JP2023086688A - 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１２，１３と、セラミックス部材１１とを具備し、銅部材１２，１３とセラミックス部材１１とが接合され、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、セラミックス部材１１側には活性金属化合物からなる活性金属化合物層２１が形成されており、セラミックス部材１１には、接合界面からセラミックス部材１１の内部側に進展するマイクロクラック２５が存在し、マイクロクラック２５の少なくとも一部に活性金属化合物が充填されている。
【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Ａｌ_２Ｏ_３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、銅又は銅合金からなる銅板と、窒化ケイ素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。
前述のように、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、活性金属であるＴｉがセラミックス基板と反応することにより、接合材の濡れ性が向上し、銅板とセラミックス基板との接合強度が向上することになる。

ここで、前述の絶縁回路基板においては、冷熱サイクルを負荷した場合でも、セラミックス基板に割れが発生することを抑制する必要がある。
セラミックス基板の割れを抑制するために、例えば、特許文献４においては、マイクロクラックのないセラミックス基板を用いた絶縁回路基板が開示されている。
また、特許文献５においては、表面粗さを規定したセラミックス基板を用いた絶縁回路基板が開示されている。

特許第３２１１８５６号公報 特許第５７５７３５９号公報 特開２０１８－００８８６９号公報 特開２００９－２８０４９４号公報 特許第５０３８５６５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、前述のように、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、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、セラミックス基板のマイクロクラックを低減した特許文献４、および、セラミックス基板の表面粗さを規定した特許文献５に記載された絶縁回路基板においても、厳しい冷熱サイクルを負荷した際に、セラミックス基板の割れを十分に抑制す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、本発明の態様１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、前記セラミックス部材側には活性金属化合物からなる活性金属化合物層が形成されており、前記セラミックス部材には、前記接合界面から前記セラミックス部材の内部側に進展するマイクロクラックが存在し、このマイクロクラックの少なくとも一部に前記活性金属化合物が充填されていることを特徴としている。
前述の課題を解決するために、本発明の態様１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を具備し、前記銅部材と前記セラミックス部材とが接合され、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からなる活性金属化合物層が形成されており、前記セラミックス部材には、前記接合界面から前記セラミックス部材の内部側に進展するマイクロクラックが存在し、前記マイクロクラックの少なくとも一部に前記活性金属化合物が充填されていることを特徴としている。

本発明の態様１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には、接合界面から前記セラミックス部材の内部側に進展するマイクロクラックが存在し、このマイクロクラックの少なくとも一部に前記活性金属化合物が充填されているので、マイクロクラックを起点としたセラミックス割れの発生を抑制でき、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できる。また、マイクロクラックに充填された活性金属化合物のアンカー効果により、セラミックス部材と銅部材との接合強度を向上させることができる。
よって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材の割れや接合率の低下を抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることができる。

本発明の態様２の銅／セラミックス接合体は、本発明の態様１の銅／セラミックス接合体において、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの前記接合界面からの最大深さＨが０．３μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様２の銅／セラミックス接合体によれば、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの前記接合界面からの最大深さＨが０．３μｍ以上とされているので、マイクロクラックに充填された活性金属化合物のアンカー効果によって接合強度を確実に向上させることができる。また、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの前記接合界面からの最大深さＨが３．０μｍ以下とされているので、このマイクロクラックを起因としたセラミックス部材の割れの発生を確実に抑制することができる。

本発明の態様３の銅／セラミックス接合体は、本発明の態様１または態様２の銅／セラミックス接合体において、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの幅が０．３μｍ以下であることを特徴としている。
本発明の態様３の銅／セラミックス接合体によれば、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの幅が０．３μｍ以下に制限されているので、このマイクロクラックを起因としたセラミックス部材の割れの発生を確実に抑制することができる。

本発明の態様４の銅／セラミックス接合体は、本発明の態様１から態様３のいずれか一つの銅／セラミックス接合体において、前記活性金属化合物層の厚さｔ１が４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様４の銅／セラミックス接合体によれば、前記活性金属化合物層の厚さｔ１が４０ｎｍ以上６００ｎｍ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。

