JP2020096054A - 接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、セラミックス基板、接合体、及び、絶縁回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】低温・短時間の接合条件であっても、金属部材と窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とを確実に接合することができ、冷熱サイクル信頼性に優れた接合体の製造方法を提供する。【解決手段】金属部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、前記セラミックス部材の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程Ｓ０１と、表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされた前記セラミックス部材の表面に前記金属部材を接合する接合工程Ｓ０３と、を有し、表面酸素濃度調整工程Ｓ０１は、前記セラミックス部材の表面を酸化させる酸化処理工程Ｓ１１と、処理液によって前記セラミックス部材の表面を溶解するエッチング処理工程Ｓ１２と、を備えており、前記セラミックス部材の表面に非晶質酸化物層を形成する。【選択図】図２

Description

この発明は、金属部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、セラミックス基板、接合体、及び、絶縁回路基板に関するものである。

パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウムからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。

例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
ここで、セラミックス基板と回路層及び金属層となる銅板は、Ｃｕ−Ｐ系ろう材等を用いて接合されている。

また、特許文献２，３には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
ここで、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板は、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いたろう付け法や、ＴＬＰ法等によって接合されている。

特許第５６７２３２４号公報 特許第３１７１２３４号公報 特許第５６４０５４８号公報

ところで、最近では、ＳｉＣ製の半導体素子等においては、高温条件で動作されることから、絶縁回路基板に対しては、過酷な冷熱サイクルを負荷した場合でもセラミックス基板と金属板とが剥離しないように、優れた冷熱サイクル信頼性が求められている。
ここで、セラミックス基板と金属板とを強固に接合するためには、接合条件を高温・長時間で実施して、界面反応を十分に進行させることが好ましい。
しかしながら、最近では、回路層の薄肉化が図られていることから、回路層となる金属板（銅板及びアルミニウム板）を接合する際に高温で長時間保持した際に、薄肉の金属板が溶融してしまうおそれがある。このため、低温・短時間の接合条件でも、セラミックス基板と金属板とを確実に接合することが求められている。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、低温・短時間の接合条件であっても、金属部材と窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とを確実に接合することができ、冷熱サイクル信頼性に優れた接合体を得ることができる接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、セラミックス基板、接合体、絶縁回路基板を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明者らが鋭意検討した結果、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材の表面に非晶質酸化物層を形成して表面酸素濃度を所定の範囲内に規定することにより、セラミックス部材の表面反応が促進されることになり、低温・短時間の接合条件でも金属板とセラミックス部材とを強固に接合でき、冷熱サイクル信頼性を大幅に向上できるとの知見を得た。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、本発明の接合体の製造方法は、金属部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、前記セラミックス部材の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程と、表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされた前記セラミックス部材の表面に前記金属部材を接合する接合工程と、を有し、前記表面酸素濃度調整工程は、前記セラミックス部材の表面を酸化させる酸化処理工程と、処理液によって前記セラミックス部材の表面を溶解するエッチング処理工程と、を備えており、前記セラミックス部材の表面に非晶質酸化物層を形成することを特徴としている。

この構成の接合体の製造方法においては、前記セラミックス部材の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程を備え、前記セラミックス部材の表面に非晶質酸化物層を形成しているので、その後の接合工程において、セラミックス部材の表面反応が促進されることになり、低温・短時間の接合条件でも金属部材とセラミックス部材とを強固に接合することができる。よって、冷熱サイクル信頼性に優れた接合体を製造することができる。
また、前記表面酸素濃度調整工程は、前記セラミックス部材の表面を酸化させる酸化処理工程と、処理液によって前記セラミックス部材の表面を溶解するエッチング処理工程と、を備えているので、これらの工程によって、形成される非晶質酸化物層の厚さを調整でき、前記セラミックス部材の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とすることができる。
なお、上述したセラミックス部材の表面酸素濃度は、ＸＰＳ分析によって測定することができる。

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、金属板と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス基板とが接合されてなる絶縁回路基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程と、表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされた前記セラミックス基板の表面に前記金属板を接合する接合工程と、を有し、前記表面酸素濃度調整工程は、前記セラミックス基板の表面を酸化させる酸化処理工程と、処理液によって前記セラミックス基板の表面を溶解するエッチング処理工程と、を備えており、前記セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層を形成することを特徴としている。

