JP2011124585A - セラミックス配線基板、その製造方法及び半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】熱衝撃（ヒートショック）や冷熱サイクル等によって生じる損傷に対して十分な耐久性があり、信頼性が高く、しかも電子部品と金属回路板との接続信頼性も高いセラミックス配線基板及び半導体モジュールを提供する。
【解決手段】開示されるセラミックス配線基板１は、セラミックス基板１１と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなりセラミックス基板１１の一面に接合された金属回路板１２と、銅又は銅合金からなりセラミックス基板１１の他面に接合された金属放熱板１３とから構成されている。金属回路板１２の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径は、金属放熱板１３の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径と等しいか又はそれより小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の両面にそれぞれ接合された金属回路板及び金属放熱板とから構成されたセラミックス配線基板、その製造方法及びこのセラミックス配線基板を用いた半導体モジュールに関する。
近年、例えば、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）が用いられている。パワー半導体モジュールに使用される配線基板としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる絶縁性のセラミックス基板の一方の面（上面）に回路パターンが形成される金属板（以下、「金属回路板」と称する。）を接合するとともに、他方の面（下面）に放熱用の金属板（以下、「金属放熱板」と称する。）を接合したセラミックス配線基板が広く用いられている。この金属回路板及び金属放熱板としては、銅（Ｃｕ）板又はアルミニウム（Ａｌ）板等が使用されている。なお、金属回路板及び金属放熱板を総称する場合には、適宜「金属板」と呼ぶことにする。
セラミックス基板と金属板との接合は、例えば、銅直接接合（ＤＢＣ：Direct Bonding Copper）法や活性金属ろう付け法等が用いられている。ここで、ＤＢＣ法とは、セラミックス基板と銅板とを不活性ガス又は窒素雰囲気中で共晶温度以上の温度に加熱し、生成したＣｕ−Ｏ共晶化合物液相を接合剤として銅板をセラミックス基板の一面又は両面に酸化膜相を介して直接接合するものである。一方、活性金属ろう付け法とは、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）又はハフニウム（Ｈｆ）等の活性金属と低融点合金を作る銀（Ａｇ）、銅等の金属を混合又は合金としたろう材を用いて銅板やＡｌ板をセラミックス基板の一面又は両面にろう材相を介して不活性ガス又は真空雰囲気中で加熱圧着接合するものである。そして、金属回路板については、エッチング処理して回路パターンを形成した後、回路パターン上にニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）等のメッキを施し、セラミックス配線基板が作製される。さらに、金属回路板の上面に半導体素子等が搭載されて半導体モジュールが作製される。
ところで、金属板をセラミックス基板に接合したセラミックス配線基板を用いたパワー半導体モジュールにおいては、大電流を流せるように金属板の厚さを０．３〜０．５ｍｍと比較的厚くしている場合が多い。特に、金属板に熱伝導率の高い銅板を用いた場合、熱膨張率が大きく異なるセラミックス基板と銅板を接合すると、接合後の冷却過程で熱応力が発生する。この応力は、セラミックス基板と銅板との接合部付近で圧縮と引張りの残留応力として存在する。この残留応力は、セラミックス基板にクラックを生じさせたり、絶縁耐圧不良を起こしたり、あるいは金属板の剥離の発生原因となり、熱衝撃（ヒートショック）や冷熱サイクル等によって生じる損傷に対して十分な耐久性があるとはいえないため、信頼性に問題があった。
そこで、上記問題を解決するために、従来から、以下に示すような種々の技術が提案されている。まず、従来のセラミックス配線基板には、セラミックス基板と、セラミックス基板の一面又は両面に接合された銅板とから構成されるものであって、上記銅板それぞれの銅の平均結晶粒子径が４００μｍ以上で平均サブ粒界密度が２０ｍｍ／ｍｍ２以下であるものがある（例えば、特許文献１参照。）。以下、この技術を第１の従来例と呼ぶ。
また、従来のセラミックス配線基板には、セラミックス基板と、銅板とが、Ａｇ成分と活性金属成分を含むろう材で接合されてなるものであって、銅板の断面における銅の平均結晶粒子径が３００μｍ以上であるものもある（例えば、特許文献２参照。）。以下、この技術を第２の従来例と呼ぶ。
ところが、第１及び第２の従来例のように、銅からなる金属回路板の銅の平均結晶粒子径が３００μｍ以上である場合、金属回路板の上面と下面との間の金属結晶粒界パスが短いことから、金属回路板をろう材を介してセラミック基板上へろう付けする際、ろう材の一部が金属回路板の金属結晶粒界を拡散して金属回路板の表面に流出してしまう。その結果、金属回路板の表面に半導体素子等の電子部品を半田等の接着材やボンディングワイヤを介して強固に接続させることを可能とするためにニッケル等の金属からなるメッキ層を被着させた場合、メッキ層が上記流出したろう材によって均一に被着しないという問題があった。
そのため、上記第１及び第２の従来例では、金属回路板に半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を介して接続する際、接着材が金属回路板に広がらずに接着材と金属回路板との接合面積が狭いものとなり、接続の信頼性が悪くなると同時に半田等の接着材中に多数の空隙が形成され、この空隙によって半導体素子等の電子部品が作動時に発生する熱を金属回路板に効率よく伝達放散させることができなくなり、半導体素子等の電子部品自体の温度をその特性に熱劣化等が生じる高温としてしまう。
また、上記第１及び第２の従来例では、電子部品等の電極と金属回路板とを金属細線を介して接続する際、金属回路板はその表面に流出したろう材により表面平坦性が損なわれていることから確実な接続ができず、これによって半導体素子等の電子部品と金属回路板との電気的接続の信頼性が悪くなるという問題も有する。
そこで、上記問題を解決するために、最近では、セラミックス基板と、セラミックス基板の上面に被着された金属層と、この金属層にろう付けされた金属回路板とから構成され、金属回路板の平均結晶粒子径が２００μｍ以下であるセラミックス配線基板が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。以下、この技術を第３の従来例と呼ぶ。
特開平８−１３９４２０号公報（請求項１，［０００８］，［００１２］〜［００２１］、表１） 特開平１１−１２１８８９号公報（請求項１，［０００９］〜［００１７］、表１） 特開２０００−３４０９１２号公報（請求項１，［０００５］，［０００７］〜［０００９］，［００１９］〜［００２１］、図１）
上記したように、第３の従来例によれば、ろう材の金属回路板の表面への流出、これに起因する電子部品と金属回路板との接続信頼性低下という問題を解決することはできる。しかし、上記した第１及び第２の従来例が解決した、熱衝撃等により生じる損傷に対する耐久性低下という課題を解決することはできない。
さらに、第３の従来例では、金属層及びその形成工程が必要であるため、その分コストアップにつながってしまう。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、上述のような課題を解決することができるセラミックス配線基板、その製造方法及び半導体モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係るセラミックス配線基板は、セラミックス基板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり前記セラミックス基板の他面に接合された金属放熱板とから構成されたセラミックス配線基板において、前記金属回路板の前記銅又は前記銅合金の平均再結晶粒子径は、前記金属放熱板の前記銅又は前記銅合金の平均再結晶粒子径と等しいか又はそれより小さく、前記金属回路板の前記セラミックス基板との接合界面近傍における前記銅又は前記銅合金の平均再結晶粒子径は、前記金属回路板の前記銅又は前記銅合金の平均再結晶粒子径より小さく、その比が０．１２〜０．５であり、さらに前記金属回路板および金属放熱板の平均再結晶粒子径はいずれも１００〜４００μｍであることを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のセラミックス配線基板に係り、前記銅合金は、前記銅と、少なくともニッケル、亜鉛、ジルコニウム又はスズの何れかを含むことを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のセラミックス配線基板に係り、前記セラミックス基板は、窒化珪素からなることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明に係る半導体モジュールは、請求項１乃至３の何れかに記載のセラミックス配線基板と、前記セラミックス配線基板に搭載された半導体素子とからなることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項４に記載の半導体モジュールに係り、前記セラミックス配線基板の前記金属放熱板に、前記銅又は前記銅合金からなる放熱ベース板を結合したことを特徴としている。
また、本発明は上記したセラミックス配線基板を得るための望ましい製造方法にも係る。即ち、請求項６記載の発明に係るセラミックス配線基板の製造方法は、セラミックス基板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり前記セラミックス基板の他面に接合された金属放熱板とから構成されたセラミックス配線基板の製造方法において、接合前の初期結晶粒子径の平均値がいずれも１１〜１５μｍの金属回路板および金属放熱板を各々セラミックス基板の一面および他面に配置し、５００〜１０００℃の温度で加熱して金属回路板および金属放熱板をセラミックス基板に接合する、ことを特徴としている。
また、請求項７記載の発明に係るセラミックス配線基板の製造方法は、請求項６に記載のセラミックス配線基板の製造方法に係り、前記銅合金は、前記銅と、少なくともニッケル、亜鉛、ジルコニウム又はスズの何れかを含むことを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、請求項６に記載のセラミックス配線基板の製造方法に係り、前記セラミックス基板は、窒化珪素からなることを特徴としている。
本発明によれば、熱衝撃（ヒートショック）や冷熱サイクル等によって生じる損傷に対して十分な耐久性があり、信頼性が高く、しかも、電子部品と金属回路板との接続信頼性も高いセラミックス配線基板及び半導体モジュールを提供することができる。また、そのようなセラミック配線基板の製造方法を提供することができる。