本発明の態様５の銅／セラミックス接合体は、本発明の態様１から態様４のいずれか一つの銅／セラミックス接合体において、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、前記銅部材側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２が１．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様５の銅／セラミックス接合体によれば、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。

本発明の態様６の絶縁回路基板は、銅又は銅合金からなる銅板と、セラミックス基板とを具備し、前記セラミックス基板の表面に、前記銅板が接合され、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からなる活性金属化合物層が形成されており、前記セラミックス基板には、前記接合界面から前記セラミックス基板の内部側に進展するマイクロクラックが存在し、前記マイクロクラックの少なくとも一部に前記活性金属化合物が充填されていることを特徴としている。

本発明の態様６の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板には、接合界面から前記セラミックス基板の内部側に進展するマイクロクラックが存在し、このマイクロクラックの少なくとも一部に前記活性金属化合物が充填されているので、マイクロクラックを起点としたセラミックス割れの発生を抑制でき、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できる。また、マイクロクラックに充填された活性金属化合物のアンカー効果により、セラミックス基板と銅板との接合強度を向上させることができる。
よって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れや接合率の低下を抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることができる。

本発明の態様７の絶縁回路基板は、本発明の態様６の絶縁回路基板において、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの前記接合界面からの最大深さＨが０．３μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様７の絶縁回路基板によれば、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの前記接合界面からの最大深さＨが０．３μｍ以上とされているので、マイクロクラックに充填された活性金属化合物のアンカー効果によって接合強度を確実に向上させることができる。また、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの前記接合界面からの最大深さＨが３．０μｍ以下とされているので、マイクロクラックを起点としたセラミックス基板の割れの発生を確実に抑制することができる。

本発明の態様８の絶縁回路基板は、本発明の態様６または態様７の絶縁回路基板において、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの幅Ｗが０．３μｍ以下であることを特徴としている。
本発明の態様８の絶縁回路基板によれば、前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの幅Ｗが０．３μｍ以下に制限されているので、マイクロクラックを起点としたセラミックス基板の割れの発生を確実に抑制することができる。

本発明の態様９の絶縁回路基板は、本発明の態様６から態様８のいずれか一つの絶縁回路基板において、前記活性金属化合物層の厚さｔ１が４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様９の絶縁回路基板によれば、前記活性金属化合物層の厚さｔ１が４０ｎｍ以上６００ｎｍ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。

本発明の態様１０の絶縁回路基板は、本発明の態様６から態様９のいずれか一つの絶縁回路基板において、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、前記銅板側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２が１．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様１０の絶縁回路基板によれば、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。

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。 実施例において活性金属化合物が充填されたマイクロクラックの最大深さＨおよび幅Ｗの概略説明図である。

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４２（回路層１２）および銅板４３（金属層１３）とを具備する絶縁回路基板１０であり、セラミックス基板１１と、銅板４２（回路層１２）および銅板４３（金属層１３）とが接合されている。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ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）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、０．３２ｍｍ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、０．８ｍｍ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、０．８ｍｍ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との接合界面およびセラミックス基板１１と金属層１３との接合界面においては、図２（ａ）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。
ここで、活性金属化合物層２１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（Ｓｉ_３Ｎ_４）、又は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる場合には、活性金属化合物層２１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（Ａｌ_２Ｏ_３）である場合には、活性金属化合物層２１は、これらの活性金属の酸化物からなる層となる。

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が窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で構成されているため、活性金属化合物層２１は、窒化チタン（ＴｉＮ）で構成される。

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（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１の接合界面（活性金属化合物層２１側の表面、セラミックス基板１１と活性金属化合物層２１との間の界面）からセラミックス基板１１の内部側（図２（ｂ）において下側）に向かって進展するマイクロクラック２５が存在しており、このマイクロクラック２５の少なくとも一部に、活性金属化合物層２１を構成する活性金属化合物（本実施形態では、ＴｉＮ）が充填している。

