JP2023020265A - 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、ろう染みの発生が十分に抑制された銅／セラミックス接合体、および、この銅／セラミックス接合体からなる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１２，１３と、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、セラミックス部材１１と銅部材１２，１３との接合界面において、銅部材１２，１３の端部におけるセラミックス部材１１と銅部材１２，１３との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、銅部材１２，１３の端部領域Ｅにおけるボイド率が１０％以下である。【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、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、および、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モジュールおよ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素子およ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、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
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、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、銅板を接合することにより回路層およ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１においては、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、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）。
また、特許文献２においては、銅又は銅合金からなる銅板と、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板とが、Ａｇおよび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が提案されている。
また、特許文献２においては、銅又は銅合金からなる銅板と、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板とが、Ａｇおよび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が提案されている。
さらに、特許文献３には、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と、セラミックス基板とが、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系またはＡｌ－Ｍｎ系等の合金からなるろう材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。そして、この特許文献３においては、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層およびセラミックス基板の他方の面に形成された放熱層の周囲に張出部が形成されている。これにより、回路層と放熱層との絶縁性を確保するともに、回路層および放熱層における熱容量を増やしている。
ところで、最近では、絶縁回路基板に搭載される半導体素子の発熱温度が高くなる傾向にあり、絶縁回路基板には、従来にも増して、厳しい冷熱サイクルに耐えることができる冷熱サイクル信頼性が求められている。
ここで、銅板とセラミックス基板とを接合した絶縁回路基板において、特許文献３に記載されたように、回路層に張出部を形成した場合には、冷熱サイクルを負荷した際に、熱応力が回路層の端部に集中し、接合信頼性が低下するおそれがあった。
ここで、銅板とセラミックス基板とを接合した絶縁回路基板において、特許文献３に記載されたように、回路層に張出部を形成した場合には、冷熱サイクルを負荷した際に、熱応力が回路層の端部に集中し、接合信頼性が低下するおそれがあった。
一方、銅部材の端部おける強度を確保するために、端部の接合層の厚さを厚くした場合には、銅部材とセラミックス部材の間に配設された接合材がはみ出し、いわゆる「ろう染み」と呼ばれる欠陥が生じるおそれがあった。
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、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、ろう染みの発生が十分に抑制された銅／セラミックス接合体、および、この銅／セラミックス接合体からなる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、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、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記銅部材の端部領域におけるボイド率が１０％以下であ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、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３μｍ以上とされるとともに、前記銅部材の端部領域におけるボイド率が１０％以下とされているので、端面の接合層の厚さが確保され、端部の強度を十分に確保することが可能となる。よって、冷熱サイクルを負荷した際のセラミックス部材の割れや剥がれを抑制することができる。
また、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３０μｍ以下とされているので、接合材のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
また、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３０μｍ以下とされているので、接合材のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
ここで、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記セラミックス部材側には活性金属化合物層が形成されており、前記銅部材の前記端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅部材の前記端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに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、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、前記銅部材の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅部材の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、接合材のＡｇが銅部材と十分に反応してセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
本発明の絶縁回路基板は、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、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記銅板の端部領域におけるボイド率が１０％以下であ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、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３μｍ以上とされるとともに、前記銅板の端部領域におけるボイド率が１０％以下とされているので、端面の接合層の厚さが確保され、端部の強度を十分に確保することが可能となる。よって、冷熱サイクルを負荷した際のセラミックス基板の割れや剥がれを抑制することができる。
また、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３０μｍ以下とされているので、接合材のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
また、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３０μｍ以下とされているので、接合材のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅板の端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部における記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅板の端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅板の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することが可能となる。
そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅板の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することが可能となる。
また、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、前記銅板の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅板の端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、接合材のＡｇが銅板と十分に反応してセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので前記銅板の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので前記銅板の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
