基板
[0109]
3－铜板
[0110]
4－接合层
[0111]
5－测定区域
[0112]
6－电路部
[0113]
7－散热板
[0114]
10－陶瓷铜电路基板
[0115]
t－铜板的厚度
[0116]
p－测定区域彼此的间距

技术特征：
1.一种接合体，其特征在于，其具备：陶瓷基板、铜板、和接合层，其配置在所述陶瓷基板的至少一个面上，且接合所述陶瓷基板和所述铜板；所述接合层含有ag及ti，所述铜板包含：第一区域，其在厚度方向与所述接合层分离，第二区域，其设在所述接合层与所述第一区域之间，且具有比所述第一区域高的ag浓度，第三区域，其设在所述接合层与所述第二区域之间，且具有比所述第二区域低的ag浓度。2.根据权利要求1所述的接合体，其特征在于，所述第一区域、所述第二区域及所述第三区域在所述厚度方向按30μm以上且100μm以下的间距排列，所述第一区域、所述第二区域及所述第三区域分别为宽度方向100μm以上且200μm以下
×
厚度方向10μm以上且100μm以下的区域，所述第一区域、所述第二区域及所述第三区域各自中的ag浓度通过edx进行分析。3.根据权利要求1或2所述的接合体，其特征在于，所述第二区域在所述厚度方向上位于距所述接合体和所述铜板的边界0.1mm以上且0.5mm以下的范围内。4.根据权利要求1～3中任一项所述的接合体，其特征在于，所述铜板的厚度为0.8mm以上。5.根据权利要求1～4中任一项所述的接合体，其特征在于，所述陶瓷基板为氮化硅基板。6.根据权利要求1～5中任一项所述的接合体，其特征在于，所述接合层除含有ag及ti以外，还含有选自cu、sn、in及c中的1种或两种以上。7.根据权利要求1～6中任一项所述的接合体，其特征在于，所述第一区域中的ag浓度与所述第二区域中的所述ag浓度的差为0.05原子％以上，所述第二区域中的所述ag浓度与所述第三区域中的所述ag浓度的差为0.05原子％以上。8.根据权利要求1～7中任一项所述的接合体，其特征在于，所述第二区域中的所述ag浓度为0.1原子％以上且0.4原子％以下。9.一种陶瓷铜电路基板，其特征在于，其具备权利要求1～8中任一项所述的接合体。10.一种半导体装置，其特征在于，其具备：权利要求9所述的陶瓷铜电路基板，和安装在所述陶瓷铜电路基板上的半导体元件。

技术总结
实施方式涉及的接合体具备陶瓷基板、铜板和接合层。上述接合层配置在上述陶瓷基板的至少一个面上，且接合上述陶瓷基板和上述铜板。上述接合层含有Ag及Ti。上述铜板包含第一区域、第二区域及第三区域。上述第一区域在厚度方向与上述接合层分离。上述第二区域设在上述接合层与上述第一区域之间，且具有比上述第一区域高的Ag浓度。上述第三区域设在上述接合层与上述第二区域之间，且具有比上述第二区域低的Ag浓度。的Ag浓度。的Ag浓度。


技术研发人员：米津麻纪 末永诚一 藤泽幸子 佐野孝
受保护的技术使用者：东芝高新材料公司
技术研发日：2021.10.20
技术公布日：2023/7/22