本発明の実施例に係るセラミックス配線基板１を適用した電力装置２の構成の一例を示す断面図である。 厚さ方向の熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化珪素基板を用いた場合の半導体モジュールの初期熱抵抗値の金属板の厚さに対する依存性の一例を示す図である。 加工度０％のＯ材、加工度１０％の１／２Ｈ材、加工度２０％のＨ材、銅（Ｃｕ）−ジルコニウム（Ｚｒ）（０．１５％）系合金及び銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）（０．１％）系合金）における熱処理接合温度と再結晶粒子径の関係の一例を示す図である。 加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板の表面において再結晶化した銅の再結晶粒子の光学顕微鏡観察写真の一例を示す図である。 加工度０％のＯ材からなる金属放熱板の表面において再結晶化した銅の再結晶粒子の光学顕微鏡観察写真の一例を示す図である。 セラミックス基板と銅板との接合界面のＳＥＭ写真の一例を示す図である。
本発明の実施の形態に係るセラミックス配線基板は、セラミックス基板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり、上記セラミックス基板の両面にそれぞれ接合された金属回路板及び金属放熱板とから構成されているものである。この場合、上記金属回路板の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径は、上記金属放熱板の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径と等しいか又はそれより小さく、金属回路板の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径と、金属放熱板の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径の比が０．１〜１．０であることが望ましい。
以下、さらに詳しく本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の実施の形態で用いられるセラミックス基板の材質としては、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板が望ましい。この窒化珪素基板の詳細については、後述する。
次に、金属回路板及び金属放熱板は、いずれも銅又は銅を主成分とする銅合金からなるが、本発明の実施の形態では、上記金属回路板の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径と、上記金属放熱板の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径との比が制御されていることに特徴がある。この銅又は銅合金の平均再結晶粒子径の比は、金属回路板及び金属放熱板のそれぞれについて所望の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径を得ることにより制御される。金属回路板及び金属放熱板のそれぞれについて所望の銅又は銅合金の平均再結晶粒子径を得るためには、金属回路板又は金属放熱板としてセラミックス基板に接合する前の圧延された銅板又は銅合金板の銅又は銅合金の初期結晶粒子径と、金属回路板又は金属放熱板としてセラミックス基板に接合する際の接合温度と、加熱条件（温度の制御方法）とを適宜設定すれば良い。この制御手法の詳細については、後述する。
セラミックス配線基板の信頼性を高めるためには、セラミックス基板と銅との熱膨張係数の大きな差異（Ｓｉ３Ｎ４：２．５ｐｐｍ、Ｃｕ：１６．９ｐｐｍ）によって生じる残留応力と発生応力を緩和することが重要になる。この残留応力と発生応力を緩和する有効な手段の１つとして、金属（今の場合、銅）の変形が始まるときの応力の強さを示す降伏強度を低下させることがある。一般に、金属の降伏強度や硬度等の機械的性質は、その金属結晶中の欠陥密度（格子欠陥、固溶粒子及び置換粒子など）の大小に左右され、欠陥密度が小さければ小さいほど低下する。従って、銅の降伏強度を低下させるためには、金属回路板及び金属放熱板を構成する銅の欠陥密度が小さい方が望ましいといえる。
外部応力に対する銅の変形は、銅結晶中の転位の移動によって伝達される。このとき、銅結晶中の欠陥密度が小さい場合には、応力による銅結晶中の転位の移動がスムーズになり、銅が変形しやすくなる。逆に、銅結晶中の欠陥密度が大きい場合には、銅結晶中の転位の移動が欠陥によって妨げられ、銅が変形しにくくなる。
銅板とセラミックス基板とを加熱接合した後、冷却すると、銅板に比べてセラミックス基板の方が収縮率が小さいので、銅板の方が大きく収縮しようとする。このとき、銅の降伏強度が小さい場合には、銅板が変形しやすくなるので、セラミックス基板の変形に追従して銅板が変形しようとし、結果として、セラミックス配線基板の反りは小さく、また、銅板とセラミックス基板の接合界面においてセラミックス基板に加えられる応力値が減少する。一方、銅の降伏強度が大きい場合には、銅板の変形はセラミックス基板の変形に追従しようとせず、銅板の収縮に起因する収縮応力がそのままセラミックス基板に加えられ、結果として、セラミックス配線基板の反りが大きくなり、また、銅板とセラミックス基板の接合界面近傍で銅板がセラミックス基板に加えられる応力値が高くなる。このため、接合処理後にセラミックス基板にクラックが生じたり、あるいは冷熱サイクル試験において低サイクルでの上記クラックが生じる。セラミックス配線基板としての信頼性の観点では、金属放熱板に降伏強度が低く、かつ、冷熱繰り返しに伴う加工硬化度の変化挙動が小さい銅を配置することにより、セラミックス基板に加えられる応力を低減でき、セラミックス配線基板の高寿命化を図ることができる。
以上のことから、接合処理後のセラミックス基板に加えられる応力を低減する観点では、銅の降伏強度が小さく変形しやすいような状態にしておくことが肝要であり、さらに、冷熱サイクル性を向上させる観点では、温度変化による応力を銅の変形に分散させることにより、冷熱繰り返しで銅の加工硬化度を抑制して、セラミックス基板に加えられる応力値の増大を抑止することが肝要である。ここで、加工硬化度とは、金属組織中の欠陥に転位が集中して硬化（降伏応力が高くなる）が進む現象のことをいう。銅の降伏強度、加工硬化度は、用いる銅の結晶組織に大きく関与している。何れも素材の持つ軟化点以上の温度での熱処理を実施した場合には、再結晶成長が促進され再結晶粒子が増大して降伏強度は低下する。この際、同じ温度での熱処理では、素材として用いる銅の初期結晶粒子の大きさに影響を受ける。即ち、銅結晶粒子中に欠陥（転位、格子欠陥、固溶原子など）が存在する場合には、軟化点温度が高く、また熱処理に伴う再結晶粒子の成長挙動は抑制される。ここで、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、スズ（Ｓｎ）などを含んだ銅合金は、銅よりも軟化点温度が高く、粒成長は銅結晶粒子にこれらの金属が固溶するため抑制される。従って、セラミックス配線基板を構成する銅又は銅合金の初期結晶粒子、軟化点及び熱処理温度を規定することにより、セラミックス配線基板の信頼性を高めることが可能となる。以下では、特に矛盾がない限り、「銅」という語は適宜「銅合金」も含むものとする。
ところで、銅結晶中の欠陥の大きなものの１つとして、銅結晶の粒子間に存在する結晶粒界がある。本発明は、熱衝撃に対し良好な耐久性を示すセラミックス配線基板を提供することが目的であるから、本発明の実施の形態では、金属回路板を構成する銅の降伏強度が小さく変形しやすいような状態にするとともに、金属放熱板を構成する銅の加工硬化度の増大を抑制できる状態にするために、上記粒子間に存在する結晶粒界を少なくする必要がある。
銅結晶の粒子間に存在する結晶粒界を少なくするには、銅の結晶粒子径をできるだけ大きくすれば良いが、上記したように、銅の平均結晶粒子径が２００μｍを超えると、金属回路板の上面と下面との間の金属結晶粒界パスが短くなり、ろう材の金属回路板の表面への流出、これに起因する電子部品と金属回路板との接続信頼性低下という問題があった。これに対し、上記第３の従来例のように、銅の平均結晶粒子径を２００μｍ以下とした場合には、熱衝撃に対し良好な耐久性を示すセラミックス配線基板を提供するという目的が達成できない。
上記した不都合が生じるのは、金属回路板を構成する銅の平均結晶粒子径と、金属放熱板を構成する銅の平均結晶粒子径とについて、金属回路板及び金属放熱板のそれぞれが求められる機能を考慮して、個別に設定及び制御していないためである、と本発明者らは考察した。
そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、以下に示すように、金属回路板を構成する銅の平均結晶粒子径と、金属放熱板を構成する銅の平均結晶粒子径とについて、金属回路板及び金属放熱板のそれぞれが要求される機能を考慮して、個別に設定及び制御するに至った。また、本発明者らは、金属回路板及び金属放熱板のそれぞれの銅の平均再結晶粒子径と、金属回路板及び金属放熱板のセラミックス基板との接合界面近傍におけるそれぞれの銅の平均再結晶粒子径との関係にも着目した。
まず、金属回路板は、（ａ）半導体モジュール稼動時の冷熱サイクル等においてセラミックス基板に対して強い接合強度を維持する機能と、（ｂ）半導体モジュール組立時に半導体素子及びその他の電子部品が、鉛（Ｐｂ）−スズ（Ｓｎ）系あるいはスズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系、スズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系などのはんだを介して接合された場合に強固な接合強度を有する機能と、（ｃ）各電子部品で発生した熱を効率的にセラミックス基板の厚さ方向に伝導できる機能と、が要求される。一方、金属放熱板は、（ａ）'半導体モジュール稼動時の冷熱サイクル等においてセラミックス基板に対して強い接合強度を維持する機能と、（ｃ）'各電子部品で発生した熱を効率的にセラミックス基板の厚さ方向に伝導できる機能と、が要求される。
金属回路板の機能（ａ）及び金属放熱板の機能（ａ）'は、いわゆる接合に介するろう材との濡れ性が高ければ高いほど良い。このろう材との濡れ性は、セラミックス基板との接合面積が広いほど高いことが要求される。この点、金属回路板には回路パターンが形成されるのに対し、金属放熱板は、ほぼその全面がセラミックス基板と接合される。従って、金属放熱板の機能（ａ）'は金属回路板の機能（ａ）と等しいか又はより高いことが望ましい。
一方、金属回路板の機能（ｃ）及び金属放熱板の機能（ｃ）'は、金属回路板の機能（ｃ）が金属放熱板の機能（ｃ）'より高い場合には、金属放熱板に熱が滞留することになり、ひいては半導体素子が熱破壊してしまう。従って、金属放熱板の機能（ｃ）'は金属回路板の機能（ｃ）と等しいか又はより高いことが望ましい。
次に、金属回路板の機能（ａ）〜（ｃ）並びに金属放熱板の機能（ａ）'及び（ｃ）'と、銅の平均結晶粒子径との関係について考察する。まず、接合に介するろう材には、銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−チタン（Ｔｉ）系の活性金属ろう材を用いることが多い。このろう材とセラミックス基板との濡れ性は、ろう材に含まれるＴｉ量、ろう材粒子径及びセラミックス基板の表面粗さが関与している。一方、ろう材と銅との濡れ性は、銅の再結晶粒子径に依存する。ろう材が銅表面をぬれ拡がる場合には、主としてＡｇ成分が再結晶粒子表面を移動する。この場合、再結晶粒子径が大きいほど、一度に移動する障害が少なく移動パスが大きくなる。このため、ろう材との濡れ性を確保するためには、金属板を構成する銅の再結晶粒子径を大きくすることが肝要であり、金属板を構成する銅の平均結晶粒子径が大きい方が金属板の上記濡れ性が高い。