本発明によれば、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、ろう染みの発生が十分に抑制された銅／セラミックス接合体、および、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することができる。
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４２（回路層１２）および銅板４３（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。
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４２（回路層１２）および銅板４３（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および金属層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５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。
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５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５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５には、冷却用の流体が流れるための流路が設けられている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク５と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層７によって接合されている。このはんだ層７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。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク５と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層７によって接合されている。このはんだ層７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窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。また、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５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、銅又は銅合金からなる銅板４２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４２の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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。
本実施形態においては、回路層１２は、無酸素銅の圧延板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４２の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、銅又は銅合金からなる銅板４３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４３の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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。
本実施形態においては、金属層１３は、無酸素銅の圧延板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４３の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面において、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。
さらに、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の回路層１２および金属層１３の端部領域Ｅにおけるボイド率が１０％以下とされている。
さらに、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の回路層１２および金属層１３の端部領域Ｅにおけるボイド率が１０％以下とされている。
ここで、本実施形態における端部領域とは、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の断面観察において、セラミックス基板１１から回路層１２および金属層１３の厚さの１／３の位置における回路層１２および金属層１３の端面位置からの垂線とセラミックス基板１１との交点Ｐを起点として、セラミックス基板１１の表面から回路層１２および金属層１３側へ３０μｍの高さ、かつ、セラミックス基板１１の表面に沿って回路層１２および金属層１３の中央部側へ４００μｍの幅、の領域である。
なお、回路層１２および金属層１３の厚さが９０μｍ未満の場合、端部領域とは、セラミックス基板１１から回路層１２および金属層１３の厚さの１／３の位置における回路層１２および金属層１３の端面位置からの垂線とセラミックス基板１１との交点Ｐを起点として、セラミックス基板１１の表面から回路層１２および金属層１３側への回路層１２および金属層１３の厚さの１／３の高さ、かつ、セラミックス基板１１の表面に沿って回路層１２および金属層１３の中央部側へ４００μｍの幅、の領域である。
さらに、ボイド率は、以下のように算出される。上述の端部領域において、回路層１２および金属層１３を構成する金属が存在しない領域をボイド部とし、上述の端部領域におけるボイド部が占める割合をボイド率とした。
さらに、ボイド率は、以下のように算出される。上述の端部領域において、回路層１２および金属層１３を構成する金属が存在しない領域をボイド部とし、上述の端部領域におけるボイド部が占める割合をボイド率とした。
また、本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面においては、図３に示すように、セラミックス基板１１側から順に、活性金属化合物層２１、Ａｇ－Ｃｕ合金層２２が形成されていることが好ましい。
ここで、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図３（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３の端部Ａと中央部Ｂにおける界面構造について、以下のように規定されている。
なお、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａは、図３（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向端部から幅方向内方に２００μｍまでの領域である。
また、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂは、図３（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向中心を含む幅方向２００μｍの領域である。
なお、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａは、図３（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向端部から幅方向内方に２００μｍまでの領域である。
また、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂは、図３（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向中心を含む幅方向２００μｍの領域である。
本実施形態においては、回路層１２および金属層１３との接合界面の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂが、０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、これらの厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
ここで、活性金属化合物層２１Ａ，２１Ｂは接合材４５で用いる活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）の化合物からなる層である。より具体的には、セラミックス基板が窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる場合には、これらの活性金属の窒化物からなる層となり、セラミックス基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である場合には、これらの活性金属の酸化物からなる層となる。活性金属化合物層２１Ａ，２１Ｂは活性金属化合物の粒子が集合して形成されている。この粒子の平均粒径は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
なお、本実施形態では、接合材４５が活性金属としてＴｉを含有し、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ため、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）で構成される。すなわち、平均粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化チタン（ＴｉＮ）の粒子が集合して形成されている。
なお、本実施形態では、接合材４５が活性金属としてＴｉを含有し、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ため、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）で構成される。すなわち、平均粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化チタン（ＴｉＮ）の粒子が集合して形成されている。