この構成の絶縁回路基板の製造方法においては、前記セラミックス基板の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程を備え、前記セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層を形成しているので、その後の接合工程において、セラミックス基板の表面反応が促進されることになり、低温・短時間の接合条件でも金属板とセラミックス基板とを強固に接合することができる。よって、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板を製造することができる。
また、前記表面酸素濃度調整工程は、前記セラミックス基板の表面を酸化させる酸化処理工程と、処理液によって前記セラミックス基板の表面を溶解するエッチング処理工程と、を備えているので、これらの工程によって、形成される非晶質酸化物層の厚さを調整でき、記セラミックス基板の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とすることができる。
なお、上述したセラミックス基板の表面酸素濃度は、ＸＰＳ分析によって測定することができる。

本発明のセラミックス基板は、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなり、表面に非晶質酸化物層を有し、表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされていることを特徴としている。

この構成のセラミックス基板においては、表面に非晶質酸化物層を有し、表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされているので、セラミックス基板の表面反応が促進されることになり、低温・短時間の接合条件であっても、セラミックス基板の表面に金属板を強固に接合することが可能となる。

本発明の接合体は、金属部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる接合体であって、前記セラミックス部材の表面に非晶質酸化物層が形成されており、前記セラミックス部材の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされていることを特徴としている。

この構成の接合体においては、前記セラミックス部材の表面に非晶質酸化物層が形成されており、前記セラミックス部材の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされており、セラミックス部材の表面反応が促進された状態で金属部材が接合されているので、金属部材とセラミックス部材とが強固に接合されており、冷熱サイクル信頼性に優れている。

本発明の絶縁回路基板は、金属板と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス基板とが接合されてなる絶縁回路基板であって、前記セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層が形成されており、前記セラミックス基板の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされていることを特徴としている。

この構成の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層が形成されており、前記セラミックス基板の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされており、セラミックス基板の表面反応が促進された状態で金属板が接合されているので、金属板とセラミックス基板とが強固に接合されており、冷熱サイクル信頼性に優れている。

本発明によれば、低温・短時間の接合条件であっても、金属部材と窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とを確実に接合することができ、冷熱サイクル信頼性に優れた接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法、セラミックス基板、接合体、絶縁回路基板を提供することが可能となる。

本発明の第一の実施形態である絶縁回路基板（接合体）を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第一の実施形態である絶縁回路基板（接合体）の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第一の実施形態である絶縁回路基板（接合体）の製造方法を示す説明図である。 本発明の第一の実施形態である絶縁回路基板（接合体）の製造方法を示す説明図である。 本発明の第二の実施形態である絶縁回路基板（接合体）を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第二の実施形態である絶縁回路基板（接合体）の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第二の実施形態である絶縁回路基板（接合体）の製造方法を示す説明図である。 本発明の第二の実施形態である絶縁回路基板（接合体）の製造方法を示す説明図である。 実施例における非晶質酸化物層の観察写真である。（ａ）が本発明例３、（ｂ）が本発明例９である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、金属部材である金属板２２（回路層１２）及び金属板２３（金属層１３）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１０とされている。
図１に、本実施形態である絶縁回路基板１０及びこの絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。

このパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。

本実施形態に係る絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。

セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い窒化アルミニウム又は窒化ケイ素で構成されており、本実施形態では、窒化アルミニウムで構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１２は、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることによって形成されている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
本実施形態では、金属板２２は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとされている。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板２２としては、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）、Ａ１０５０、Ａ１０８５、Ａ１１００、Ａ３００３等の圧延板を用いることができる。
ここで、回路層１２（金属板２２）の厚さは、０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。

金属層１３は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に熱伝導性に優れた金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態では、金属板２３は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとされている。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板２３としては、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）、Ａ１０５０、Ａ１０８５、Ａ１１００、Ａ３００３等の圧延板を用いることができる。
ここで、金属層１３（金属板２３）の厚さは ０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。

ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク３１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱板とされている。具体的には、Ａ６０６３合金からなる放熱板とされ、その厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
また、ヒートシンク３１としては、Ａ１０５０、Ａ１１００、Ａ３００３、Ａ６０６１等のアルミニウムを用いることもできる。