一方、上記したように、金属放熱板の機能（ａ）'は金属回路板の機能（ａ）と等しいか又はより高いことが望ましい。従って、金属回路板の機能（ａ）と金属放熱板の機能（ａ）'との観点からは、上記金属回路板の銅の平均再結晶粒子径は、上記金属放熱板の銅の平均再結晶粒子径と等しいか又はそれより小さいことが望ましい。また、金属回路板の機能（ａ）及び金属放熱板の機能（ａ）'の観点からは、上記第１及び第２の従来例からもわかるように、金属回路板及び金属放熱板は、銅の平均結晶粒子径が４００μｍ以上又は断面における銅の平均結晶粒子径が３００μｍ以上であることが望ましい。
次に、金属回路板の機能（ｂ）の観点からは、上記第３の従来例からもわかるように、金属回路板の平均結晶粒子径は、２００μｍ以下であることが望ましい。一方、金属回路板の機能（ｃ）及び金属放熱板の機能（ｃ）'の観点からは、銅結晶の粒子間に存在する結晶粒界が熱伝導において抵抗となることから、結晶粒界が少ない方が良い。上記したように、結晶粒界を少なくするには、銅の結晶粒子径をできるだけ大きくすれば良い。
以上の考察から、金属回路板の銅の平均再結晶粒子径は、金属放熱板の銅の平均再結晶粒子径と等しいか又はそれより小さく、金属回路板の銅の平均再結晶粒子径と、金属放熱板の銅の平均再結晶粒子径の比が０．１〜１．０であることが望ましい。この場合、金属回路板の銅の平均再結晶粒子径は、用いる圧延された銅板素材の調質及びセラミックス基板との接合時の接合温度等にもよるが、１００〜４００μｍであることが望ましい。
ここで、金属回路板及び金属放熱板の銅の平均再結晶粒子径のそれぞれの下限については、銅とろう材との濡れ性が良好であるという観点から規定される。一方、金属回路板の銅の平均再結晶粒子径の上限については、接合される半導体素子との関係、例えば、ソルダーレジストが不要となる、半導体素子が規定位置に留まる性質（セルフアライメント）が良好であるという観点から規定される。また、金属放熱板の銅の平均再結晶粒子径の上限については、金属放熱板の変形能を抑制して、冷熱サイクル時のセラミックス配線基板の反りの変形挙動を抑制して耐冷熱サイクル寿命を維持するという観点から規定される。
また、金属回路板の機能（ａ）〜（ｃ）並びに金属放熱板の機能（ａ）'及び（ｃ）'のすべてを十分に発揮させるためには、金属回路板及び金属放熱板のセラミックス基板との接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径は、２０〜１００μｍであることが望ましく、さらに３０〜８０μｍであることがより望ましい。即ち、金属回路板及び金属放熱板のセラミックス基板との接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径Ｄａは、金属回路板及び金属放熱板の銅の平均再結晶粒子径Ｄｂより小さく、その比（Ｄａ／Ｄｂ）が０．１２〜０．５０であることが望ましく、さらに０．２〜０．４であることがより望ましい。
これは、以下に示す理由による。例えば、金属回路板及び金属放熱板とセラミックス基板との接合に活性金属ろう付け法を用いた場合、銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系ろう材を構成する銀（Ａｇ）成分が銅（Ｃｕ）／銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）界面において、銅結晶に固溶しているため、この銀（Ａｇ）成分が銅の再結晶を遅らせる。これにより、金属回路板及び金属放熱板のセラミックス基板との接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径は、他の部分における銅の平均再結晶粒子径よりも小さくなる。
従って、金属回路板の銅の平均再結晶粒子径と金属放熱板の銅の平均再結晶粒子径の比について望ましい形態があり、さらにこれら金属回路板及び金属放熱板（以下、「金属回路板等」と称する。）のそれぞれの銅の平均再結晶粒子径と金属回路板等のセラミックス基板との接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径との間に望ましい形態があるといえる。即ち、金属回路板等の銅の平均再結晶粒子径と金属回路板等のセラミックス基板との接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径の比Ｄａ／Ｄｂが０．１２未満となる場合には、接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径と他の部分における銅の平均再結晶粒子径との差が大きくなり、この場合、接合界面近傍での銅の硬度並びに降伏強度が高くなる。このため、冷熱繰り返しに伴い金属回路板等のセラミックス基板への負荷応力が高くなり、耐冷熱サイクル寿命の低下を招聘する。この条件は、金属回路板等とセラミックス基板との接合処理時の温度（以下、「接合処理温度」と称する。）を高く設定した場合に顕著となる。
一方、金属回路板等の銅の平均再結晶粒子径と金属回路板等のセラミックス基板との接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径の比Ｄａ／Ｄｂが０．５を超える場合には、接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径と他の部分における銅の平均再結晶粒子径との差が小さくなる。この場合、セラミックス基板と金属回路板等との接合界面における負荷応力は低減する方向となるが、この条件は、接合処理温度を低く設定した場合に顕著であり、接合処理に用いるろう材の溶融温度の下限値近傍となるため、金属回路板等とセラミックス基板との接合界面において接合不良が生じる。以上説明したことから、上記した比Ｄａ／Ｄｂは、０．１２〜０．５であることが望ましい。
さて、セラミックス配線基板を作製するにあたっては、上記したように、ＤＢＣ法や活性金属ろう付け法等を用いて、セラミックス基板と銅板とを６００〜９００℃の温度で加熱しつつ接合することにより金属回路板及び金属放熱板を作製した後、金属回路板には、エッチング処理により回路パターンを形成している。銅の再結晶温度が２００〜２５０℃であるので、銅の結晶粒子は、上記加熱接合により大きくなり、上記加熱接合前後において、金属回路板及び金属放熱板を構成する銅の状態は大きく異なっている。
従って、金属回路板及び金属放熱板のそれぞれについて所望の銅の平均再結晶粒子径を得るためには、金属回路板又は金属放熱板としてセラミックス基板に接合する前の圧延された銅板の銅の初期結晶粒子径と、上記加熱接合時の接合温度と、加熱条件（加熱温度の制御方法）とが重要な要素である。
まず、金属回路板又は金属放熱板としてセラミックス基板に接合する前の圧延された銅板素材の銅の初期結晶粒子径は、上記銅板素材の調質の影響を受ける。ここで、調質とは、焼き入れや焼き鈍しなどの熱的操作や圧延などの機械的操作を行うことにより、結晶粒子を微細にして材質を調整し、靱性などを向上させることをいう。銅板素材の場合、硬度等に応じて以下に示す調質を有するものがある。
調質記号
Ｆ 製造したまま、加工又は熱処理について特別の調整をしないもの。
Ｏ 完全に再結晶又は焼きなまししたもの。
１/４Ｈ 引張強さが１/８Ｈと１/２Ｈとの中間のもののように加工をしたもの。
１/２Ｈ 引張強さが１/４ＨとＨとの中間のもののように加工をしたもの。
３/４Ｈ 引張強さが１/２ＨとＨとの中間のもののように加工をしたもの。
Ｈ 引張強さが３/４ＨとＥＨとの中間のもののように加工をしたもの。
ＥＨ 引張強さがＨとＳＨとの中間のもののように加工をしたもの。
ＳＨ 引張強さが最大になるように加工をしたもの。
以上説明した銅板素材のうち、Ｆ材は市場に流通しておらず、ＳＨ材、ＥＨ材の流通は少ない。一方、１／４Ｈ材及び１／２Ｈ材が最も流通し、次いで、３／４Ｈ材及びＨ材の順で流通しており、これらが汎用材といえる。なお、不純物が多く含まれていると銅の結晶粒子の成長を阻害するので、本発明の実施の形態では、純銅に近い無酸素銅板等のように不純物の少ない銅板を使用することが望ましい。
また、金属回路板及び金属放熱板の素材としては、銅板に限らず、上記したように、銅合金板を用いることもできる。この場合、銅合金板としては、銅を主成分とし、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）又はスズ（Ｓｎ）等を添加したものが望ましい。銅合金を用いた場合には、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）又はスズ（Ｓｎ）により、純銅とは異なり、接合温度を上昇させても、銅合金の再結晶の成長が抑えられるので、再結晶粒子径は、微細となる。銅合金を用いた場合、銅のみの場合に比べて、耐熱性、耐腐食性に優れ、また高剛性を有している。特に、銅合金が高剛性であることにより、銅合金を用いたセラミックス配線基板も高剛性となり、半導体モジュール稼動時の冷熱サイクルに対して、セラミックス配線基板の厚さ方向の繰り返し変形（凹凸変形）の挙動が抑えられ、セラミックス基板と金属回路板の接合界面に発生する応力値を低減することができ、ひいては、セラミックス配線基板自体の耐久性が向上し、高寿命となる。
次に、セラミックス基板は、上記したように、実装信頼性及び冷熱サイクル特性の観点から、特に厚さ方向に対する高靭性を有し、かつ、高強度であって、放熱性の観点から高熱伝導性を備えた窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板が好ましく、本発明者らが先に提案した窒化珪素基板を一例として以下に示す。
（ａ）マグネシウム（Ｍｇ）とルテチウム（Ｌｕ）及びイットリウム（Ｙ）を含む希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の希土類元素（ＲＥ）を焼結助剤として添加する窒化珪素質焼結体であって、焼結体中にマグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算で０．０３〜８．０ｍｏｌ％、ルテチウム（Ｌｕ）を酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）換算で０．１４〜１．３０ｍｏｌ％、希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の元素を酸化物（ＲＥｘＯｙ）換算で０．１２〜１．３０ｍｏｌ％含有し、残部がβ窒化珪素からなる窒化珪素質焼結体を用いた窒化珪素基板。
（ｂ）マグネシウム（Ｍｇ）とルテチウム（Ｌｕ）及びイットリウム（Ｙ）を含む希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の希土類元素を焼結助剤として添加する窒化珪素質焼結体であって、焼結体中にマグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算で０．０３〜８．０ｍｏｌ％、ルテチウム（Ｌｕ）を酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）換算で０．１４〜１．３０ｍｏｌ％、希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の元素を酸化物（ＲＥｘＯｙ）換算で０．１２〜１．３０ｍｏｌ％含有し、残部がβ窒化珪素からなり、当該焼結体中の総酸素量が２．５質量％以下である窒化珪素質焼結体を用いた窒化珪素基板。