さらに、本実施形態においては、回路層１２および金属層１３との接合界面の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂが、３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、これらの厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
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４および図５を参照して説明する。
（接合材配設工程Ｓ０１）
回路層１２となる銅板４２と、金属層１３となる銅板４３とを準備する。ここで、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３においては、セラミックス基板１１側の向く面の周縁部に面取り部が形成されている。
そして、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の接合面に、接合材４５を塗布し、乾燥させる。ペースト状の接合材４５の塗布厚さは、乾燥後で１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
本実施形態では、スクリーン印刷によってペースト状の接合材４５を塗布する。
回路層１２となる銅板４２と、金属層１３となる銅板４３とを準備する。ここで、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３においては、セラミックス基板１１側の向く面の周縁部に面取り部が形成されている。
そして、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の接合面に、接合材４５を塗布し、乾燥させる。ペースト状の接合材４５の塗布厚さは、乾燥後で１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
本実施形態では、スクリーン印刷によってペースト状の接合材４５を塗布する。
接合材４５は、Ａｇと活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）を含有するものとされている。本実施形態では、接合材４５として、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材（Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材）を用いている。なお、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材（Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材）としては、例えば、Ｃｕを０ｍａｓｓ％以上４５ｍａｓｓ％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およ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。
ここで、塗布する接合材４５については、Ａｇの換算膜厚と、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を、調整する。これにより、後述する加圧および加熱工程Ｓ０３において、発生するＡｇ－Ｃｕ液相の絶対量および流動性を制御することが可能となる。
具体的には、Ａｇの換算膜厚を２．５μｍ以上とすることが好ましく、３．５μｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、Ａｇの換算膜厚を２０μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることがさらに好ましい。
また、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を８以上とすることが好ましく、１２以上とすることがさらに好ましい。一方、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を６０以下とすることが好ましく、４５以下とすることがさらに好ましい。
具体的には、Ａｇの換算膜厚を２．５μｍ以上とすることが好ましく、３．５μｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、Ａｇの換算膜厚を２０μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることがさらに好ましい。
また、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を８以上とすることが好ましく、１２以上とすることがさらに好ましい。一方、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を６０以下とすることが好ましく、４５以下とすることがさらに好ましい。
また、接合材４５に含まれるＡｇ粉の比表面積は、０．１５ｍ２／ｇ以上とすることが好ましく、０．２５ｍ２／ｇ以上とすることがさらに好ましく、０．４０ｍ２／ｇ以上とすることがより好ましい。一方、接合材４５に含まれるＡｇ粉の比表面積は、１．４０ｍ２／ｇ以下とすることが好ましく、１．００ｍ２／ｇ以下とすることがさらに好ましく、０．７５ｍ２／ｇ以下とすることがより好ましい。
なお、ペースト状の接合材４５に含まれるＡｇ粉の粒径は、Ｄ１０が０．７μｍ以上３．５μｍ以下、かつ、Ｄ１００が４．５μｍ以上２３μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
なお、ペースト状の接合材４５に含まれるＡｇ粉の粒径は、Ｄ１０が０．７μｍ以上３．５μｍ以下、かつ、Ｄ１００が４．５μｍ以上２３μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
（積層工程Ｓ０２）
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、接合材４５を介して回路層１２となる銅板４２を積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、接合材４５を介して金属層１３となる銅板４３を積層する。なお、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の周縁部に面取り部が形成されているので、セラミックス基板１１の端部に空隙が形成されることになる。
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、接合材４５を介して回路層１２となる銅板４２を積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、接合材４５を介して金属層１３となる銅板４３を積層する。なお、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の周縁部に面取り部が形成されているので、セラミックス基板１１の端部に空隙が形成されることになる。
（加圧および加熱工程Ｓ０３）
次に、銅板４２とセラミックス基板１１と銅板４３とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、接合材４５を溶融する。
ここで、加圧および加熱工程Ｓ０３における加熱温度は、８００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。７８０℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計が７℃・ｈ以上８０℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加圧および加熱工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０２９ＭＰａ以上２．９４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加圧および加熱工程Ｓ０３における真空度は、１×１０－６Ｐａ以上５×１０－２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、銅板４２とセラミックス基板１１と銅板４３とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、接合材４５を溶融する。
ここで、加圧および加熱工程Ｓ０３における加熱温度は、８００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。７８０℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計が７℃・ｈ以上８０℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加圧および加熱工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０２９ＭＰａ以上２．９４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加圧および加熱工程Ｓ０３における真空度は、１×１０－６Ｐａ以上５×１０－２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。
（冷却工程Ｓ０４）
そして、加圧および加熱工程Ｓ０３の後、冷却を行うことにより、溶融した接合材４５を凝固させて、回路層１２となる銅板４２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１と金属層１３となる銅板４３とを接合する。
なお、この冷却工程Ｓ０４における冷却速度は、２℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、ここでの冷却速度は加熱温度からＡｇ－Ｃｕ共晶温度である７８０℃までの冷却速度である。
そして、加圧および加熱工程Ｓ０３の後、冷却を行うことにより、溶融した接合材４５を凝固させて、回路層１２となる銅板４２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１と金属層１３となる銅板４３とを接合する。
なお、この冷却工程Ｓ０４における冷却速度は、２℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、ここでの冷却速度は加熱温度からＡｇ－Ｃｕ共晶温度である７８０℃までの冷却速度である。