ここで、本実施形態においては、活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の接合界面からの最大深さＨが０．３μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、本実施形態においては、活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の幅Ｗが０．３μｍ以下とされていることが好ましい。
活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の接合界面からの最大深さＨは、マイクロクラック２５に充填された活性金属化合物の接合界面からの最大深さＨということもできる。
活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の幅Ｗは、マイクロクラック２５に充填された活性金属化合物の幅Ｗということもできる。
また、接合界面からの最大深さＨにおいて、接合界面は、セラミックス基板１１と活性金属化合物層２１との間の界面である。

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面およびセラミックス基板１１と金属層１３との接合界面に形成された活性金属化合物層２１の厚さｔ１が、４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
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との接合界面およびセラミックス基板１１と金属層１３との接合界面に形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２の厚さｔ２が、１．５μｍ以上３０μｍ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。

（セラミックス基板表面処理工程Ｓ０１）
まず、セラミックス基板１１の接合面となる表面にホーニング加工を施し、表面からセラミックス基板１１の内部側に進展するマイクロクラックを形成する。
ここで、本実施形態におけるホーニング加工の条件を以下に示す。
砥粒：アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）
圧力：０．６ＭＰａ以上１．２ＭＰａ以下
時間：５秒以上３０秒以下

（接合材配設工程Ｓ０２）
次に、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。
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０質量％以上４５質量％以下の範囲内、活性金属であるＴｉを０．５質量％以上２０質量％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。

接合材４５に含まれるＡｇ粉の比表面積は、０．１５ｍ^２／ｇ以上とすることが好ましく、０．２５ｍ^２／ｇ以上とすることがさらに好ましく、０．４０ｍ^２／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、１．４０ｍ^２／ｇ以下とすることが好ましく、１．００ｍ^２／ｇ以下とすることがさらに好ましく、０．７５ｍ^２／ｇ以下とすることがより好ましい。

（積層工程Ｓ０３）
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図４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４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。

（接合工程Ｓ０４）
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。その後、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とを接合し、かつセラミックス基板１１と金属層１３となる銅板４３とを接合する。

ここで、接合工程Ｓ０４における加熱温度（保持温度）は、８００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。７８０℃から保持温度までの昇温工程および保持温度での保持工程における温度積分値の合計は、７℃・ｈ以上３５００℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、接合工程Ｓ０４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、接合工程Ｓ０４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。
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、セラミックス基板表面処理工程Ｓ０１、接合材配設工程Ｓ０２、積層工程Ｓ０３、接合工程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。

（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。

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に接合界面からセラミックス基板１１の内部側に進展するマイクロクラック２５が存在し、このマイクロクラック２５の少なくとも一部に活性金属化合物が充填しているので、マイクロクラック２５を起点としたセラミックス割れの発生を抑制でき、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できる。また、マイクロクラック２５に充填された活性金属化合物のアンカー効果により、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合強度を向上させることができる。
よって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板１１の割れや回路層１２とセラミックス基板１１との接合率および金属層１３とセラミックス基板１１との接合率の低下を抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることができる。

ここで、本実施形態の絶縁回路基板１０においては、活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の接合界面からの最大深さＨが０．３μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内とされている場合には、マイクロクラック２５に充填された活性金属化合物のアンカー効果によってセラミックス基板１１と回路層１２との接合強度およびセラミックス基板１１と金属層１３との接合強度を確実に向上させることができるとともに、マイクロクラック２５を起点としたセラミックス基板１１の割れの発生を確実に抑制することができる。
なお、活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の接合界面からの最大深さＨの下限は０．３５μｍ以上であることがより好ましく、０．４μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の接合界面からの最大深さＨの上限は２．３μｍ以下であることがより好ましく、１．８μｍ以下であることがさらに好ましい。

