JP2023044872A - 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体を提供する。
【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材１２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との接合界面には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３１が形成されており、セラミックス部材１１の接合面から銅部材１２側へ１５μｍまでの領域において、Ｍｇ固溶層３１に析出したＭｇＯ粒子３３の析出面積率が１５％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、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１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。

また、特許文献２においては、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉ系ろう材を用いて、セラミックス基板と銅板とを接合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、窒素ガス雰囲気下にて５６０～８００℃で加熱することによって接合する構成とされており、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉ合金中のＭｇは昇華して接合界面には残存せず、かつ、窒化チタン（ＴｉＮ）が実質的に形成しないものとされている。

さらに、特許文献３においては、Ｍｇを用いて銅板とセラミックス基板とを接合した絶縁回路基板が開示されている。
この特許文献３においては、端子等を超音波接合した場合であっても、銅板とセラミックス基板との接合界面にクラックの発生を抑制することが可能となる。

特許第３２１１８５６号公報 特許第４３７５７３０号公報 特開２０２１－０３５９０１号公報

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、特許文献１，２に開示されているように、活性金属であるＴｉを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、銅板側に活性金属であるＴｉが拡散し、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物が析出することで、接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス部材に割れが生じ、冷熱サイクル信頼性が低下するおそれがあった。

また、特許文献３に開示されているように、Ｍｇを用いてセラミックス基板と銅板とを接合した場合には、セラミックス基板と銅板の接合界面には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成される。よって、銅板の接合面近傍は、Ｍｇの固溶硬化によって硬くなる。
さらに、接合界面に存在する酸素とＭｇが反応することで、Ｍｇ固溶層にＭｇ酸化物が析出し、この析出硬化によって、さらに接合界面が硬くなるおそれがある。
このように、活性金属であるＴｉを用いずに、Ｍｇを用いてセラミックス基板と銅板とを接合した場合でも、接合界面が硬くなり、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、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ１５μｍまでの領域において、前記Ｍｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ１５μｍまでの領域において、前記Ｍｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％以下とされているので、析出硬化によって接合界面が硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時のセラミックス部材の割れの発生を抑制することが可能となる。
よって、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、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ１０μｍの位置におけるインデンテーション硬さの平均値が１００ｍｇｆ／μｍ^２以上１８０ｍｇｆ／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、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ１０μｍの位置におけるインデンテーション硬さの平均値が１００ｍｇｆ／μｍ^２以上とされているので、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、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ１０μｍの位置におけるにおけるインデンテーション硬さの平均値が１８０ｍｇｆ／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。

なお、本発明におけるインデンテーション硬度Ｈとは、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が１１４．８°以上１１５．１°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を５０００ｍｇｆとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、以下の式より算出される。
ｈｃ＝ｈｔ－０．７５×Ｐ／Ｓ
（ｈｔ：押し込み深さ、Ｐ：荷重、Ｓ：接触剛性（＝dP/ dh|Pmax）、ｈｃ：接触深さ）
接触面積Ａ＝２４．５６×ｈｃ^２
インデンテーション硬さＨ＝Ｐ／Ａ

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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ１５μｍまでの領域において、前記Ｍｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ１５μｍまでの領域において、前記Ｍｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％以下とされているので、析出硬化によって接合界面が硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板の割れの発生を抑制することが可能となる。
よって、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、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ１０μｍの位置におけるインデンテーション硬さの平均値が１００ｍｇｆ／μｍ^２以上１８０ｍｇｆ／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、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ１０μｍの位置におけるインデンテーション硬さの平均値が１００ｍｇｆ／μｍ^２以上とされているので、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、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ１０μｍの位置におけるにおけるインデンテーション硬さの平均値が１８０ｍｇｆ／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。

本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／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。

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および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。 実施例における絶縁回路基板の接合界面の観察写真である。（ａ）が本発明例３、（ｂ）が本発明例７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）および銅板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。

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。

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（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４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４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図４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。

ここで、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、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３１が形成されている。
Ｍｇ固溶層３１は、回路層１２（金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面を、ＥＰＭＡ装置（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率２００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（縦４００μｍ×横６００μｍ）を観察して定量分析を行い、Ｃｕ濃度＋Ｍｇ濃度＝１００原子％として、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上６．９原子％以下である領域である。

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、Ｍｇ固溶層３１の内部にＭｇＯ粒子３３が析出しており、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ１５μｍまでの領域Ｅにおいて、Ｍｇ固溶層３１に析出したＭｇＯ粒子３３の析出面積率が１５％以下とされている。ＭｇＯ粒子３３の析出面積率が０％であってもよい。
なお、セラミックス基板１１の表面に薄いＭｇＯ層が形成されることがあるが、このＭｇＯ層はＭｇ固溶層３１に析出したものではないため、上述のＭｇＯ粒子３３の析出面積率には含めない。