そして、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図１及び図４に示すように、セラミックス基板１１の幅が回路層１２及び金属層１３の幅よりも広く設定されており、回路層１２及び金属層１３が接合されていない領域を有している。セラミックス基板１１のうち回路層１２及び金属層１３が接合されていない領域の表面には、図４に示すように、非晶質酸化物層１１ａが形成されており、セラミックス基板１１の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされている。ここで、本実施形態では、セラミックス基板１１が窒化アルミニウムで構成されていることから、非晶質酸化物層１１ａはアルミニウムの酸化物で構成されている。
なお、セラミックス基板１１の表面酸素濃度は、ＸＰＳ分析によって測定することが好ましい。

次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。

（表面酸素濃度調整工程Ｓ０１）
まず、図３に示すように、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１１の表面に非晶質酸化物層１１ａを形成し、セラミックス基板１１の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする。
この表面酸素濃度調整工程Ｓ０１においては、セラミックス基板１１の表面を酸化させる酸化処理工程Ｓ１１と、処理液によってセラミックス基板１１の表面を溶解するエッチング処理工程Ｓ１２と、を備えている。

ここで、酸化処理工程Ｓ１１では、図３に示すように、加熱炉５１において、以下の条件によって非晶質酸化膜１１ｂを成膜することが好ましい。
雰囲気：酸素含有量が３０ｖｏｌ%以上６０ｖｏｌ％以下、残部が窒素
処理温度：５０℃以上１００℃以下
処理時間：５時間以上２０時間以下

また、エッチング処理工程Ｓ１２においては、図３に示すように、処理液５２を用いてセラミックス基板１１の表面を溶解する。ここで、使用する処理液５２に応じて処理条件を設定することが好ましい。以下に、各種処理液を使用した場合の処理条件を示す。
フッ酸を用いる場合には、ＨＦの濃度を０．１ｍａｓｓ％以上０．３ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上３５℃以下、処理時間を０．２５分以上１分以下とする。
塩酸を用いる場合には、ＨＣｌの濃度を１３ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を５分以上１５分以下とする。
硝酸を用いる場合には、ＨＮＯ_３の濃度を１０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を５分以上１５分以下とする。
硫酸を用いる場合には、Ｈ_２ＳＯ_４の濃度を１０ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を５分以上１５分以下とする。
塩化鉄水溶液を用いる場合には、ＦｅＣｌ_３の濃度を３５ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下、処理温度を４０℃以上５５℃以下、処理時間を１分以上１５分以下とする。
塩化銅水溶液を用いる場合には、ＣｕＣｌ_２の濃度を１３ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下、処理温度を４０℃以上５５℃以下、処理時間を１分以上１５分以下とする。
水酸化ナトリウム水溶液を用いる場合には、ＮａＯＨの濃度を２ｍａｓｓ％以上６ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を１分以上８分以下とする。
炭酸水素ナトリウム水溶液を用いる場合には、ＮａＨＣＯ_３の濃度を２ｍａｓｓ％以上６ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を１分以上８分以下とする。

本実施形態では、酸化処理工程Ｓ１１において非晶質酸化膜１１ｂを形成し、エッチング処理工程Ｓ１２において非晶質酸化膜１１ｂの一部を除去することで、セラミックス基板１１の表面に所定の厚さの非晶質酸化物層１１ａを形成し、セラミックス基板１１の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内としている。
このように、セラミックス基板１１の表面に非晶質酸化物層１１ａが形成され、セラミックス基板１１の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされることにより、セラミックス基板１１の表面反応が促進され、後述する接合工程Ｓ０３において、金属板２２，２３とセラミックス基板１１とが強固に接合されることになる。

ここで、セラミックス基板１１の表面酸素濃度が２５原子％未満の場合には、セラミックス基板１１の表面反応を十分に促進することができず、冷熱サイクル信頼性を十分に向上させることができないおそれがある。一方、セラミックス基板１１の表面酸素濃度が５０原子％を超える場合には、初期接合性が低下してしまうおそれがある。また、接合工程Ｓ０３でフラックスを使用した際にセラミックス基板１１の表面がフラックスに侵食されるおそれがある。
このため、本実施形態では、セラミックス基板１１の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内としている。
なお、セラミックス基板１１の表面酸素濃度の下限は２８原子％以上とすることが好ましく、３２原子％以上とすることがさらに好ましい。また、セラミックス基板１１の表面酸素濃度の上限は４５原子％以下とすることが好ましく、４０原子％以下とすることがさらに好ましい。

（積層工程Ｓ０２）
次に、図４に示すように、非晶質酸化物層１１ａを形成したセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる金属板２２を積層し、非晶質酸化物層１１ａを形成したセラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３を積層する。
本実施形態では、金属板２２とセラミックス基板１１との間、及び、セラミックス基板１１と金属板２３との間に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６を介在させている。ここで、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６としては、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内のものを用いることが好ましい。また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６の厚さは５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