また、本実施形態の絶縁回路基板１０においては、活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の幅Ｗが０．３μｍ以下である場合には、マイクロクラック２５を起点としたセラミックス基板１１の割れの発生を確実に抑制することができる。
なお、活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の幅Ｗの上限は０．２７μｍ以下であることがより好ましく、０．２５μｍ以下であることがさらに好ましい。一方、活性金属化合物が充填されたマイクロクラック２５の幅Ｗの下限に特に制限はないが、０．０２μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であ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、活性金属化合物層２１の厚さｔ１が４０ｎｍ以上６００ｎｍ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、活性金属化合物層２１の厚さｔ１の下限は７０ｎｍ以上であることがより好ましく、１００ｎｍ以上であることがさらに好ましい。一方、活性金属化合物層２１の厚さｔ１の上限は５００ｎｍ以下であることがより好ましく、３００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

さらに、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と回路層１２との接合界面およびセラミックス基板１１と金属層１３との接合界面にＡｇ－Ｃｕ合金層２２が形成されており、このＡｇ－Ｃｕ合金層２２の厚さｔ２が１．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている場合には、接合材４５に含まれるＡｇが、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３と十分に反応し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、Ａｇ－Ｃｕ合金層２２の厚さｔ２の下限は３μｍ以上であることがより好ましく、５μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、Ａｇ－Ｃｕ合金層２２の厚さｔ２の上限は２５μｍ以下であることがより好ましく、２０μｍ以下であることがさらに好ましい。

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、その発明の技術的要件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、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）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）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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。
また、本実施形態では、銅板の接合面に接合材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、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接合材を配設してもよい。

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、前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、ＡｌＮ板およびＡｌ_２Ｏ_３板の厚さは０．６３５ｍｍとし、Ｓｉ_３Ｎ_４板の厚さは０．３２ｍｍとした。
そして、セラミックス基板の接合面に、表２に示す条件でホーニング処理を実施し、マイクロクラックを形成した。
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。

回路層および金属層となる銅板に、表１に示すＡｇ粉および活性金属粉を含む接合材を、乾燥後の目標厚さが表１に示す値となるように塗布した。
なお、接合材としてペースト材を用い、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の量は表１の通りとした。
また、Ａｇ粉のＢＥＴ値（比表面積）は、以下のように測定した。比表面積／細孔径測定装置（ＱＵＡＮＴＡＣＨＲＲＯＭＥ社製ＡＵＴＯＳＯＲＢ－１）を用い、前処理として１５０℃で３０分加熱しながら真空脱気を行い、次いでＮ_２吸着量を液体窒素の温度７７Ｋで測定し、ＢＥＴ多点法でＢＥＴ値を測定した。

次に、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、７８０℃以上８５０℃以下の範囲内における温度積分値を表２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を接合し、かつ金属層となる金属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、活性金属化合物が充填されたマイクロクラックの有無、活性金属化合物が充填されたマイクロクラックの接合界面からの最大深さＨ、活性金属化合物が充填されたマイクロクラックの幅Ｗ、活性金属化合物の面積率、活性金属化合物層の厚さｔ１、Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２、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）
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（ＳＥＭ）（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）を用いて、加速電圧１．８ｋＶにて倍率３００００倍で観察し、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それぞれ５視野取得した。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、計１０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、測定した領域の幅で割って得られた数値の平均値を「活性金属化合物層の厚さｔ１」として表２に記載した。

（活性金属化合物が充填されたマイクロクラックの評価）
回路層とセラミックス基板との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）を用いて倍率１００００倍で観察し、１０視野の写真を撮影した。また、撮影した１０視野において、エネルギー分散型Ｘ線分析法により、Ｏ及び活性金属元素の元素マッピングを取得し、活性金属元素とＮまたはＯが共に存在する部分を活性金属化合物として特定した。活性金属化合物が充填されていないマイクロクラックはＳＥＭ写真にて確認できるが、元素マッピングにおいては、活性金属化合物が充填されていない限り、マイクロクラックそのものを特定することは困難である。このため、前述のように算出された「活性金属化合物層の厚さｔ１」に対して、セラミックス基板の内部側へ０．３×ｔ１以上の長さで活性金属化合物が入り込んだ部分を「活性金属化合物が充填されたマイクロクラック」とした。観察した１０視野のうち、８視野以上で「活性金属化合物が充填されたマイクロクラック」が観察された場合を、「○」（活性金属化合物が充填されたマイクロクラックが有る）と評価した。これ以外を「×」（活性金属化合物が充填されたマイクロクラックが無い）と評価した。
そして、活性金属化合物が充填されたマイクロクラックの接合界面からの最大深さＨ、および、活性金属化合物が充填されたマイクロクラックの幅Ｗを、表２に示す。