（ｃ）マグネシウム（Ｍｇ）とルテチウム（Ｌｕ）及びイットリウム（Ｙ）を含む希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の希土類元素を焼結助剤として添加する窒化珪素質焼結体であって、焼結体中にマグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算で０．０３〜８．０ｍｏｌ％、ルテチウム（Ｌｕ）を酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）換算で０．１４〜１．３０ｍｏｌ％、希土類元素（ＲＥ）から選択された少なくとも１種の元素を酸化物（ＲＥｘＯｙ）換算で０．１２〜１．３０ｍｏｌ％含有し、残部がβ窒化珪素からなり、当該焼結体は窒化珪素粒子と粒界相とからなり、当該粒界相に少なくとも（ＲＥ、Ｌｕ）４Ｓｉ２Ｏ７Ｎ２結晶が析出している窒化珪素質焼結体を用いた窒化珪素基板。
（ｄ）上記（ａ）〜（ｃ）の窒化珪素基板において、希土類元素がガドリウム（Ｇｄ）であり、酸化ガドリウム（Ｇｄ２Ｏ３）換算で０．１２〜１．３０ｍｏｌ％含有している窒化珪素質焼結体を用いた窒化珪素基板。
（ｅ）上記（ｃ）又は（ｄ）の窒化珪素基板において、焼結体中の総酸素量が２．５質量％以下である窒化珪素焼結体を用いた窒化珪素基板。
また、β分率が３０〜１００％であり、酸素含有量が０．５ｗｔ％以下であり、平均粒子径が０．２〜１０μｍであり、アスペクト比が１０以下である第一の窒化珪素素質粉末１〜５０重量部と、平均粒子径が０．２〜４μｍの第二のα型窒化珪素粉末９９〜５０重量部と、マグネシウム（Ｍｇ）と、イットリウム（Ｙ）及び希土類元素（ＲＥ）からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素とを含む焼結助剤とを配合し、１８００〜２０００℃の温度、０．５〜０．９２ＭＰａの窒素加圧雰囲気にて焼結することにより製造した窒化珪素素質焼結体を用いても良い。このような窒化珪素素質焼結体は、当該焼結体が含有するマグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）に換算し、同じく含有するランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）及びイッテルビウム （Ｙｂ）を含む希土類元素を希土類酸化物（ＲＥｘＯｙ）に換算したとき、これら酸化物に換算した酸化物含有量の合計が０．６〜１０ｗｔ％で、かつ、（ＭｇＯ）／（ＲＥｘＯｙ）＞１であるものが良く、このような窒化珪素質焼結体を用いた窒化珪素基板がある。
次に、セラミックス基板に上記した窒化珪素基板の何れかを用いた場合の金属回路板及び金属放熱板の厚さについて説明する。金属回路板及び金属放熱板の厚さは、いずれも０．４〜３．０ｍｍであることが望ましい。図２に、厚さ方向の熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋである窒化珪素基板（厚さ０．３２ｍｍ）を用いた場合の半導体モジュールの初期熱抵抗値（Ｒｊｃ）の金属板の厚さに対する依存性の一例を示す。図２において、例えば、（０．４＋０．３）とは、左側の数値が金属回路板の厚さ、右側の数値が金属放熱板の厚さを示している。
図２からは、半導体モジュールの初期熱抵抗値は、金属放熱板の厚さより金属回路板の厚さを厚くした方がより低下しやすいことが分かる。また、図２では、金属回路板の厚さが０．４ｍｍ以上において、半導体モジュールの初期熱抵抗値が０．１７℃／Ｗ以下に急激に低下していることが分かる。これは、以下に示す理由によると考えられる。即ち、半導体モジュールの低熱抵抗化においては、動作している半導体素子の温度を何度まで下げることができるかが重要である。厚さが厚い銅板は、銅板の垂直方向への熱拡散と面内方向への熱拡散とが行われるため、半導体素子からの熱を速やかに吸収する能力に優れている。これに対し、厚さが薄い銅板は、銅板の垂直方向への熱拡散だけが行われるため、セラミックス基板との接合界面で熱が滞留するという不具合が見られる。
以上のことから、金属回路板及び金属放熱板の厚さの下限は、いずれも０．４ｍｍであることが望ましい。
次に、金属回路板及び金属放熱板の厚さの上限について説明する。まず、銅からなる金属回路板及び半導体チップのそれぞれの熱膨張係数に大きな差異（銅：１６．９ｐｐｍ、半導体チップ：６ｐｐｍ）があるため、金属回路板が厚ければ厚いほど、半導体チップを金属回路板の上面に接合している半田層が歪む量が大きくなる。この結果、冷熱サイクルに対する信頼性が低下してしまう。また、上記したように、窒化珪素基板及び銅からなる金属回路板のそれぞれの熱膨張係数に大きな差異（Ｓｉ３Ｎ４：２．５ｐｐｍ、Ｃｕ：１６．９ｐｐｍ）があるため、金属回路板が厚ければ厚いほど、窒化珪素基板に金属回路板を接合した際の金属回路板と窒化珪素基板との界面における残留応力が大きくなり、冷熱サイクルに対する信頼性が低下してしまう。
一方、銅からなる金属放熱板については、図２に示すように、厚さを２．５ｍｍより厚くしても、熱抵抗値が飽和してしまうため、厚くすることによる熱抵抗値低下の効果は期待できない。また、上記したように、窒化珪素基板及び銅からなる金属放熱板のそれぞれの熱膨張係数に大きな差異（Ｓｉ３Ｎ４：２．５ｐｐｍ、Ｃｕ：１６．９ｐｐｍ）があるため、金属放熱板が厚ければ厚いほど、窒化珪素基板に金属放熱板を接合した際の金属放熱板と窒化珪素基板との界面における残留応力が大きくなり、冷熱サイクルに対する信頼性が低下してしまう。
次に、金属回路板の厚さと金属放熱板の厚さとの関係について説明する。半導体素子の下面と金属回路板の上面との密着性・接合性を保持する（ボイド率：５％以内）ために、金属回路板をセラミックス基板に接合した後のセラミックス配線基板の反り量は、１００μｍ／ｉｎｃｈ以内に抑える必要がある。以下、その理由について説明する。まず、金属回路板をセラミックス基板に接合する場合、上記したように、セラミックス基板と金属回路板とを約５００〜１０００℃の温度で加熱した後、冷却する。このとき、金属回路板に比べてセラミックス基板の方が収縮率が小さいので、金属回路板の方が大きく収縮し、セラミックス配線基板は、金属回路板側を内側として反ることになる。次に、回路パターンが形成された金属回路板の上面に半導体チップその他の電子部品を半田付けする場合にも、半田を溶融するため、電子部品と金属回路板とを加熱した後、冷却する。例えば、スズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系半田では、２７０℃程度まで加温する。この場合のセラミックス配線基板の変形は、最初に持っている反り形状を開放する様になり、逆反り、即ち、セラミックス基板側を内側として反ることになる。
本発明者らは、上記したセラミックス配線基板の変形は、金属回路板の体積と金属放熱板の体積との比を所定の範囲に規定することにより制御できると考えている。具体的には、金属回路板の回路パターンの形状で金属回路板の体積が変化するので、金属回路板の厚さと金属放熱板の厚さとの比によって規定する。本発明者らが鋭意検討した結果、金属回路板の厚さと、金属放熱板の厚さの比が０．８〜１．６であることが望ましいことが分かった。さらに、金属回路板の方が厚いことがより望ましい。
次に、上記構成のセラミックス配線基板の製造方法について説明する。
活性金属ろう付け法の金属回路板及び金属放熱板をそれぞれ構成する銅の初期結晶粒子径は、例えば、１０〜１００μｍである。
ろう材の代表的なものには，銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−チタン（Ｔｉ）系、銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）−チタン（Ｔｉ）系、コバルト（Ｃｏ）−チタン（Ｔｉ）系、ニッケル（Ｎｉ）−チタン（Ｔｉ）系、アルミニウム合金系等がある。これらの中では、銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−チタン（Ｔｉ）系のろう材が最も多く使われるが、これはいわゆる銀ろうにチタンを添加したものである。チタン量は、多量に添加すると、ろう材そのものが脆化するので、１〜３質量％の範囲が一般的である。
まず、窒化珪素基板の上面にスクリーン印刷等により、ろう材ペーストを予め設計された回路パターン形状に沿って塗布し、所定の厚さのろう材層を形成する。次に、脱脂を行い、バインダー成分を除去する。脱脂中の加熱温度、時間等の処理条件は、バインダー成分によって種々異なるが、処理中の雰囲気については窒素（Ｎ２）中、アルゴン（Ａｒ）中のような非酸化雰囲気又は真空中での処理を行えば、活性金属が酸化されることなく好適である。また、ろう材ペースト用のバインダーを適宜選定すると、別途脱脂プロセスを設けることなく、ろう付け処理の昇温過程において、所定温度で保持することにより、脱脂・ろう付け処理を同時に行うことができる。
一方、ろう材層のパターンと相似形の回路パターンの銅からなる金属回路板を別途用意する。この金属回路板の回路パターンを予め形成する方法としては、例えば、プレス加工、エッチング法、放電加工等がある。次に、ろう材層が金属回路板と窒化珪素基板との間に配置されるように部材同士を重ねる。また、窒化珪素基板の下面には、ろう材層を形成した後、銅からなる金属放熱板を載置し、それぞれ加圧状態で保持する。これら試料を保持する際には、カーボン製、ステンレス製あるいは高融点金属であるモリブデン製、タングステン製の治具を用いる。
次に、金属回路板と金属放熱板を載置した窒化珪素基板を所定温度と時間にわたって熱処理した後、冷却することにより、窒化珪素基板に金属回路板と金属放熱板を強固にろう材層を介して接合する。この場合、ろう材が窒化珪素基板と銅からなる金属回路板及び金属放熱板を十分に濡らし、また、回路パターンつぶれが発生しないようにするため、さらに両者の熱膨張係数の違いからくる残留応力による耐熱衝撃性の低下を防止するために、接合温度は、７００〜８００℃、また、冷却速度は、保持温度から４００℃までの降温が２℃／ｍｉｎ以下であることが好ましい。また、雰囲気については真空中で処理を行うことが活性金属粉末及び銅粉末、銅板が酸化されることなく良好な接合状態を得ることができ、特に１０-２Ｐａ以下の真空度で接合することが望ましい。さらに接合時に適度な荷重をかけることで銅からなる金属回路板及び金属放熱板とろう材、窒化珪素基板とろう材がそれぞれより確実に接触でき、良好な接合状態が得られる。重さとしては２０〜１５０ｇ／ｃｍ２の荷重を採用することができる。保持時間は、接合体をセットするカーボン製治具の形状及び積載量により調整する必要があり、５〜３０分が望ましい。
（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の実施例に係るセラミックス配線基板１を適用した電力装置２の構成の一例を示す断面図である。セラミックス配線基板１は、窒化珪素基板からなるセラミックス基板１１の上面に図示せぬろう材を介して接合された金属回路板１２と、下面に図示せぬろう材を介して接合された金属放熱板１３とから構成されている。このセラミックス配線基板１の金属回路板１２の上面にＭＯＳＦＥＴ等からなる半導体素子１４が半田１５により接合されて半導体モジュール３が構成されている。