（接合工程Ｓ０３）
次いで、積層した金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３を、その積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ^２以上１０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．０９８ＭＰａ以上０．９８ＭＰａ以下）の範囲で加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属板２２とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成し、セラミックス基板１１と金属板２３とを接合して金属層１３を形成する。
接合工程Ｓ０３における接合条件は、真空条件は１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は５８０℃以上６５０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は１０分以上４５分以下の範囲内とすることが好ましい。

ここで、積層方向の加圧荷重の下限は３ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．２９ＭＰａ）以上とすることが好ましく、５ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．４９ＭＰａ）以上とすることがさらに好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は８ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．７８ＭＰａ）以下とすることが好ましく、７ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．６９ＭＰａ）以下とすることがさらに好ましい。
また、加熱温度の下限は、５８５℃以上とすることが好ましく、５９０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は、６４０℃以下とすることが好ましく、６２０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は、１５分以上とすることが好ましく、２０分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は、４０分以下とすることが好ましく、３０分以下とすることがさらに好ましい。

以上のように、表面酸素濃度調整工程Ｓ０１と、積層工程Ｓ０２と、接合工程Ｓ０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。

（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
次に、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側にヒートシンク３１を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層して加熱炉に装入し、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とを接合する。

（半導体素子接合工程Ｓ０５）
次に、絶縁回路基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１０（接合体）によれば、セラミックス基板１１の表面に非晶質酸化物層１１ａが形成されており、セラミックス基板１１の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされており、セラミックス基板１１の表面反応が促進された状態で金属板２２，２３が接合されているので、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１とが強固に接合されており、冷熱サイクル信頼性に優れている。

また、本実施形態の絶縁回路基板１０（接合体）の製造方法によれば、セラミックス基板１１の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程Ｓ０１を備え、セラミックス基板１１の表面に非晶質酸化物層１１ａを形成しているので、その後の接合工程Ｓ０３において、セラミックス基板１１の表面反応が促進されることになり、低温・短時間の接合条件でも金属板２２，２３とセラミックス基板１１とを強固に接合することができる。よって、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板１０を製造することができる。

また、表面酸素濃度調整工程Ｓ０１は、セラミックス基板１１の表面を酸化させる酸化処理工程Ｓ１１と、処理液５２によってセラミックス基板１１の表面を溶解するエッチング処理工程Ｓ１２と、を備えているので、これらの工程Ｓ１１、Ｓ１２によって、形成される非晶質酸化物層１１ａの厚さを調整でき、セラミックス基板１１の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とすることができる。
さらに、本実施形態では、酸化処理工程Ｓ１１の条件、エッチング処理工程Ｓ１２の条件を、上述のように規定しているので、形成される非晶質酸化物層１１ａの厚さを精度良く調整することができる。

（第二の実施形態）
本発明の第二の実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１１と、金属部材である金属板１２２（回路層１１２）及び金属板１２３（金属層１１３）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１１０とされている。
図５に、本実施形態である絶縁回路基板１１０及びこの絶縁回路基板１１０を用いたパワーモジュール１０１を示す。

このパワーモジュール１０１は、絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の一方側（図５において上側）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図５において下側）に第２はんだ層８を介して接合されたヒートシンク１３１と、を備えている。

絶縁回路基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。

セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い窒化アルミニウム又は窒化ケイ素で構成されており、本実施形態では、窒化ケイ素で構成されている。ここで、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。

回路層１１２は、図８に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に導電性を有する金属板１２２が接合されることによって形成されている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図５において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
本実施形態では、金属板１２２は、銅又は銅合金で構成されたものとされている。なお、銅又は銅合金からなる金属板１２２としては、無酸素銅、タフピッチ銅、Ｓｎ入り銅等の圧延板を用いることができる。
ここで、回路層１１２（金属板１２２）の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。

金属層１１３は、図８に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面に熱伝導性に優れた金属板１２３が接合されることにより形成されている。本実施形態では、金属板１２３は、銅又は銅合金で構成されたものとされている。なお、銅又は銅合金からなる金属板１２３としては、無酸素銅、タフピッチ銅、Ｓｎ入り銅等の圧延板を用いることができる。
ここで、金属層１１３（金属板１２３）の厚さは ０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。

