JP2021095327A - 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材１２と、アルミニウム含有セラミックスからなるセラミックス部材１１とが接合されてなる銅／セラミックス接合体１０であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層４１が形成されており、この活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｌ及びＣｕが存在していることを特徴とする。【選択図】図２

Description

この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミニウム含有セラミックスからなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体、アルミニウム含有セラミックスからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる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、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、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合したパワーモジュール用基板が提案されている。このＤＢＣ法においては、銅と銅酸化物との共晶反応を利用して、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせることによって、銅板とセラミックス基板とを接合している。

また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、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。この特許文献２においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている（いわゆる活性金属ろう付け法）。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるＴｉが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合されることになる。

さらに、特許文献３には、銅又は銅合金からなる銅板と、ＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板とが、Ａｇ及びＴｉを含む接合材を用いて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面に形成されたＴｉ化合物層内にＡｇ粒子が分散されたものが提案されている。

特開平０４−１６２７５６号公報 特許第３２１１８５６号公報 特許第５７５７３５９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているように、ＤＢＣ法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を１０６５℃以上（銅と銅酸化物との共晶点温度以上）にする必要があることから、接合時にセラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。
また、特許文献２に開示されているように、活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度が９００℃と比較的高温とされていることから、やはり、セラミックス基板が劣化してしまうといった問題があった。

ここで、特許文献３においては、銅又は銅合金からなる銅部材と、ＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス部材とが、Ａｇ及びＴｉを含む接合材を用いて接合されており、比較的低温条件でセラミックス部材と銅部材とを接合することができ、接合時におけるセラミックス部材の劣化を抑制することが可能となる。

ところで、最近では、絶縁回路基板の用途によっては、従来にも増してさらに厳しい冷熱サイクルが負荷されることがある。
このため、従来よりも厳しい冷熱サイクルが負荷される用途であっても、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル負荷時にもクラックが生じない絶縁回路基板が求められている。

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、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明の銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミニウム含有セラミックスからなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層が形成されており、この活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｌ及びＣｕが存在していることを特徴としている。

本発明の銅／セラミックス接合体によれば、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に形成された活性金属化合物層において、活性金属化合物の粒界にＡｌ及びＣｕが存在しているので、接合材に含まれる活性金属がセラミックス部材と十分に反応しており、セラミックス部材と銅部材とが強固に接合されている。そして、反応時に生じた液相（Ａｌ−Ｃｕ共晶液相）を介して活性金属がセラミックス部材側に十分に拡散しているので、十分な界面反応を促進することができ、セラミックス部材と銅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を向上させることができる。
以上のことから、本発明の銅／セラミックス接合体によれば、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた銅／セラミックス接合体を得ることができる。

ここで、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｇが存在していることが好ましい。
この場合、反応時にＡｌ−Ａｇ−Ｃｕ共晶液相が存在することになる。Ａｌ−Ａｇ−Ｃｕ共晶はＡｌ−Ｃｕ共晶よりも共晶温度が低く、系のエネルギーを低下させるため、反応がより促進することになる。

また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上とされているので、接合時に接合界面近傍の銅が十分に溶融して液相が生じており、セラミックス部材と銅部材とが強固に接合されている。一方、前述の領域における最大押し込み硬さが１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下に抑えられているので、接合界面近傍が必要以上に硬くなく、冷熱サイクル負荷時におけるクラックの発生を抑制することができる。

また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性金属がＴｉであることが好ましい。
この場合、セラミックス部材と銅部材との接合界面に、活性金属化合物層として窒化チタン層又は酸化チタン層が形成されることになり、セラミックス部材と銅部材とを強固に接合することが可能となる。

さらに、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性金属化合物層における前記活性金属化合物粒子の最大粒子径が１８０ｎｍ以下であることが好ましい。
この場合、前記活性金属化合物層において、相対的に硬度の低い粒界領域（金属相）が占める増加し、前記活性金属化合物層の耐衝撃性が向上する。これにより、前記活性金属化合物層におけるクラックの発生を抑制し、銅部材とセラミックス部材の剥離や、セラミックス部材でのクラックの発生を抑制することができる。