この半導体モジュール３は、複数のケース端子２２が設けられた樹脂ケース２１の内部に収納されている。半導体素子１４の図示せぬ各端子と金属回路板１２に形成された対応する図示せぬ端子との間、半導体素子１４の図示せぬ各端子とケース端子２２との間及び金属回路板１２に形成された図示せぬ端子とケース端子２２との間は、それぞれ金等からなるワイヤ１６を用いてワイヤーボンディングにより電気的に接続されている。このように構成された樹脂ケース２１の内部には、シリコンゲル樹脂等が充填され、樹脂製の蓋２３により封止されている。なお、金属放熱板１３の下面には、銅又は銅を主成分とする銅合金、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等の低熱膨張材からなる放熱ベース板３１を半田３２、接着剤、あるいはボルト等の締結部材により結合しても良い。図１に示す放熱ベース板３１には、ボルト締結穴３３が形成されている。
図３に加工度０％のＯ材（◆印）、加工度１０％の１／２Ｈ材（■印）、加工度２０％のＨ材（▲印）、銅（Ｃｕ）−ジルコニウム（Ｚｒ）（０．１５％）系合金（×印）及び銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）（０．１％）系合金（＊印）における熱処理温度と再結晶粒子径の関係の一例を示す。ここで、加工度とは、銅板素材又は銅合金板素材の最終板厚さに至る前段の厚さに対する厚さ変化率を示したものをいい、加工度が高いほど結晶粒子径は小さくなる。
図３からは、銅又銅合金の再結晶粒子径は、熱処理（接合）温度が高くなるに従って大きくなるが、銅板素材の調質種又は銅合金板素材の種類によって異なっていることが分かる。従って、例えば、銅の再結晶粒子径を１００〜４００μｍに制御する場合、無酸素銅によるＯ材では約４００〜９００℃の間で、１／２Ｈ材では約５００〜９５０℃の間で、Ｈ材では約５００〜１０５０℃の間でそれぞれ接合処理を行って制御することになる。
一方、図３には図示していない範囲があるが、銅（Ｃｕ）−ジルコニウム（Ｚｒ）（０．１５％）系合金（×印）及び銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）（０．１％）系合金（＊印）における熱処理温度と再結晶粒子径の関係は、処理温度の全範囲に亘ってほぼ同じ傾向を示すため、これらの銅合金の再結晶粒子径を１００〜４００μｍに制御するには、約７６０〜１２００℃の間でそれぞれ接合処理を行って制御することになる。このように、金属板の再結晶粒子径は、銅又は銅合金の種類及び接合温度によって適宜を制御することができる。
次に、本発明の実施例に係るセラミックス配線基板の評価方法について説明する。
初期結晶粒子径及び再結晶粒子径としては、キーエンス社製の超深度レーザ顕微鏡を用いて、金属板の２×２ｍｍの視野において無作為に選択した粒子２０個の最長径を測定した平均値を用いた。一方、金属回路板とセラミックス基板との接合界面のボイド率は、日立建機社製の超音波探査映像装置Ｍｉ−Ｓｃｏｐｅを用いて、上記接合界面の白黒の２５６階調の評価画像についてしきい値を９２として２値化処理を行い、反射法にて評価面積（黒色部）に対する白色部の割合を測定することにより得た。
また、熱抵抗については、半導体モジュールを高熱伝導グリースを介して２０℃に設定した水冷銅ジャケット上に設置し、半導体モジュールに電流１４Ａを投入し１秒後の半導体素子にかかる電圧の変化を測定した。そして、予め測定しておいた半導体素子の温度と電圧の関係から素子温度の上昇値を求めることにより熱抵抗を測定した。さらに、冷熱サイクル試験は、−４０℃〜１２５℃で冷熱サイクル試験を１０００サイクルまでと３０００サイクルまでとを目処に行い、冷熱サイクル試験後、窒化珪素基板のクラック発生の有無を確認した。１０００サイクル以上であれば実用に供するので、１０００サイクルを良好の判断基準とした。
また、はんだ濡れ性については、以下のように評価した。即ち、まず、金属回路板又は金属放熱板上に、鉛（Ｐｂ）−スズ（Ｓｎ）系又はスズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系、スズ（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系等のはんだペーストを塗布した際の面積を面積Ａとする。一方、所定のリフロー条件において温度プロファイル経過後の溶融はんだ部の占有面積を面積Ｂとする。そして、Ａ／Ｂ×１００（％）が９５％以上となる場合をはんだ濡れ性が良好であると評価した。
次に、金属回路板及び金属放熱板の調質の種類、厚さ、接合温度をパラメータとしてセラミックス配線基板を製造した場合の実施例１〜１６の製造条件及び製造結果を表１に示す。
以下、表１について説明する。まず、左から２番目及び３番目の列「金属回路板」及び「金属放熱板」における各数値は、金属回路板及び金属放熱板に用いる銅板素材及び銅合金板素材のそれぞれの調質の種類及び加工度を意味している。即ち、「０％」は加工度０％のＯ材、「５％」は加工度５％の１／４Ｈ材、「１０％」は加工度１０％の１／２Ｈ材、「２０％」は加工度２０％のＨ材を意味している。
次に、左から４番目及び５番目の列「金属回路板」及び「金属放熱板」における各数値は、金属回路板及び金属放熱板に用いる銅板素材及び銅合金板素材のそれぞれの厚さをミリメートル単位で表している。また、左から６番目及び７番目の列「金属回路板」及び「金属放熱板」における各数値は、金属回路板及び金属放熱板としてセラミックス基板に接合する前の圧延された銅板素材又は銅合金板素材の銅又は銅合金の初期結晶粒子径を上記した評価方法で測定し、マイクロメートル単位で表している。
次に、左から８番目の列「接合温度（℃）」における各数値は、金属回路板及び金属放熱板をセラミックス基板に接合する際の接合温度を摂氏で表している。また、左から９番目及び１０番目の列「金属回路板」及び「金属放熱板」における各数値は、セラミックス基板に金属回路板及び金属放熱板を熱処理して接合することにより金属回路板及び金属放熱板のそれぞれにおいて再結晶した銅又は銅合金の粒子径をマイクロメートル単位で表している。また、左から１１番目の列「金属回路板／金属放熱板」における各数値は、対応する「金属回路板」の平均再結晶粒子径と「金属放熱板」の平均再結晶粒子径との比を表している。さらに、最右列「Ｄａ／Ｄｂ」における各数値は、金属回路板とセラミックス基板との接合界面近傍における接合処理後の銅の再結晶粒子径Ｄａと金属回路板の接合処理後の銅の再結晶粒子径Ｄｂとの比を意味している。なお、表１には記載していないが、金属放熱板とセラミックス基板との接合界面近傍における接合処理後の銅の再結晶粒子径と金属放熱板の接合処理後の銅の再結晶粒子径との比についても、Ｄａ／Ｄｂと同様な傾向であった。
また、実施例１〜４は金属回路板及び金属放熱板の調質の種類に注目して、実施例５〜１０は金属回路板及び金属放熱板の厚さに注目して、実施例１１及び１２は上記接合温度に注目して、それぞれセラミックス配線基板を製造した場合の製造条件及び製造結果を示している。さらに、実施例１３〜１６は金属板の素材として銅合金板素材を用いてセラミックス配線基板を製造した場合の製造条件及び製造結果を示している。実施例１３及び１４は何れも銅合金板素材として銅（Ｃｕ）−ジルコニウム（Ｚｒ）（０．１５％）系合金を用いた場合、実施例１５及び１６は何れも銅合金板素材として銅（Ｃｕ）−スズ（Ｓｎ）（０．１％）系合金を用いた場合である。
表２には、上記した表１に示す実施例１〜１６の製造条件及び製造結果に対応した評価結果を示す。
（比較例）
上記実施例１〜１６と比較するために、表１の比較例１〜８に示す製造条件に基づいてセラミックス配線基板を作成し、対応する製造結果を得た。また、評価方法も実施例１〜１６と同様に行った。以上の製造条件により製造された試料の評価結果を、表２の比較例１〜８に示す。
比較例１及び２は金属回路板及び金属放熱板の厚さに注目して、比較例３〜５はセラミックス基板に金属回路板及び金属放熱板を接合することにより金属回路板及び金属放熱板のそれぞれにおいて再結晶した銅又は銅合金の粒子径に注目して、それぞれセラミックス配線基板を製造した場合の製造条件及び製造結果を示している。また、比較例６及び７は金属回路板の平均再結晶粒子径と平均金属放熱板の再結晶粒子径との比に注目して、比較例８は金属回路板及び金属放熱板とセラミックス基板とのそれぞれの接合界面近傍における接合処理後の銅の再結晶粒子径Ｄａと金属回路板及び金属放熱板の接合処理後のそれぞれの銅の再結晶粒子径Ｄｂとの比Ｄａ／Ｄｂに注目して、それぞれセラミックス配線基板を製造した場合の製造条件及び製造結果を示している。さらに、比較例９は金属回路板に再結晶成長の極度に遅い合金を使用するとともに、金属回路板の平均再結晶粒子径と平均金属放熱板の再結晶粒子径との比に注目して、比較例１０は接合温度及び上記した比Ｄａ／Ｄｂに注目して、それぞれセラミックス配線基板を製造した場合の製造条件及び製造結果を示している。
表１において、実施例１は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３５μｍであって、加工度５％の１／４Ｈ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２８０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．８０、Ｄａ／Ｄｂ；０．２４がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．５％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．１％、熱抵抗；０．１３８℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径が２８０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径が３５０μｍであり、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径との比が０．８０であるため、冷熱サイクルが３０００サイクルより多く、熱衝撃（ヒートショック）や冷熱サイクル等によって生じる損傷に対して十分な耐久性があり、信頼性が高く、しかも、電子部品と金属回路板との接続信頼性も高いセラミックス配線基板及び半導体モジュールを構成することができた。また、半導体モジュールを構成した際の熱抵抗が０．２℃／Ｗ以下となり、パワー半導体用の放熱基板とし十分に使用可能である値となった。さらに、金属回路板とセラミックス基板との接合界面のボイド率及び金属放熱板とセラミックス基板との接合界面のボイド率が何れも５％以内であるため、半導体素子の下面と金属回路板の上面との密着性・接合性を良好に保持することができるとともに、金属放熱板の下面と放熱ベースの上面との密着性・接合性を良好に保持することができる。