また、本実施形態においては、図２に示すように、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ１０μｍの位置Ｘにおけるインデンテーション硬さの平均値が１００ｍｇｆ／μｍ^２以上１８０ｍｇｆ／μｍ^２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３および図４を参照して説明する。

（Ｍｇ配置工程Ｓ０１）
まず、セラミックス基板１１を準備し、図４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、および、金属層１３となる銅板２３とセラミックス基板１１との間に、それぞれＭｇを配置する。
本実施形態では、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、Ｍｇ箔２５を配設している。
ここで、Ｍｇ配置工程Ｓ０１では、配置するＭｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とする。
なお、配置するＭｇ量は、０．５２ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることが好ましく、０．６９ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることがさらに好ましい。一方、配置するＭｇ量は、３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることが好ましく、２．６１ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることがさらに好ましい。

（積層工程Ｓ０２）
次に、銅板２２とセラミックス基板１１を、Ｍｇ箔２５を介して積層するとともに、セラミックス基板１１と銅板２３を、Ｍｇ箔２５を介して積層する。

（接合工程Ｓ０３）
次に、積層された銅板２２、Ｍｇ箔２５、セラミックス基板１１、Ｍｇ箔２５、銅板２３を、積層方向に加圧するとともに、真空炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１と銅板２３を接合する。

ここで、接合工程Ｓ０３における保持温度は、７００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。そして、６７０℃から保持温度までの昇温過程および加熱温度での保持過程における温度積分値Ｓは、３０℃・ｈ以上５００℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、接合工程Ｓ０３における加圧荷重Ｐは、０．０９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。

そして、加圧荷重Ｐと温度積分値Ｓの積Ｐ×Ｓは、３０℃・ｈ・ＭＰａ以上６５０℃・ｈ・ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
加圧荷重Ｐと温度積分値Ｓの積Ｐ×Ｓを上述の範囲とすることにより、接合時に生成する液相の排出状態が調整され、液相中に含まれる酸素含有物を界面から排出することができ、Ｍｇ固溶層３１におけるＭｇＯ粒子３３の析出面積率を制御することが可能となる。

さらに、接合工程Ｓ０３における炉内雰囲気中の露点を－６１℃以下とすることが好ましい。
炉内雰囲気中の露点を－６１℃以下とすることで、Ｍｇ固溶層３１におけるＭｇＯ粒子３３の析出面積率を制御することが可能となる。
また、冷却時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、保持温度から６７０℃までの冷却速度の平均値である。

以上のように、Ｍｇ配置工程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が製造されることになる。

（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。
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（金属層１３）との接合界面には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３１が形成されており、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ１５μｍまでの領域Ｅにおいて、Ｍｇ固溶層３１に析出したＭｇＯ粒子３３の析出面積率が１５％以下とされているので、析出硬化によって接合界面が硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板１１の割れの発生を抑制することが可能となる。
よって、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた絶縁回路基板１０を得ることができる。

なお、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させるためには、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ１５μｍまでの領域ＥにおけるＭｇ固溶層３１に析出したＭｇＯ粒子３３の析出面積率を１２％以下とすることが好ましく、８％以下とすることがより好ましい。

また、本実施形態の絶縁回路基板１０において、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ１０μｍの位置Ｘにおけるインデンテーション硬さの平均値が１００ｍｇｆ／μｍ^２以上１８０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされている場合には、Ｍｇによってセラミックス基板１１と回路層１２（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。
よって、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた絶縁回路基板１０を得ることができる。

なお、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させるためには、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ１０μｍの位置Ｘにおけるインデンテーション硬さの平均値を１７０ｍｇｆ／μｍ^２以下とすることが好ましく、１６０ｍｇｆ／μｍ^２以下とすることがより好ましい。
一方、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）とをさらに確実に接合するためには、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ１０μｍの位置Ｘにおけるインデンテーション硬さの平均値を１１５ｍｇｆ／μｍ^２以上とすることが好ましく、１２５ｍｇｆ／μｍ^２以上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。

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（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。
また、本実施形態では、セラミックス基板と銅板との間にＭｇ箔を配置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、セラミックス基板と銅板の間に接合材が配設されていればよく、セラミックス基板の接合面にＭｇを配設してもよいし、銅板の接合面にＭｇを配設してもよい。また、セラミックス基板及び／又は銅板にスパッタ、蒸着することによってＭｇを配置してもよい。銅板とＭｇ箔のクラッド材を用いることもできる。なお、Ｍｇ粉及び／又はＭｇＨ_２粉を含むペーストを用いて、Ｍｇをセラミックス基板と銅板との間に配置することもできる。