本発明の絶縁回路基板は、アルミニウム含有セラミックスからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面においては、前記セラミックス基板側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層が形成されており、この活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｌ及びＣｕが存在していることを特徴としている。

本発明の絶縁回路基板によれば、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面に形成された活性金属化合物層において、活性金属化合物の粒界にＡｌ及びＣｕが存在しているので、接合材に含まれる活性金属がセラミックス基板と十分に反応しており、セラミックス基板と銅板とが強固に接合されている。そして、反応時に生じた液相（Ａｌ−Ｃｕ共晶液相）を介して活性金属がセラミックス基板側に十分に拡散しているので、十分な界面反応を促進することができ、セラミックス基板と銅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を向上させることができる。
以上のことから、本発明の絶縁回路基板によれば、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた絶縁回路基板を得ることができる。

ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｇが存在していることが好ましい。
この場合、反応時にＡｌ−Ａｇ−Ｃｕ共晶液相が存在することになる。Ａｌ−Ａｇ−Ｃｕ共晶はＡｌ−Ｃｕ共晶よりも共晶温度が低く、系のエネルギーを低下させるため、反応がより促進することになる。

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上とされているので、接合時に接合界面近傍の銅が十分に溶融して液相が生じており、セラミックス基板と銅板とが強固に接合されている。一方、前述の領域における最大押し込み硬さが１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下に抑えられているので、接合界面近傍が必要以上に硬くなく、冷熱サイクル負荷時におけるクラックの発生を抑制することができる。

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記活性金属がＴｉであることが好ましい。
この場合、セラミックス基板と銅板との接合界面に、活性金属化合物層として窒化チタン層又は酸化チタン層が形成されることになり、セラミックス基板と銅板とを強固に接合することが可能となる。

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、前記活性金属化合物層における前記活性金属化合物粒子の最大粒子径が１８０ｎｍ以下であることが好ましい。
この場合、前記活性金属化合物層において、相対的に硬度の低い粒界領域（金属相）が占める割合が増加し、前記活性金属化合物層の耐衝撃性が向上する。これにより、前記活性金属化合物層におけるクラックの発生を抑制し、銅板とセラミックス基板の剥離や、セラミックス基板でのクラックの発生を抑制することができる。

本発明によれば、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板を提供することができる。

本発明の実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面の拡大説明図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面の観察結果である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面の観察結果である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面の観察結果である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面における活性金属化合物層のＨＡＡＤＦ像を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法のフロー図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法における界面反応の説明図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法における界面反応の説明図である。 実施例における接合界面近傍の最大押し込み硬さの測定箇所を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板１１と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とが接合されてなる絶縁回路基板１０である。図１に、本実施形態である絶縁回路基板１０を備え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、回路層１２及び金属層１３が配設された絶縁回路基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１３の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク３０と、を備えている。

半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
接合層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。

ヒートシンク３０は、前述の絶縁回路基板１０からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク３０は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１が設けられている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク３０と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層３２によって接合されている。このはんだ層３２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。

そして、本実施形態である絶縁回路基板１０は、図１に示すように、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、絶縁性および放熱性に優れたアルミニウム含有セラミックスで構成されており、本実施形態では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。このセラミックス基板１１の厚さは、例えば、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８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図８において上面）に、銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、回路層１２は、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
なお、回路層１２となる銅板２２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。

金属層１３は、図８に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図８において下面）に、銅又は銅合金からなる銅板２３が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層１３は、無酸素銅の圧延板からなる銅板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
なお、金属層１３となる銅板２３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。

そして、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面においては、図２に示すように、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物である活性金属化合物を含む活性金属化合物層４１が形成されている。
この活性金属化合物層４１は、接合材に含まれる活性金属とセラミックス基板１１とが反応することによって形成されたものである。
本実施形態では、活性金属としてＴｉが用いられており、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、活性金属化合物層４１は、窒化チタン（ＴｉＮ）層となる。