以上のように、接合材配設工程Ｓ０１、積層工程Ｓ０２、加圧および加熱工程Ｓ０３、冷却工程Ｓ０４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５を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク５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７を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５とをはんだ接合する。
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５を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク５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７を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５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。
前述の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
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。
前述の工程により、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、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面において、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈが３μｍ以上とされるとともに、回路層１２および金属層１３の端部領域におけるボイド率が１０％以下とされているので、端面の接合層の厚さが確保され、回路層１２および金属層１３の端部の強度を十分に確保することが可能となる。よって、冷熱サイクルを負荷した際のセラミックス基板１１の割れや剥がれを抑制することができる。
また、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈが３０μｍ以下とされているので、接合材４５のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
また、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈが３０μｍ以下とされているので、接合材４５のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
なお、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈは５μｍ以上とすることが好ましく、８μｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈは２５μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以下とすることがさらに好ましい。
また、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の回路層１２および金属層１３の端部領域Ｅにおけるボイド率は、８％以下であることが好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。
また、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の回路層１２および金属層１３の端部領域Ｅにおけるボイド率は、８％以下であることが好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。
また、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂが、０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされている場合には、活性金属によってセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
なお、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とをさらに強固に接合するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂを、０．０８μｍ以上とすることが好ましく、０．１５μｍ以上とすることがより好ましい。
また、接合界面が硬くなることがさらに確実に抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂを、１．０μｍ以下とすることが好ましく、０．６μｍ以下とすることがより好ましい。
また、接合界面が硬くなることがさらに確実に抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂを、１．０μｍ以下とすることが好ましく、０．６μｍ以下とすることがより好ましい。
さらに、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａと回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂとの厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされている場合には、回路層１２および金属層１３の端部Ａと中央部ｂとで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制することができる。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂの比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂを、０．８以上１．２以下の範囲内とすることがさらに好ましく、０．９以上１．１以下の範囲内とすることがより好ましい。
また、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂが、３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている場合には、後述する接合材４５のＡｇと回路層１２および金属層１３とが十分に反応し、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
なお、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とをさらに強固に接合するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂを、５μｍ以上とすることが好ましく、７μｍ以上とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂを、２５μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以下とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂを、２５μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以下とすることがより好ましい。
さらに、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａと、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂとの比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされている場合には、回路層１２および金属層１３の端部Ａと中央部Ｂとで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａと、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂとの比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂを、０．８以上１．２以下の範囲内とすることがさらに好ましく、０．９以上１．１以下の範囲内とすることがより好ましい。
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。
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、セラミックス基板として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックス基板を用いたものであってもよい。
さらに、本実施形態では、接合材に含まれる活性金属としてＴｉを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される１種又は２種以上の活性金属を含んでいればよい。なお、これらの活性金属は、水素化物として含まれていてもよい。
さらに、本実施形態においては、回路層を、無酸素銅の圧延板をセラミックス基板に接合することにより形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く、銅板を打ち抜いた銅片を回路パターン状に配置された状態でセラミックス基板に接合されることによって回路層を形成してもよい。この場合、それぞれの銅片において、上述のようなセラミックス基板との界面構造を有していればよい。
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。
まず、表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。なお、厚さは、ＡｌＮおよびＡｌ２Ｏ３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４は０．３２ｍｍとした。
また、回路層および金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、表１に示す厚さの３７ｍｍ×３７ｍｍの銅板を準備した。なお、回路層および金属層となる銅板においては、セラミックス基板側の周縁部に面取り部を形成した。
また、回路層および金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、表１に示す厚さの３７ｍｍ×３７ｍｍの銅板を準備した。なお、回路層および金属層となる銅板においては、セラミックス基板側の周縁部に面取り部を形成した。