ヒートシンク１３１は、前述の絶縁回路基板１１０を冷却するためのものであり、本実施形態においては、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板とされている。本実施形態においては、ヒートシンク１３１は、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、ヒートシンク１３１と絶縁回路基板１１０の金属層１１３とは、第２はんだ層８を介して接合されている。

そして、本実施形態である絶縁回路基板１１０においては、図５及び図８に示すように、セラミックス基板１１１の幅が回路層１１２及び金属層１１３の幅よりも広く設定されており、回路層１１２及び金属層１１３が接合されていない領域を有している。セラミックス基板１１１のうち回路層１１２及び金属層１１３が接合されていない領域の表面には、図８に示すように、非晶質酸化物層１１１ａが形成されており、セラミックス基板１１１の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされている。ここで、本実施形態では、セラミックス基板１１１が窒化ケイ素で構成されていることから、非晶質酸化物層１１１ａはケイ素の酸化物で構成されている。

次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１１０の製造方法について、図６から図８を参照して説明する。

（表面酸素濃度調整工程Ｓ１０１）
まず、窒化ケイ素からなるセラミックス基板１１１の表面に非晶質酸化物層１１１ａを形成し、セラミックス基板１１１の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする。
この表面酸素濃度調整工程Ｓ１０１においては、処理液によってセラミックス基板１１１の表面を溶解するエッチング処理工程Ｓ１１１と、セラミックス基板１１１の表面を酸化させる酸化処理工程Ｓ１１２と、を備えている。

ここで、エッチング処理工程Ｓ１１１においては、上述した第一の実施形態におけるエッチング処理工程Ｓ１２と同様の条件によって、実施することが好ましい。
また、酸化処理工程Ｓ１１２においては、上述した第一の実施形態における酸化処理工程Ｓ１１と同様の条件によって、実施することが好ましい。

本実施形態では、エッチング処理工程Ｓ１１１においてセラミックス基板１１１の表面をエッチングして平坦化し、その後、酸化処理工程Ｓ１１２において非晶質酸化膜を形成することで、セラミックス基板１１１の表面に所望の厚さの非晶質酸化物層１１１ａを形成するとともに、セラミックス基板１１１の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内としている。

（積層工程Ｓ１０２）
次に、図８に示すように、非晶質酸化物層１１１ａを形成したセラミックス基板１１１の一方の面に回路層１１２となる金属板１２２を積層し、非晶質酸化物層１１１ａを形成したセラミックス基板１１１の他方の面に金属層１１３となる金属板１２３を積層する。
本実施形態では、セラミックス基板１１１と金属板１２２との間にＣｕ−Ｐ系ろう材１２６と活性金属材１２７を介在させるとともに、セラミックス基板１１１と金属板１２３との間にＣｕ−Ｐ系ろう材１２６と活性金属材１２７を介在させている。

本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ系ろう材１２６として、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、かつ、低融点元素であるＳｎを７ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、さらに、Ｎｉを２ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲で含むＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。また、Ｃｕ−Ｐ系ろう材１２６の厚さは、１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲とされている。
また、本実施形態では、活性金属材１２７として、チタン箔（厚さ１μｍ以上５μｍ以下）を用いている。

（接合工程Ｓ１０３）
次いで、積層した金属板１２２、セラミックス基板１１１、金属板１２３を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．０９８ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２２とセラミックス基板１１１とを接合して回路層１１２を形成し、セラミックス基板１１１と金属板１２３とを接合して金属層１１３を形成する。
接合工程Ｓ１０３における接合条件は、真空条件は１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は７７０℃以上９８０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は５分以上１２０分以下の範囲内とすることが好ましい。

ここで、積層方向の加圧荷重の下限は３ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．２９ＭＰａ）以上とすることが好ましく、５ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．４９ＭＰａ）以上とすることがさらに好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は２０ｋｇｆ／ｃｍ^２（１．９６ＭＰａ）以下とすることが好ましく、１５ｋｇｆ／ｃｍ^２（１．４７ＭＰａ）以下とすることがさらに好ましい。
また、加熱温度の下限は、８１０℃以上とすることが好ましく、８３０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は、９５０℃以下とすることが好ましく、９３０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は、１５分以上とすることが好ましく、３０分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は、１００分以下とすることが好ましく、７０分以下とすることがさらに好ましい。

以上のように、表面酸素濃度調整工程Ｓ１０１と、積層工程Ｓ１０２と、接合工程Ｓ１０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造される。

（ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）
次に、絶縁回路基板１１０の金属層１１３の他方の面側にヒートシンク１３１を接合する。絶縁回路基板１１０とヒートシンク１３１とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、第２はんだ層８を介して絶縁回路基板１１０とヒートシンク１３１とをはんだ接合する。

（半導体素子接合工程Ｓ１０５）
次に、絶縁回路基板１１０の回路層１１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図５に示すパワーモジュール１０１が製出される。

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１１０（接合体）によれば、セラミックス基板１１１の表面に非晶質酸化物層１１１ａが形成されており、セラミックス基板１１１の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされており、セラミックス基板１１１の表面反応が促進された状態で金属板１２２，１２３が接合されているので、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１とが強固に接合されており、冷熱サイクル信頼性に優れている。

また、本実施形態の絶縁回路基板１１０（接合体）の製造方法によれば、セラミックス基板１１１の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程Ｓ１０１を備え、セラミックス基板１１１の表面に非晶質酸化物層１１１ａを形成しているので、その後の接合工程Ｓ１０３において、セラミックス基板１１１の表面反応が促進されることになり、低温・短時間の接合条件でも金属板１２２，１２３とセラミックス基板１１１とを強固に接合することができる。よって、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板１１０を製造することができる。

また、表面酸素濃度調整工程Ｓ１０１は、処理液によってセラミックス基板１１１の表面を溶解するエッチング処理工程Ｓ１１１と、セラミックス基板１１１の表面を酸化させる酸化処理工程Ｓ１１２と、を備えているので、エッチング処理工程Ｓ１１１によってセラミックス基板１１１の表面を洗浄及び平坦化しておき、その後、酸化処理工程Ｓ１１２によって非晶質酸化物層１１１ａを形成することにより、非晶質酸化物層１１１ａを均一な厚さとすることができ、セラミックス基板１１１の表面酸素濃度を精度良く調整することができる。
さらに、本実施形態では、エッチング処理工程Ｓ１１１の条件、酸化処理工程Ｓ１１２の条件を、上述のように規定しているので、形成される非晶質酸化物層１１１ａの厚さを精度良く調整することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態においては、回路層及び金属層をアルミニウム板あるいは銅板で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層及び金属層の一方が銅板で構成され、他方がアルミニウム板で構成されたものであってもよい。

また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。例えば、内部に冷却媒体の流路が形成されたヒートシンクであってもよい。また、放熱フィンを有するヒートシンクであってもよい。
さらに、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けてもよい。

また、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。

さらに、第一の実施形態では、セラミックス基板と金属板とをろう材を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、接合面にＣｕ、Ｓｉ等の添加元素を固着させ、これらの添加元素を拡散させることで溶融・凝固させる過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合してもよい。また、接合界面を半溶融状態として接合してもよい。

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
まず、表１に示すセラミックス基板（５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さは表１に記載）を準備した。
このセラミックス基板に対して、表１に示す条件で、表面酸素濃度調整工程を実施した。そして、セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層を形成し、セラミックス基板の表面酸素濃度を調整した。

ここで、セラミックス基板の表面酸素濃度は、ＸＰＳ分析装置（ＵＬＶＡＣ ＰＨＩ５０００ ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅII）を用いて、以下の条件でＳｕｒｖｅｙスペクトルを取得し、半定量値を得た。酸素濃度は、Ａｌ（又はＳｉ）＋Ｎ＋Ｏ＝１００原子％として、算出した。測定結果を表１に示す。
Ｘ線源：Ｍｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｅｄ ＡｌＫａ（５０Ｗ）
パスエネルギー：１８７．８５ｅＶ
測定間隔：０．８ｅＶ／ｓｔｅｐ
試料面に対する光電子取り出し角：４５°
分析エリア：φ２００μｍ

また、非晶質酸化物層の有無については、以下のようにして確認を行った。
まず、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて、加速電圧２００ｋＶで、倍率３２００００倍で観察を実施した。エネルギー分散型Ｘ線分析装置（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）により、Ｏ及びＡｌ又はＳｉの元素マッピングを取得し、酸化物層を確認した。
そして、酸化物層の高分解能像を取得し、この高分解能像を高速フーリエ変換することで得られる回折像に回折斑点が確認されない場合を、非晶質であると判断した。

