JP6729224B2 - セラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、パワーモジュール、ｌｅｄモジュール、熱電モジュール - Google Patents

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    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Description

この発明は、セラミックス部材と、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部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体、および絶縁回路基板と、これを備えたパワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュール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、導電材料からなる回路層の上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、動作時に発熱量が多いことから、これを搭載する基板として、耐熱性、絶縁性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板（絶縁層）が広く用いられている。
こうしたセラミックス基板（絶縁層）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し、また、他方の面に放熱性に優れた金属層を接合して一体化させた絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）も提供されている。
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板からなる回路層及びアルミニウム板からなる金属層が形成された絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
そして、絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
特許第３１７１２３４号公報
上述した絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）においては、セラミックス基板とアルミニウム板との接合にＡｌ−Ｓｉ系ろう材などを用いた例が示されているが、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板（絶縁層）と、アルミニウム板との接合においては、セラミックス基板の焼結助剤などの影響によって、接合強度を十分に保つことができなかった。
特に、パワー半導体素子の動作時の発熱による高温状態と、非動作時の低温状態との間で繰り返し冷熱サイクルが加わる絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）にあっては、セラミックス基板（絶縁層）と金属層との間で接合信頼性が低下しやすいという課題があった。
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、窒化ケイ素からなるセラミックス部材に対してアルミニウム部材を高い接合信頼性を保って接合させたセラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、およびこれを備えたパワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の接合体は、セラミックス部材と、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部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、前記セラミックス部材は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されており、前記接合層にはマグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％含まれていることを特徴とする。
本発明の接合体によれば、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合界面に形成されたマグネシウムを含む接合層が、マグネシウムがほとんど存在しない場合と比較して、セラミックス部材の厚み方向の内部により深く形成される。即ち、マグネシウムの存在によって、セラミックス部材の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合強度が高められ、接合体の接合信頼性を向上させることを可能にする。
前記接合層の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％〜１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％〜３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％〜４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％、残部がアルミニウムであることを特徴とする。
接合層の組成割合を上述した範囲にすることで、セラミックス部材の内部のより深い領域まで、接合層を構成するサイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成され、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合強度を高めることができる。
接合層のマグネシウム濃度が３ａｔ％未満の場合、接合層の生成が不均一になり、接合性が低下するおそれがある。また、マグネシウム濃度が８ａｔ％を超えると、マグネシウムが過剰に存在することにより、接合層が脆くなり、接合信頼性が低下するおそれがある。
また、本発明の接合体は、前記セラミックス部材の表面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置において、銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする。
この場合、接合界面近傍における、銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であるので、アルミニウム部材のうちセラミックス部材との接合界面の近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス部材に亀裂等が生じることを抑制できる。
本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板と、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は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されており、前記接合層にはマグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％含まれていることを特徴とする。
本発明の絶縁回路基板によれば、セラミックス基板と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の接合界面に生じるマグネシウムを含む接合層が、マグネシウムがほとんど存在しない場合と比較して、セラミックス基板の厚み方向の内部により深く形成される。即ち、マグネシウムの存在によって、セラミックス基板の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス基板とアルミニウム板との接合強度が高められ、絶縁回路基板の接合信頼性を向上させることを可能にする。
前記接合層の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％〜１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％〜３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％〜４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％、残部がアルミニウムであることを特徴とする。
接合層の組成割合を上述した範囲にすることで、セラミックス基板の内部のより深い領域まで、接合層を構成するサイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成され、セラミックス基板とアルミニウム板との接合強度を高めることができる。