そして、回路層および金属層となる銅板に、接合材を塗布した。なお、接合材はペースト材を用い、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の量は表１の通りとした。ここで、表１に示すように、Ａｇ換算厚さ、および、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を調整した。
セラミックス基板の一方の面に、回路層となる銅板を積層した。また、セラミックス基板の他方の面に、金属層となる銅板を積層した。
この積層体を、積層方向に加圧した状態で加熱し、Ａｇ－Ｃｕ液相を発生させた。このとき、加圧荷重を０．２９４ＭＰａとし，温度積分値は表１の通りとした。
そして、加熱した積層体を冷却することにより、回路層となる銅板とセラミックス基板と金属層となる金属板を接合し、絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。
そして、加熱した積層体を冷却することにより、回路層となる銅板とセラミックス基板と金属層となる金属板を接合し、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、端部のボイド率、端部におけるセラミックス基板と銅板との間の距離、活性金属化合物層、Ａｇ－Ｃｕ合金層、冷熱サイクル信頼性、ろう染みの有無を、以下のようにして評価した。
（端部のボイド率）
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の端部断面について、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ５視野で各元素マッピングを取得した。そして、端部領域においてＡｇ、Ｃｕ、活性金属が検出されなかった領域の面積（ボイド面積）を求めて、ボイド率＝１００×ボイド面積／端部領域面積の最大値を「端部のボイド率」とし、表２に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の端部断面について、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ５視野で各元素マッピングを取得した。そして、端部領域においてＡｇ、Ｃｕ、活性金属が検出されなかった領域の面積（ボイド面積）を求めて、ボイド率＝１００×ボイド面積／端部領域面積の最大値を「端部のボイド率」とし、表２に記載した。
（端部におけるセラミックス基板と銅板との間の距離）
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面において、上述した端部断面を、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素のライン分析を実施した。交点Ｐを通り、かつセラミックス基板に対して垂直な方向に回路層、または金属層に向かって、それぞれ５視野で各元素のライン分析を実施した。そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、セラミックス基板表面からＣｕ濃度が９０ｍａｓｓ％以上である領域までの距離を測定し、それぞれ５視野、計１０視野の内最も短い距離を「端部におけるセラミックス基板と銅板との間の距離」とし、表２に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面において、上述した端部断面を、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素のライン分析を実施した。交点Ｐを通り、かつセラミックス基板に対して垂直な方向に回路層、または金属層に向かって、それぞれ５視野で各元素のライン分析を実施した。そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、セラミックス基板表面からＣｕ濃度が９０ｍａｓｓ％以上である領域までの距離を測定し、それぞれ５視野、計１０視野の内最も短い距離を「端部におけるセラミックス基板と銅板との間の距離」とし、表２に記載した。
（活性金属化合物層）
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５、加速電圧１．８ｋＶ）を用いて倍率３００００倍で測定し、エネルギー分散型Ｘ線分析法により、Ｎ、Ｏ及び活性金属元素の元素マッピングを取得した。活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する場合に活性金属化合物層が有ると判断した。
それぞれ５視野で観察を行い、活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する範囲の面積を測定した幅で割ったものの平均値を「活性金属化合物層の厚さ」とし表２に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５、加速電圧１．８ｋＶ）を用いて倍率３００００倍で測定し、エネルギー分散型Ｘ線分析法により、Ｎ、Ｏ及び活性金属元素の元素マッピングを取得した。活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する場合に活性金属化合物層が有ると判断した。
それぞれ５視野で観察を行い、活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する範囲の面積を測定した幅で割ったものの平均値を「活性金属化合物層の厚さ」とし表２に記載した。
（Ａｇ－Ｃｕ合金層）
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ５視野で各元素マッピングを取得した。
そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、Ａｇ濃度が１５質量％以上である領域をＡｇ－Ｃｕ合金層とし、その面積を求めて、測定領域の幅で割った値（面積／測定領域の幅）を求めた。その値の平均をＡｇ－Ｃｕ合金層の厚さとして表２に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ５視野で各元素マッピングを取得した。
そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、Ａｇ濃度が１５質量％以上である領域をＡｇ－Ｃｕ合金層とし、その面積を求めて、測定領域の幅で割った値（面積／測定領域の幅）を求めた。その値の平均をＡｇ－Ｃｕ合金層の厚さとして表２に記載した。
（冷熱サイクル信頼性）
上述の絶縁回路基板を、セラミックス基板の材質に応じて、下記の冷熱サイクルを負荷し、ＳＡＴ検査によりセラミックス割れの有無を判定した。評価結果を表２に示す。
ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３の場合：－４０℃×１０ｍｉｎ←→１５０℃×１０ｍｉｎを５００サイクルまで５０サイクル毎にＳＡＴ検査。
Ｓｉ３Ｎ４の場合：－４０℃×１０ｍｉｎ←→１５０℃×１０ｍｉｎを２０００サイクルまで２００サイクル毎にＳＡＴ検査。
上述の絶縁回路基板を、セラミックス基板の材質に応じて、下記の冷熱サイクルを負荷し、ＳＡＴ検査によりセラミックス割れの有無を判定した。評価結果を表２に示す。
ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３の場合：－４０℃×１０ｍｉｎ←→１５０℃×１０ｍｉｎを５００サイクルまで５０サイクル毎にＳＡＴ検査。
Ｓｉ３Ｎ４の場合：－４０℃×１０ｍｉｎ←→１５０℃×１０ｍｉｎを２０００サイクルまで２００サイクル毎にＳＡＴ検査。
（ろう染みの有無）
回路層表面および金属層表面を、ＥＰＭＡ装置を用いてＡｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素マッピングを取得した。そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、Ａｇ濃度が１５質量％以上である領域を「ろう染み」とし、その面積を求めて、回路層及び金属層の外周から１００μｍの領域の面積で割った値が２０％以上の場合に「ろう染み」が有ると判断した。
回路層表面および金属層表面を、ＥＰＭＡ装置を用いてＡｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素マッピングを取得した。そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、Ａｇ濃度が１５質量％以上である領域を「ろう染み」とし、その面積を求めて、回路層及び金属層の外周から１００μｍの領域の面積で割った値が２０％以上の場合に「ろう染み」が有ると判断した。
はじめに、セラミックス基板としてＡｌＮを用いた本発明例１－３と比較例１とを比較する。
比較例１においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２３．２μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が１６．３％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１００回となった。また、ろう染みが確認された。
比較例１においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２３．２μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が１６．３％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１００回となった。また、ろう染みが確認された。