次に、回路層及び金属層を構成する金属板として、表２に示す金属の圧延板（４８ｍｍ×５８ｍｍ、厚さは表２に記載）を準備した。
そして、上述のセラミックス基板と金属板とを、表２に示す条件で接合し、回路層及び金属層を形成した。これにより、絶縁回路基板を製造した。なお、接合時の雰囲気は、真空雰囲気（５×１０^−３Ｐａ）とした。
ここで、表２の「方式」の欄においては、上述の第一の実施形態のように、セラミックス基板とアルミニウム板とをＡｌ−Ｓｉろう材を用いて接合したものを「Ａ」と表記した。また、上述の第二の実施形態のように、セラミックス基板と銅板とをＣｕ−Ｐ系ろう材とＴｉとを用いて接合したものを「Ｂ」と表記した。

（初期接合率）
回路層とセラミックス基板との接合率を評価した。具体的には、絶縁回路基板において、回路層とセラミックス基板との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち回路層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００

（冷熱サイクル試験後の接合率）
冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×１０分←→１５０℃×１０分の冷熱サイクルを、以下に示す所定サイクル数だけ実施した。
ここで、セラミックス基板とアルミニウム板とをＡｌ−Ｓｉろう材を用いて接合した「方式Ａ」は、上述の冷熱サイクルを３０００サイクル実施した。
また、セラミックス基板と銅板とをＣｕ−Ｐ系ろう材とＴｉとを用いて接合した「方式Ｂ」においては、上述の冷熱サイクルを２００サイクル実施した。
そして、冷熱サイクル試験後の接合率を、上述した方法によって評価した。

評価結果を表２に示す。また、本発明例３及び本発明例９のセラミックス基板の観察結果を図９に示す。

比較例１，３においては、セラミックス基板の表面酸素濃度が本発明の範囲よりも少なく、冷熱サイクル試験後の接合率が大きく低下した。
比較例２、４においては、セラミックス基板の表面酸素濃度が本発明の範囲よりも多く、冷熱サイクル試験後の接合率が大きく低下した。

これに対して、セラミックス基板の表面酸素濃度が本発明の範囲とされた本発明例１−９においては、冷熱サイクル試験後の接合率が大きく低下しておらず、冷熱サイクル信頼性に優れていた。また、セラミックス基板をＡｌＮ又はＳｉ_３Ｎ_４で構成した場合、金属板をアルミニウム板又は銅板で構成した場合であっても、それぞれ同様の効果を奏することが確認された。
また、図９に示すように、本発明例３及び本発明例９において、セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層が形成されていることが確認される。なお、他の本発明例においても、同様に観察した結果、セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層が形成されていることを確認している。

以上のことから、本発明例によれば、低温・短時間の接合条件であっても、金属板と窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス基板とを確実に接合することができ、冷熱サイクル信頼性に優れた接合体を提供可能であることが確認された。

１０，１１０ 絶縁回路基板
１１，１１１ セラミックス基板
１２，１１２ 回路層
１３，１１３ 金属層
２２，２３ 金属板（アルミニウム板）
１２２，１２３ 金属板（銅板）

Claims (5)

1. 金属部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、
   前記セラミックス部材の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程と、
   表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされた前記セラミックス部材の表面に前記金属部材を接合する接合工程と、を有し、
   前記表面酸素濃度調整工程は、前記セラミックス部材の表面を酸化させる酸化処理工程と、処理液によって前記セラミックス部材の表面を溶解するエッチング処理工程と、を備えており、前記セラミックス部材の表面に非晶質酸化物層を形成することを特徴とする接合体の製造方法。
2. 金属板と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス基板とが接合されてなる絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記セラミックス基板の表面酸素濃度を２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とする表面酸素濃度調整工程と、
   表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされた前記セラミックス基板の表面に前記金属板を接合する接合工程と、を有し、
   前記表面酸素濃度調整工程は、前記セラミックス基板の表面を酸化させる酸化処理工程と、処理液によって前記セラミックス基板の表面を溶解するエッチング処理工程と、を備えており、前記セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層を形成することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
3. 窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなり、表面に非晶質酸化物層を有し、表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされていることを特徴とするセラミックス基板。
4. 金属部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる接合体であって、
   前記セラミックス部材の表面に非晶質酸化物層が形成されており、前記セラミックス部材の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体。
5. 金属板と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス基板とが接合されてなる絶縁回路基板であって、
   前記セラミックス基板の表面に非晶質酸化物層が形成されており、前記セラミックス基板の表面酸素濃度が２５原子％以上５０原子％以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板。