最大深さＨは、以下のように測定された。各視野において観察された「活性金属化合物が充填されたマイクロクラック」において、クラックの活性金属化合物層側の端の２点（Ｐ１，Ｐ２）を結んだ直線の中点（Ｐ３）から、充填されている活性金属化合物のセラミックス基板側に向かって積層方向に沿った最も長い距離を最大深さＨとした。各観察された「活性金属化合物が充填されたマイクロクラック」の最大深さＨの平均値を表２に示した（図５参照）。
幅Ｗは、以下のように測定された。各視野において観察された「活性金属化合物が充填されたマイクロクラック」において、中点（Ｐ３）からセラミックス基板側に向かって積層方向に沿って引いた線分のうち、最大深さＨを示す部分の中間点において、活性金属化合物層とセラミックス基板の積層方向と垂直な方向の仮想線を引き、クラックの両端間（仮想線とクラックとが交わる２点間）の距離を幅Ｗとした。各観察された「活性金属化合物が充填されたマイクロクラック」の幅Ｗの平均値を表２に示した（図５参照）。

（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（ＪＥＯＬ社製ＪＸＡ―８２３０）を用いて、加速電圧１５．０ｋＶにて、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。
それぞれ５視野、計１０視野で観察を行い、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００質量％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。その値の平均値をＡｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２として表２に記載した。

（冷熱サイクル信頼性）
前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，Ａｌ_２Ｏ_３の場合：－４０℃×１０ｍｉｎ←→１５０℃×１０ｍｉｎの条件で冷熱サイクルを５００サイクルまで行った。５０サイクル毎にＳＡＴ検査を行った。
Ｓｉ_３Ｎ_４の場合：－４０℃×５ｍｉｎ←→１５０℃×５ｍｉｎの条件で冷熱サイクルを２０００サイクルまで行った。２００サイクル毎にＳＡＴ検査を行った。

比較例１～６においては、「活性金属化合物が充填されたマイクロクラック」の評価が×であり、冷熱サイクル時に割れが発生し、冷熱サイクル信頼性に劣っていた。
これに対して、本発明例１～８においては、「活性金属化合物が充填されたマイクロクラック」の評価が○であり、冷熱サイクル時に割れが発生せず、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）
２１ 活性金属化合物層
２２ Ａｇ－Ｃｕ合金層
２５ マイクロクラック

Claims (10)

1. 銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とを具備し、前記銅部材と前記セラミックス部材とが接合され、
   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からなる活性金属化合物層が形成されており、
   前記セラミックス部材には、前記接合界面から前記セラミックス部材の内部側に進展するマイクロクラックが存在し、前記マイクロクラックの少なくとも一部に前記活性金属化合物が充填され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が充填された前記マイクロクラックの前記接合界面からの最大深さＨが０．３μｍ以上３．０μｍ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. 前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの幅が０．３μｍ以下であ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。
4. 前記活性金属化合物層の厚さｔ１が４０ｎｍ以上６００ｎｍ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。
5. 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Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２が１．５μｍ以上３０μｍ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。
6. 銅又は銅合金からなる銅板と、セラミックス基板とを具備し、前記セラミックス基板の表面に、前記銅板が接合され、
   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からなる活性金属化合物層が形成されており、
   前記セラミックス基板には、前記接合界面から前記セラミックス基板の内部側に進展するマイクロクラックが存在し、前記マイクロクラックの少なくとも一部に前記活性金属化合物が充填され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が充填された前記マイクロクラックの前記接合界面からの最大深さＨが０．３μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内とされ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. 前記活性金属化合物が充填された前記マイクロクラックの幅が０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の絶縁回路基板。
9. 前記活性金属化合物層の厚さｔ１が４０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とすることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の絶縁回路基板。
10. 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Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２が１．５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の絶縁回路基板。

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