表１において、実施例２は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２５０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７１、Ｄａ／Ｄｂ；０．２０がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．６％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；０．９％、熱抵抗；０．１４０℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例３は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３０μｍであって、加工度２０％のＨ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；１８０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．５１、Ｄａ／Ｄｂ；０．１８がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．２％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；０．８％、熱抵抗；０．１４２℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例４は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３０μｍであって、加工度２０％のＨ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；１８０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；２５０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７２、Ｄａ／Ｄｂ；０．１８がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．３％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．１％、熱抵抗；０．１４３℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例５は、０．４ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．３ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２４５μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５８μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．６８、Ｄａ／Ｄｂ；０．２２がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．４％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．２％、熱抵抗；０．１７０℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例６は、１．０ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３１μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．８ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が４０μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２４８μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５２μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７０、Ｄａ／Ｄｂ；０．２３がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．３％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．１％、熱抵抗；０．１１５℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例７は、１．２ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、１．０ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２４２μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５５μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．６８、Ｄａ／Ｄｂ；０．２５がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．６％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．５％、熱抵抗；０．１１０℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例８は、１．４ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３３μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、１．２ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２５２μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５２μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７１、Ｄａ／Ｄｂ；０．２７がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．７％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．３％、熱抵抗；０．１０５℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例９は、２．０ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、２．０ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が４０μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２５０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３６１μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．６９、Ｄａ／Ｄｂ；０．３がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．８％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．９％、熱抵抗；０．１００℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；２５００サイクルがそれぞれ得られた。
表１において、実施例１０は、３．０ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、３．０ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２５０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３４９μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７２、Ｄａ／Ｄｂ；０．２９がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．９％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．８％、熱抵抗；０．０８０℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；２０００サイクルがそれぞれ得られた。
表１において、実施例１１は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３１μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度５００℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；１２０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；１６０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７５、Ｄａ／Ｄｂ；０．２２がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；２．２％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；２．５％、熱抵抗；０．１４５℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例１２は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３１μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度９００℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；３２０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３９８μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．８０、Ｄａ／Ｄｂ；０．２４がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；０．９％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；０．９％、熱抵抗；０．１３８℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例１３は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１５μｍであって、加工度２０％のＨ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１３μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；１１０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；１３０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．８４、Ｄａ／Ｄｂ；０．４８がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．１％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．０％、熱抵抗；０．