ここで、活性金属化合物層４１の観察結果を図３から図６に示す。図３に示すように、活性金属化合物層４１の内部には、Ａｌ及びＣｕが存在している。また、本実施形態では、接合材に含まれるＡｇも存在している。
そして、図４に示すように、Ａｌ及びＣｕ，Ａｇは、活性金属化合物（本実施形態ではＴｉＮ）の粒界に凝集して存在している。
また、活性金属化合物（本実施形態ではＴｉＮ）の粒界近傍を線分析した結果、図５に示すように、粒界部分においてＡｌ及びＣｕ，Ａｇの濃度が上昇していることが確認される。
さらに、本実施形態においては、図６に示すように、活性金属化合物層４１における活性金属化合物粒子の最大粒子径が１８０ｎｍ以下とされていることが好ましい。すなわち、活性金属化合物層４１においては、粒界領域（金属相）が多く存在していることが好ましい。図６においては、ＴｉＮ粒子が存在し、このＴｉＮ粒子の最大粒子径が１８０ｎｍ以下とされている。なお、活性金属化合物層４１における活性金属化合物粒子の最大粒子径は１５０ｎｍ以下であることがさらに好ましく、１２０ｎｍ以下であることがより好ましい。下限としては、例えば、４ｎｍ以上とするとよい。４ｎｍ未満の粒径とすることは製造上困難である。

また、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、回路層１２（金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面から回路層１２（金属層１３）側へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、上述の最大押し込み硬さは７５ｍｇｆ／μｍ^２以上であることがさらに好ましく、８５ｍｇｆ／μｍ^２以上であることがより好ましい。一方、上述の最大押し込み硬さは１３０ｍｇｆ／μｍ^２以下であることがさらに好ましく、１２５ｍｇｆ／μｍ^２以下であることがより好ましい。

以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板１０の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。

（積層工程Ｓ０１）
まず、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板１１を準備し、図８に示すように、回路層１２となる銅板２２とセラミックス基板１１との間、及び、金属層１３となる銅板２３とセラミックス基板１１との間に、接合材としてＡｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４を配設する。
なお、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４としては、例えば、Ｃｕを０ｍａｓｓ％以上３２ｍａｓｓ％以下の範囲内、活性金属であるＴｉを０．５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、残部がＡｇ及び不可避不純物とされた組成のものを用いることが好ましい。また、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４の厚さは、２μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

（低温保持工程Ｓ０２）
次に、セラミックス基板１１及び銅板２２，２３を積層方向に加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱して保持する。
ここで、低温保持工程Ｓ０２における保持温度は、ＣｕとＡｌの共晶点温度以上、かつ、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲とされている。また、この低温保持工程Ｓ０２において、上述の保持温度における温度積分値は、３０℃・ｈ以上４００℃・ｈ以下の範囲内とする。
また、低温保持工程Ｓ０２における加圧荷重は、０．０９８ＭＰａ以上２．９４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。

（加熱工程Ｓ０３）
次に、銅板２２、２３とセラミックス基板１１とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４を溶融する。
ここで、加熱工程Ｓ０３における加熱温度は、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上８５０℃以下の範囲内とされている。なお、この加熱温度を低く抑えることにより、活性金属化合物層４１における活性金属化合物粒子の最大粒子径を小さく抑えることが可能となる。加熱温度の上限は８４５℃以下とすることが好ましく、８３５℃以下とすることがより好ましく、８２５℃以下とすることがさらに好ましい。
また、この加熱工程Ｓ０３において、上述の加熱温度における温度積分値は、４℃・ｈ以上２００℃・ｈ以下の範囲内とする。好ましくは、４℃・ｈ以上１５０℃・ｈ以下の範囲内とするとよい。
また、この加熱工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０４９ＭＰａ以上２．９４ＭＰａ以下の範囲内とする。