これに対して、本発明例１においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２４．７μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が９．８％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が４００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例２においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２０．９μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が５．３％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が４５０回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例３においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１２．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．８％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が５００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例２においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２０．９μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が５．３％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が４５０回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例３においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１２．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．８％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が５００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
次に、セラミックス基板としてＳｉ３Ｎ４を用いた本発明例４－６と比較例２とを比較する。
比較例２においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が４５．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が１３．２％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１２００回となった。また、ろう染みが確認された。
比較例２においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が４５．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が１３．２％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１２００回となった。また、ろう染みが確認された。
これに対して、本発明例４においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が３．２μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．３％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１６００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例５においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が６．４μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が７．１％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１８００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例６においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が８．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．１％とされており、冷熱サイクル試験において２０００回でも割れが発生しなかった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例５においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が６．４μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が７．１％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１８００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例６においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が８．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．１％とされており、冷熱サイクル試験において２０００回でも割れが発生しなかった。また、ろう染みは確認されなかった。
次に、セラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３を用いた本発明例７，８と比較例３とを比較する。
比較例３においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１．３μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．０％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が５０回となった。なお、ろう染みは確認されなかった。
比較例３においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１．３μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．０％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が５０回となった。なお、ろう染みは確認されなかった。
これに対して、本発明例７においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２９．６μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が８．２％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が３５０回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例８においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１９．６μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が４．８％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が４５０回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
本発明例８においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１９．６μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が４．８％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が４５０回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、ろう染みの発生が十分に抑制された絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）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）
２１（２１Ａ，２１Ｂ） 活性金属化合物層
２２（２２Ａ，２２Ｂ） Ａｇ－Ｃｕ合金層
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）
２１（２１Ａ，２１Ｂ） 活性金属化合物層
２２（２２Ａ，２２Ｂ） Ａｇ－Ｃｕ合金層
Claims (6)
- 銅又は銅合金からなる銅部材と、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、
前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、
前記銅部材の端部領域におけるボイド率が１０％以下であることを特徴とする銅／セラミックス接合体。 - 前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記セラミックス部材側には活性金属化合物層が形成されており、
前記銅部材の前記端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされ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。 - 前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、
前記銅部材の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。 - 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、
前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、
前記銅板の端部領域におけるボイド率が１０％以下であることを特徴とする絶縁回路基板。 - 前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記セラミックス基板側には活性金属化合物層が形成されており、
前記銅板の前記端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項４に記載の絶縁回路基板。 - 前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、
前記銅板の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の絶縁回路基板。
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