１５２℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例１４は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１５μｍであって、加工度２０％のＨ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１３μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属放熱板を接合温度１０００℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２１０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；２８０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７５、Ｄａ／Ｄｂ；０．３９がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．１％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．０％、熱抵抗；０．１４８℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例１５は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１１μｍであって、加工度２０％のＨ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；１０５μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；１２４μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．８５、Ｄａ／Ｄｂ；０．４５がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．０％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；０．９％、熱抵抗；０．１５８℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
表１において、実施例１６は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１１μｍであって、加工度２０％のＨ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属放熱板を接合温度１０００℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；１９０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；２４０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７９、Ｄａ／Ｄｂ；０．３６がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．０％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；０．９％、熱抵抗；０．１５３℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
これに対し、比較例１は、０．３ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．２５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２４０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３６０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．６７、Ｄａ／Ｄｂ；０．２５がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；０．５％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；０．５％、熱抵抗；０．２１０℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
金属回路板が０．３ｍｍの厚さを有するとともに、金属放熱板が０．２５ｍｍの厚さを有しているので、半導体モジュールを構成した際の熱抵抗が０．２１０℃／Ｗとなり、パワー半導体用の放熱基板とし使用するには不十分なものとなってしまった。
比較例２は、３．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、３．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２４２μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５８μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．６８、Ｄａ／Ｄｂ；０．２９がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；２．６％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；２．８％、熱抵抗；０．０７０℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；８００サイクルがそれぞれ得られた。
金属回路板が３．５ｍｍの厚さを有するとともに、金属放熱板が３．５ｍｍの厚さを有しているので、半導体チップを金属回路板の上面に接合している半田層が歪む量が大きく、これにより、金属回路板をセラミックス基板に接合した後のセラミックス配線基板の反り量が大きくなり、冷熱サイクル特性が８００サイクルと低くなって信頼性が低下してしまった。
比較例３は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度４００℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；８５μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；１０５μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．８１、Ｄａ／Ｄｂ；０．３６がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；接合不足、金属放熱板のはんだ濡れ性；接合不足、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；３０％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；２８％、熱抵抗；０．１７０℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；測定不能がそれぞれ得られた。
熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径が８５μｍと小さく、かつ、金属放熱板の再結晶粒子径も１０５μｍと小さいため、金属回路板及び金属放熱板を構成する銅とろう材との濡れ性が低下し接合不足となるため、冷熱サイクル特性が測定不能な状態になってしまっ
た。
比較例４は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度９５０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；３２８μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；４２０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７８、Ｄａ／Ｄｂ；０．１８がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；２．０％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．５％、熱抵抗；０．１４２℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
しかしながら、金属放熱板の再結晶粒子径が大きく、所定の温度条件での加熱接合処理時に、ろう材成分、特に銀（Ａｇ）成分が容易に濡れ広がるため、ろう材成分が金属放熱板とセラミックス基板との界面にとどまるのみでなく、金属放熱板の表面にまで周り込む現象が生じた。このろう材のぬれ広がり部は、外観上の問題だけでなく、メッキ層との密着性、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング性を劣化させた。
比較例５は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度１０００℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；４３５μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；５７０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．７６、Ｄａ／Ｄｂ；０．１６がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；はんだ流れ、金属放熱板のはんだ濡れ性；はんだ流れ、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；０．８％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；０．７％、熱抵抗；０．１４２℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；３０００サイクルより大がそれぞれ得られた。
熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径が４３５μｍと大きく、かつ、金属放熱板の再結晶粒子径も５７０μｍと大きいため、金属回路板及び金属放熱板をろう材を介してセラミック基板上へろう付けする際、ろう材の一部が金属回路板及び金属放熱板の金属結晶粒界を拡散して金属回路板及び金属放熱板の表面に流出するはんだ流れが生じてしまった。
比較例６は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；３５０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；２５０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；１．４０、Ｄａ／Ｄｂ；０．２５がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．２％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；３．５％、熱抵抗；０．１４２℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；９５０サイクルがそれぞれ得られた。