（冷却工程Ｓ０４）
そして、加熱工程Ｓ０３の後、冷却を行うことにより、溶融したＡｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４を凝固させる。
なお、この冷却工程Ｓ０４における冷却速度は、特に限定はないが、２℃／ｍｉｎ以上１０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。

上述の低温保持工程Ｓ０２においては、ＣｕとＡｌの共晶点温度以上に保持することから、図９Ａに示すように、銅板２２，２３及びＡｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４中のＣｕと、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１とＴｉとの反応によって生じたＡｌとが共晶反応して共晶液相が発生する。この共晶液相中において、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）とが反応してＴｉＮが生成する。これにより、図９Ａ（ａ）、図９Ａ（ｂ）、図９Ａ（ｃ）の順でセラミックス基板１１の表面が侵食される形で、ＴｉＮからなる活性金属化合物層４１が形成される。

そして、図９Ｂに示すように、活性金属化合物層４１において、活性金属化合物（本実施形態ではＴｉＮ）の粒界には共晶液相が存在しており、この共晶液相を拡散のパスとして、セラミックス基板１１側のＡｌ及びＡｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４のＡｇ，Ｃｕ，Ｔｉが互いに拡散し、セラミックス基板１１の界面反応が促進されることになる。
その結果、活性金属化合物（本実施形態ではＴｉＮ）の粒界にＡｌ及びＣｕ，Ａｇは、が凝集して存在することになる。

以上のように、積層工程Ｓ０１と、低温保持工程Ｓ０２と、加熱工程Ｓ０３と、冷却工程Ｓ０４とによって、セラミックス基板１１と銅板２２，２３が接合され、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造されることになる。

（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
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３０を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク３０とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層３２を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク３０とをはんだ接合する。

（半導体素子接合工程Ｓ０６）
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。
上述の工程により、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（銅／セラミックス接合体）によれば、回路層１２（金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面に形成された活性金属化合物層４１において、活性金属化合物（ＴｉＮ）の粒界にＡｌ及びＣｕが存在しているので、接合材であるＡｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４に含まれる活性金属（Ｔｉ）がセラミックス基板１１と十分に反応しており、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）とが強固に接合されたものとなる。
そして、低温保持工程Ｓ０２において、反応によって生じた液相（Ａｌ−Ｃｕ共晶液相）を介して活性金属（Ｔｉ）がセラミックス基板１１側に十分に拡散しているので、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）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を向上させることができる。

また、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、活性金属化合物層４１において、活性金属化合物の粒界にＡｇが存在しているので、反応時に、Ａｌ−Ｃｕ共晶よりも共晶温度が低いＡｌ−Ａｇ−Ｃｕ共晶液相が存在することになり、系のエネルギーを低下させることができ、反応をより促進することが可能となる。
さらに、活性金属化合物層４１における活性金属化合物粒子の最大粒子径が１８０ｎｍ以下とされている場合には、活性金属化合物層４１において相対的に硬度の低い粒界領域（金属相）が占める割合が増加して、活性金属化合物層４１の耐衝撃性が向上し、活性金属化合物層４１におけるクラックの発生を抑制することが可能となる。よって、端子材等を回路層１２（金属層１３）へ超音波接合するために、絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）に、超音波を負荷させた場合であっても、回路層１２（金属層１３）とセラミックス基板１１の剥離や、セラミックス基板１１でのクラックの発生を抑制することができる。

また、本実施形態である絶縁回路基板１０において、回路層１２（金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面から回路層１２（金属層１３）へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上とされている場合には、接合界面近傍の銅が十分に溶融して液相が発生しており、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）とがさらに強固に接合されたものとなる。
一方、上述の最大押し込み硬さが１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下に抑えられている場合には、接合界面近傍が必要以上に硬くなく、冷熱サイクル負荷時におけるクラックの発生を抑制することができる。

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、本実施形態では、絶縁回路基板に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、絶縁回路基板の回路層に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。