接合層のマグネシウム濃度が３ａｔ％未満の場合、接合層の生成が不均一になり、接合性が低下するおそれがある。また、マグネシウム濃度が８ａｔ％を超えると、マグネシウムが過剰に存在することにより、接合層が脆くなり、接合信頼性が低下するおそれがある。
また、本発明の絶縁回路基板は、前記セラミックス基板の表面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置において、銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする。
この場合、接合界面近傍における、銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であるので、アルミニウム板のうちセラミックス基板との接合界面の近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス基板に亀裂等が生じることを抑制できる。
本発明のパワーモジュールは、前項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とする。
本発明のＬＥＤモジュールは、前項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたと、を備えていることを特徴とする。
本発明の熱電モジュールは、前項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載された熱電素子と、を備えていることを特徴とする。
本発明のパワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールによれば、セラミックス基板と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の接合界面に生じるマグネシウムを含む接合層が、マグネシウムがほとんど存在しない場合と比較して、セラミックス基板の厚み方向の内部により深く形成される。即ち、マグネシウムの存在によって、セラミックス基板の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス基板とアルミニウム板との接合強度が高められ、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールの接合信頼性を向上させることを可能にする。
本発明によれば、窒化ケイ素からなるセラミックス部材に対してアルミニウム部材を高い接合信頼性を保って接合させたセラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、およびこれを備えたパワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールを提供することができる。
第一実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体、およびパワーモジュールを示す断面図である。 第一実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体の接合界面の近傍を示す要部拡大断面図である。 第二実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体の接合界面の近傍を示す要部拡大断面図である。 図３における窒化アルミニウム層の要部拡大断面図である。 実施例２における窒化アルミニウム層の厚さの測定例を示すグラフである。
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。
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。
（第一実施形態）
図１は、第一実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板を示す断面図である。
本実施形態であるセラミックス／アルミニウム接合体は、セラミックス部材としてセラミックス基板１１、アルミニウム部材としてアルミニウム板が接合されてなる回路層１２、アルミニウム部材としてアルミニウム板が接合されてなる金属層１３を備えた絶縁回路基板１０とされている。
また、本実施形態のパワーモジュール３０は、絶縁回路基板１０の回路層１２に、はんだ層２３を介してパワー半導体素子等の半導体素子２４を実装してなる。
また、本実施形態では、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に冷却器１４を形成し、冷却器付き絶縁回路基板２０としている。
セラミックス基板（セラミックス部材）１１は、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）の少なくとも表面にマグネシウム（Ｍｇ）を含むセラミックス材料から構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍ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、セラミックス基板１１の一方の面（図１及び図２において上面）にアルミニウム又はアルミニウム合金板（アルミニウム部材）が接合されることで形成されている。アルミニウム又はアルミニウム合金板（アルミニウム部材）としては、例えば、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度９９．９質量％以上のアルミニウムや純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム等の圧延板から形成されている。本実施形態では、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）を用いている。なお、回路層１２の厚さは、例えば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、セラミックス基板１１の他方の面（図１及び図２において下面）にアルミニウム又はアルミニウム合金板（アルミニウム部材）が接合されることで形成されている。アルミニウム又はアルミニウム合金板（アルミニウム部材）としては、例えば、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度９９．９質量％以上のアルミニウムや純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム等の圧延板から形成されている。本実施形態では、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）を用いている。なお、金属層１３の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．１ｍｍに設定されている。
図２は、セラミックス基板１１と、回路層１２および金属層１３との接合界面を含む領域を示す要部拡大断面図である。
絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０を構成するセラミックス基板（セラミックス部材）１１と、回路層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１２および金属層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１３とは、それぞれＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合されている。そして、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面には、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、および窒素（Ｎ）の化合物にマグネシウム（Ｍｇ）が含まれた接合層２１がそれぞれ形成されている。
接合層２１は、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材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とをそれぞれ接合した際に、セラミックス基板１１の一方の面と回路層１２、およびセラミックス基板１１の他方の面と金属層１３との接合界面にそれぞれ生じる層である。こうした接合層２１は、ＳｉＡｌＯＮ化合物に所定の濃度範囲のＭｇが含まれたものから構成されている。
なお、ここでいうＳｉＡｌＯＮ化合物とは、ケイ素原子の一部にアルミニウム原子が置換し、窒素原子の一部に酸素原子が置換してサイアロン構造を成すものであり、接合層２１は、このサイアロン構造の一部にマグネシウムが含まれている。マグネシウムが含まれる形態は、サイアロン構造を成す元素の一部がマグネシウムに置換されたものや、サイアロン構造にさらにマグネシウムが付加されたものなどである。接合層２１に含まれるマグネシウムは、マグネシウムが含まれたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板（セラミックス部材）１１に由来するものである。