比較例６では、金属回路板の再結晶粒子径よりも金属放熱板の再結晶粒子径が小さくなり、接合処理後の銅自体の塑性変形能は、金属回路板側が大きいので、セラミックス配線基板の反り形状は、金属放熱板側に凹形状（金属回路板側に凸形状）となる。この場合、冷熱サイクル時にセラミックス配線基板に凹凸の変形を繰り返すが、最終的には、より金属回路板側に凸形状の反り量を増大させることになる。この場合、金属回路板とセラミックス基板との界面で応力集中が起こり、冷熱サイクル特性が９５０サイクルに低下する不具合が生じた。
比較例７は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３２μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３０μｍであって、加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；２５０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；１８０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；１．３９、Ｄａ／Ｄｂ；０．２０がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；０．９％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；３．６％、熱抵抗；０．１５４℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；９５０サイクルがそれぞれ得られた。
比較例７においも上記した比較例６と同様の事由により冷熱サイクル特性が９５０サイクルに低下する不具合が生じた。
比較例８は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３６μｍであって、加工度０％のＯＨ材からなる金属放熱板を接合温度９００℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；３７５μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３９０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．９６、Ｄａ／Ｄｂ；０．１がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１．２％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；１．５％、熱抵抗；０．１３７℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；９００サイクルがそれぞれ得られた。
比較例８では、Ｄａ／Ｄｂが０．１であるため、接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径と他の部分における銅の平均再結晶粒子径との差が大きくなり、接合界面近傍での銅の硬度並びに降伏強度が高くなる。この結果、冷熱繰り返しに伴い金属回路板及び金属放熱板のセラミックス基板への負荷応力が高くなり、冷熱サイクル特性が９００サイクルに低下する不具合が生じた。
比較例９は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が１２μｍであって、加工度２０％の再結晶成長の極度に遅い銅（Ｃｕ）−ジルコニウム（Ｚｒ）−ニッケル（Ｎｉ）系の銅合金からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３５μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度７６０℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；３２μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；３５０μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．０９、Ｄａ／Ｄｂ；０．３８がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；接合不足、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；２．５％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；２．２％、熱抵抗；０．１８０℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；８００サイクルがそれぞれ得られた。
比較例９では、金属回路板の再結晶粒子径が小さく、はんだ濡れ性に問題があり、この構成のセラミックス配線基板の金属回路板側に半導体素子を接合させる場合に、半導体素子と金属回路板との界面においてボイド率；６〜１０％の接合不良を生じた。このため、冷熱サイクル試験では、冷熱繰り返しに伴い、この接合界面でのボイド率が増大し、８００サイクルで半導体素子が剥離する不具合が生じた。
比較例１０は、０．６ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３０μｍであって、加工度２０％のＨ材からなる金属回路板と、０．５ｍｍの厚さを有し、初期結晶粒子径が３９μｍであって、加工度０％のＯ材からなる金属放熱板を接合温度６００℃でセラミックス基板の両面に接合した。その結果、表１に示すように、熱処理後の金属回路板の再結晶粒子径；１５０μｍ、金属放熱板の再結晶粒子径；２２５μｍ、金属回路板の再結晶粒子径と金属放熱板の再結晶粒子径の比；０．６７、Ｄａ／Ｄｂ；０．６がそれぞれ得られた。また、表２に示すように、金属回路板のはんだ濡れ性；良好、金属放熱板のはんだ濡れ性；良好、金属回路板とセラミックス基板との接合界面ボイド率；１２．５％、金属放熱板とセラミックス基板のとの接合界面ボイド率；９．８％、熱抵抗；０．１５２℃／Ｗ、冷熱サイクル特性；：測定不能がそれぞれ得られた。
比較例１０では、接合温度が低く、セラミックス配線基板を構成する金属回路板及び金属放熱板とセラミックス基板との接合界面でのボイド率が５％を超える不具合が生じた。
なお、Ｄａ／Ｄｂが０．５より大きくなる条件は、再結晶成長が進まない範囲で生じる現象であり、ろう材近傍にある銅（Ｃｕ）結晶には、ろう材成分が固溶するため、再結晶粒子成長が抑制される。一方、表面近傍にある銅（Ｃｕ）結晶は、銅（Ｃｕ）自体の純度が高いため、接合温度の上昇とともに、成長する。従って、加工度が一定である銅又は銅合金を用いた場合には、温度の上昇とともに、Ｄａ／Ｄｂ比は減少する傾向にある。
表２の結果より、実施例１３〜１６における初期粒子径（１１〜１５μｍ）は、実施例１〜１２（３０〜４０μｍ）よりも小さくなっている。これにより、実施例１３〜１６においては、実施例１〜１０、１２と比べて熱抵抗はやや高くなるものの、１．１％以下という極めて低い接合界面ボイド率が得られることが表２より明らかである。また、表２より、実施例１〜１０、１２と実施例１３〜１６においては、熱衝撃や冷熱サイクル等によって生じる損傷に対する耐久性と、高い信頼性、電子部品と金属回路版との高い接続信頼性が得られることは明らかである。
ここで、図４に加工度１０％の１／２Ｈ材からなる金属回路板の表面において再結晶化した銅の再結晶粒子の光学顕微鏡観察写真の一例を示す。また、図５に加工度０％のＯ材からなる金属放熱板の表面において再結晶化した銅の再結晶粒子の光学顕微鏡観察写真の一例を示す。図４と図５を比較して分かるように、金属回路板の銅の再結晶粒子に比べて金属放熱板の銅の再結晶粒子の方がサイズが大きい。さらに、図６にセラミックス基板と銅板との接合界面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真の一例を示す。図６からは、接合界面近傍に存在する銅の再結晶粒子よりも接合界面から離れた位置に存在する銅の再結晶粒子の方がサイズが大きいことが分かる。これは、上記したように、例えば、金属回路板及び金属放熱板とセラミックス基板との接合に活性金属ろう付け法を用いた場合、ろう材を構成する銀（Ａｇ）成分が銅（Ｃｕ）／銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）界面において、銅結晶に固溶しているため、この銀（Ａｇ）成分が銅の再結晶を遅らせ、金属回路板及び金属放熱板のセラミックス基板との接合界面近傍における銅の平均再結晶粒子径は、他の部分における銅の平均再結晶粒子径よりも小さくなるためである。
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
１ セラミックス配線基板
２ 電力装置
３ 半導体モジュール
１１ セラミックス基板
１２ 金属回路板
１３ 金属放熱板
１４ 半導体素子
１５，３２ 半田
１６ ワイヤ
２１ 樹脂ケース
２２ ケース端子
２３ 蓋
３１ 放熱ベース板
３３ ボルト締結穴

Claims (8)

  1. セラミックス基板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり前記セラミックス基板の他面に接合された金属放熱板とから構成されたセラミックス配線基板において、
    前記金属回路板の前記銅又は前記銅合金の平均再結晶粒子径は、前記金属放熱板の前記銅又は前記銅合金の平均再結晶粒子径と等しいか又はそれより小さく、
    前記金属回路板の前記セラミックス基板との接合界面近傍における前記銅又は前記銅合金の平均再結晶粒子径は、前記金属回路板の前記銅又は前記銅合金の平均再結晶粒子径より小さく、その比が０．１２〜０．５であり、さらに前記金属回路板および金属放熱板の平均再結晶粒子径はいずれも１００〜４００μｍであることを特徴とするセラミックス配線基板。
  2. 前記銅合金は、前記銅と、少なくともニッケル、亜鉛、ジルコニウム又はスズの何れかを含むことを特徴とする請求項１に記載のセラミックス配線基板。
  3. 前記セラミックス基板は、窒化珪素からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス配線基板。
  4. 請求項１乃至３の何れかに記載のセラミックス配線基板と、前記セラミックス配線基板に搭載された半導体素子とからなることを特徴とする半導体モジュール。
  5. 前記セラミックス配線基板の前記金属放熱板に、前記銅又は前記銅合金からなる放熱ベース板を結合したことを特徴とする請求項４記載の半導体モジュール。
  6. セラミックス基板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板と、銅又は銅を主成分とする銅合金からなり前記セラミックス基板の他面に接合された金属放熱板とから構成されたセラミックス配線基板の製造方法において、
    接合前の初期結晶粒子径の平均値がいずれも１１〜１５μｍの金属回路板および金属放熱板を各々セラミックス基板の一面および他面に配置し、５００〜１０００℃の温度で加熱して金属回路板および金属放熱板をセラミックス基板に接合する、ことを特徴とするセラミックス配線基板の製造方法。
  7. 前記銅合金は、前記銅と、少なくともニッケル、亜鉛、ジルコニウム又はスズの何れかを含むことを特徴とする請求項６に記載のセラミックス配線基板の製造方法。
  8. 前記セラミックス基板は、窒化珪素からなることを特徴とする請求項６又は７に記載のセラミックス配線基板の製造方法。
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