また、本実施形態の絶縁回路基板では、回路層と金属層がともに銅又は銅合金からなる銅板によって構成された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、回路層とセラミックス基板とが本発明の銅／セラミックス接合体で構成されていれば、金属層の材質や接合方法に限定はなく、金属層がなくてもよいし、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
一方、金属層とセラミックス基板とが本発明の銅／セラミックス接合体で構成されていれば、回路層の材質や接合方法に限定はなく、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。

さらに、本実施形態では、積層工程Ｓ０１において、銅板２２，２３とセラミックス基板１１との間に、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材）２４を配設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、他の活性金属を含有する接合材を用いてもよい。
また、本実施形態では、セラミックス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の他のアルミニウム含有セラミックスで構成されたものであってもよい。

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。

（実施例１）
まず、表１に示す材質からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍ）を準備した。
このセラミックス基板の両面に、無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を、表１に示す活性金属を含むＡｇ−Ｃｕ系ろう材（組成：Ｃｕ２８ｍａｓｓ％，活性金属１ｍａｓｓ％、残部がＡｇ及び不可避不純物、厚さ：６μｍ）を用いて、表１に示す条件で銅板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。なお、接合時の真空炉の真空度は５×１０^−３Ｐａとした。

得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、活性金属化合物層における粒界のＡｌ及びＣｕ、Ａｇの有無、接合界面近傍の最大押し込み硬さ、冷熱サイクル信頼性を、以下のようにして評価した。

（活性金属化合物層における粒界のＡｌ及びＣｕの有無）
活性金属化合物層における粒界を透過型電子顕微鏡 （ＦＥＩ社製 Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧 ２００ｋＶ、倍率５０万倍から７０万倍で元素マッピングを取得し、ＡｌとＣｕの共存する領域が存在した場合を、粒界に Ａｌ及びＣｕが「有」と判断した。

（活性金属化合物層における粒界のＡｇの有無）
活性金属化合物層における粒界を透過型電子顕微鏡 （ＦＥＩ社製 Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧 ２００ｋＶ、倍率５０万倍から７０万倍で、粒界を横切るようにライン分析を実施した。
セラミックス基板がＡｌＮの場合には、Ａｇの濃度がＣｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｎ及び活性金属元素の合計値を１００原子％としてＡｇの濃度が０．４原子％以上のとき、粒界にＡｇが「有」と判断した。
セラミックス基板がＡｌ_２Ｏ_３の場合には、Ａｇの濃度がＣｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｏ及び活性金属元素の合計値を１００原子％としてＡｇの濃度が０．４原子％以上のとき、粒界にＡｇが「有」と判断した。

（接合界面近傍の最大押し込み硬さ）
銅板とセラミックス基板との接合界面から銅板側へ１０μｍから５０μｍまでの領域において、押し込み硬さ試験機（株式会社エリオニクス製ＥＮＴ−１１００ａ）を用いて、最大押し込み硬さを測定した。なお、図１０に示すように、１０μｍ間隔で測定を実施し、測定は５０箇所で実施した。評価結果を表１に示す。

（冷熱サイクル信頼性）
以下の雰囲気を通炉させた後、ＳＡＴ検査により、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査し、セラミックス割れの有無を判定した。
−７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎ
そして、割れ発生のサイクル数を評価した。６回未満で割れが確認されたものを「Ｃ」、６回以上８回未満で割れが確認されたものを「Ｂ」、８回以上でも割れが確認されなかったものを「Ａ」と評価した。評価結果を表１に示す。

低温保持工程における温度積分値が１８℃・ｈとされた比較例１においては、活性金属化合物層の粒界にＡｌ及びＣｕが確認されず、冷熱サイクル信頼性が「Ｃ」となった。
低温保持工程における温度積分値が０℃・ｈとされた比較例２においては、活性金属化合物層の粒界にＡｌ及びＣｕが確認されず、冷熱サイクル信頼性が「Ｃ」となった。
加熱工程における温度積分値が１．５℃・ｈとされた比較例３においては、銅板とセラミックス基板とを十分に接合することができなかった。このため、その他の評価を中止した。