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Ａｌ_２Ｏ_３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４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。

そして、表１に示す条件で銅板とセラミックス基板とを接合し、本発明例１～９、比較例１の絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。
ここで、接合時には、炉内ガスの排気とドライエアの導入を繰り返し、表１に示す露点とした。なお、露点は株式会社テクネ計測社製ＭＢＷ９７３Ｌにより測定した。

得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、Ｍｇ固溶層におけるＭｇＯ粒子の析出面積率、インデンテーション硬さ、冷熱サイクル信頼性（セラミックス基板の割れ、冷熱サイクル負荷後の接合率）を、以下のようにして評価した。

（Ｍｇ固溶層におけるＭｇＯ粒子析出面積率）
回路層および金属層とセラミックス基板との接合界面の断面を観察し、ＥＰＭＡにより、Ｍｇ固溶層内の２００μｍ×１５μｍの領域に対して元素マップをそれぞれ５視野取得た。ＭｇとＯが共存し、Ｍｇ濃度＋Ｏ濃度＝１００原子％として、Ｏ濃度が３５原子％以上６５原子％以下である領域を析出したＭｇＯ粒子とし、その面積率を算出し、それぞれ５視野、計１０箇所の平均値を求めた。

（インデンテーション硬さ）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を積層方向に切断し、セラミックス基板と回路層および金属層の接合界面において、セラミックス基板の接合面から回路層および金属層側へ１０μｍの位置Ｘにおけるインデンテーション硬さをそれぞれ１視野で５箇所、５視野で測定し、計５０箇所で測定し、平均値を求めた。

（冷熱サイクル信頼性）
上述の絶縁回路基板に対して、冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ－７２ＥＳ）を使用し、気相で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。なお、冷熱サイクルの条件は、セラミックス基板の材質に応じて、下記のように設定した。
ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３の場合：－４０℃×１５ｍｉｎ←→１５０℃×１５ｍｉｎを１０００サイクルまで１００サイクル毎にＳＡＴ検査。
Ｓｉ_３Ｎ_４の場合：－４０℃×１５ｍｉｎ←→１５０℃×１５ｍｉｎを３０００サイクルまで２００サイクル毎にＳＡＴ検査。

（接合率）
上述の冷熱サイクル負荷前の接合率と、冷熱サイクル負荷後の接合率を、以下のようにして評価した。なお、セラミックス基板の割れが確認された場合には、その時点での接合率を評価した。
絶縁回路基板に対し、セラミックス基板と銅板（回路層及び金属層）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ＦｉｎｅＳＡＴ ＦＳＰ８Ｖ）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。

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、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）
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。

まず、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、セラミックス基板の接合面から銅板側へ１５μｍまでの領域においてＭｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が２２．４％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２００回となった。
これに対して、本発明例１－３においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ１５μｍまでの領域においてＭｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％以下とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が７００～１０００回超えとなり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。

次に、セラミックス基板としてＳｉ_３Ｎ_４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、セラミックス基板の接合面から銅板側へ１５μｍまでの領域においてＭｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１９．２％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１６００回となった。
これに対して、本発明例４－６においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ１５μｍまでの領域においてＭｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％以下とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が２６００～３０００回超えとなり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。

次に、セラミックス基板としてＡｌ_２Ｏ_３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、セラミックス基板の接合面から銅板側へ１５μｍまでの領域においてＭｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が２４．８％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２００回となった。
これに対して、本発明例７，８においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ１５μｍまでの領域においてＭｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％以下とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が９００～１０００回となり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。

以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板（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）
３１ Ｍｇ固溶層
３３ ＭｇＯ粒子

Claims (4)

1. 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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
   前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ１５μｍまでの領域において、前記Ｍｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％以下であることを特徴とする銅／セラミックス接合体。
2. 前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ１０μｍの位置におけるインデンテーション硬さの平均値が１００ｍｇｆ／μｍ^２以上１８０ｍｇｆ／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に記載の銅／セラミックス接合体。
3. 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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
   前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ１５μｍまでの領域において、前記Ｍｇ固溶層に析出したＭｇＯ粒子の析出面積率が１５％以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
4. 前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ１０μｍの位置におけるインデンテーション硬さの平均値が１００ｍｇｆ／μｍ^２以上１８０ｍｇｆ／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３に記載の絶縁回路基板。

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