これに対して、活性金属化合物層の粒界にＡｌ及びＣｕが確認された本発明例１−８においては、セラミックス基板の材質及び活性金属元素に関わらず、冷熱サイクル信頼性が「Ｂ」又は「Ａ」となった。
特に、銅板とセラミックス基板との接合界面から銅板側へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされた本発明例１−６においては、冷熱サイクル信頼性が「Ａ」となり、特に冷熱サイクル信頼性に優れていた。

（実施例２）
表２に示す条件で、上述の実施例１と同様の手順により、銅板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、実施例１と同様の手順により、活性金属化合物層における粒界のＡｌ及びＣｕ、Ａｇの有無、接合界面近傍の最大押し込み硬さ、を評価した。
また、活性金属化合物層における活性金属化合物粒子の最大粒子径、超音波接合性を、以下のようにして評価した。

（活性金属化合物層における活性金属化合物粒子の最大粒子径）
活性金属化合物層を透過型電子顕微鏡 （ＦＥＩ社製 Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて倍率５０万倍で観察し、ＨＡＡＤＦ像を得た。
このＨＡＡＤＦ像の画像解析により、活性金属化合物粒子の円相当径を算出した。１０視野における画像解析の結果から、観察された活性金属化合物粒子の最大の円相当径を、最大粒子径として表２に示した。

（超音波接合の評価）
絶縁回路基板に対して、超音波金属接合機（超音波工業株式会社製：６０Ｃ−９０４）を用いて、銅端子（６ｍｍ×２０ｍｍ×１．５ｍｍ厚）を、荷重８００Ｎ，コプラス量０．７ｍｍ，接合エリア３ｍｍ×３ｍｍの条件で超音波接合した。なお、銅端子はそれぞれ５０個ずつ接合した。
接合後に、超音波探傷装置（株式会社日立ソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査した。５０個中５個以上で銅板とセラミックス基板との剥離又はセラミックス割れが観察されたものを「Ｄ」、５０個中３個以上４個以下で銅板とセラミックス基板との剥離又はセラミックス割れが観察されたものを「Ｃ」、５０個中１個以上２個以下で銅板とセラミックス基板との剥離又はセラミックス割れが観察されたものを「Ｂ」、５０個全てで銅板とセラミックス基板との剥離又はセラミックス割れが観察されなかったものを「Ａ」と評価した。評価結果を表２に示す。

セラミックス基板がＡｌＮであり、活性金属がＴｉである本発明例１１−１７、および、セラミックス基板がＡｌ_２Ｏ_３であり、活性金属がＺｒである本発明例１８−２０をそれぞれ比較すると、活性金属化合物層における活性金属化合物粒子の最大粒子径が小さくなることで、超音波接合時における銅板とセラミックス基板の剥離や、セラミックス基板でのクラックの発生を抑制可能であることが確認される。

以上の実施例の結果、本発明例によれば、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。

１０ 絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ 回路層（銅部材）
１３ 金属層（銅部材）
４１ 活性金属化合物層

Claims (10)

1. 銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミニウム含有セラミックスからなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、
   前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層が形成されており、
   この活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｌ及びＣｕが存在していることを特徴とする銅／セラミックス接合体。
2. 前記活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｇが存在していることを特徴とする請求項１に記載の銅／セラミックス接合体。
3. 前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。
4. 前記活性金属がＴｉであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体。
5. 前記活性金属化合物層における前記活性金属化合物粒子の最大粒子径が１８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体。
6. アルミニウム含有セラミックスからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、
   前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面においては、前記セラミックス基板側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層が形成されており、
   この活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｌ及びＣｕが存在していることを特徴とする絶縁回路基板。
7. 前記活性金属化合物層においては、活性金属化合物の粒界にＡｇが存在していることを特徴とする請求項６に記載の絶縁回路基板。
8. 前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０μｍから５０μｍまでの領域における最大押し込み硬さが７０ｍｇｆ／μｍ^２以上１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の絶縁回路基板。
9. 前記活性金属がＴｉであることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
10. 前記活性金属化合物層における前記活性金属化合物粒子の最大粒子径が１８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。

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