このような接合層２１の元素の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％〜１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％〜３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％〜４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％、残部がアルミニウムとされている。接合層２１の組成割合の一例として、ケイ素：１４．１ａｔ％、酸素：２９．１ａｔ％、窒素：３２．９ａｔ％、マグネシウム：６．３ａｔ％、アルミニウム：１７．７ａｔ％である。
接合層２１は、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面にマグネシウムがほとんど存在しない場合と比較して、セラミックス基板１１の厚み方向（内部）に、より深く形成される。即ち、マグネシウムの存在によって、セラミックス基板１１の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合強度が高められ、接合信頼性が向上する。
また、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、回路層（アルミニウム部材）１２および金属層（アルミニウム部材）１３との接合界面においては、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の表面から回路層（アルミニウム部材）１２および金属層（アルミニウム部材）１３側に１０μｍ離間した位置の銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることから、回路層１２および金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面の近傍が、過剰に硬くなることを抑制できる。これにより、セラミックス基板１１に亀裂や割れが生じることを抑制することができる。
冷却器１４は、絶縁回路基板１０の熱を効率よく放散させるためのものであり、本実施形態の冷却器付き絶縁回路基板２０では、図１に示すように、冷却媒体が流通する複数の流路１５が設けられている。この冷却器１４は、例えば、アルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、Ａ６０６３で構成されている。冷却器１４と金属層１３とは、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって直接接合されている。
以上のような構成の絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０、およびパワーモジュール３０によれば、少なくとも表面にマグネシウムを含むＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）をセラミックス基板（セラミックス部材）１１として用い、セラミックス基板１１の一方の面と回路層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１２との接合界面、およびセラミックス基板１１の他方の面と金属層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１３との接合界面に、それぞれＳｉＡｌＯＮ化合物に所定の濃度範囲のＭｇが含まれてなる接合層２１を形成することによって、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合信頼性が高められる。
これにより、例えば、半導体素子２４の発熱による高温状態と、非動作時の低温状態との間で繰り返し冷熱サイクルが加わるような環境であっても、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面で亀裂や剥離が生じることを確実に防止できる。
なお、上述した第一実施形態の絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０では、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の一方の面と他方の面に、回路層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１２、金属層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１３をそれぞれ形成しているが、本発明の絶縁回路基板は、Ｍｇを含むＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板（セラミックス部材）の少なくともいずれか一方の面に、Ｍｇを含むＳｉＡｌＯＮ構造をもつ接合層を介してアルミニウム板（アルミニウム部材）が接合された構成であればよい。
具体的には、上述した第一実施形態の回路層をＣｕ板から構成し、セラミックス基板の他方の面側のみ、Ｍｇを含むＳｉＡｌＯＮ構造をもつ接合層を介してアルミニウム板（アルミニウム部材）を接合した構成にすることもできる。
また、これとは逆に、セラミックス基板の一方の面側のみ、Ｍｇを含むＳｉＡｌＯＮ構造をもつ接合層を介してアルミニウム板（アルミニウム部材）を接合し、セラミックス基板の他方の面側は、Ｃｕなどからなる金属層とした構成にすることもできる。
（第二実施形態）
図３は、第二実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板を示す断面図である。
なお、第一実施形態と同様の構成には同一の番号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態であるセラミックス／アルミニウム接合体は、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）にマグネシウム（Ｍｇ）を含む材料から構成されるセラミックス基板（セラミックス部材）１１、セラミックス基板１１の一方の面（図３において上面）に設けられた回路層（アルミニウム板、アルミニウム部材）１２、およびセラミックス基板１１の他方の面（図３において下面）に接合された金属層（アルミニウム板、アルミニウム部材）１３を備えたパワーモジュール用基板１０とされている。
また、本実施形態のパワーモジュール３０は、絶縁回路基板１０の回路層１２に、はんだ層２３を介してパワー半導体素子等の半導体素子２４を実装してなる。
また、本実施形態では、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に重ねて冷却器１４を形成し、冷却器付き絶縁回路基板２０としている。
図３は、セラミックス基板と、回路層および金属層との接合界面を含む領域を示す要部拡大断面図である。
本実施形態においては、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、アルミニウム板（アルミニウム部材）は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いて接合されている。例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材箔をセラミックス基板（セラミックス部材）１１と、回路層１２となるアルミニウム板（アルミニウム部材）および金属層１３となるアルミニウム板（アルミニウム部材）との間にそれぞれ配して加熱することで、それぞれの界面を接合する。
セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面には、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、および窒素（Ｎ）の化合物にマグネシウム（Ｍｇ）が含まれた接合層２１がそれぞれ形成されている。
接合層２１は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材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とをそれぞれ接合した際に、セラミックス基板１１の一方の面と回路層１２、およびセラミックス基板１１の他方の面と金属層１３との接合界面にそれぞれ生じる層である。こうした接合層２１は、ＳｉＡｌＯＮ化合物に所定の濃度範囲のＭｇが含まれたものである。
そして、本実施形態においては、接合層２１と回路層１２の間及び接合層２１と金属層１３の間に、窒化アルミニウム層２２が形成されている。窒化アルミニウム層２２はセラミックス基板１１と、回路層１２および金属層１３を構成するアルミニウム板との接合の際に、セラミックス基板１１を構成するＳｉ３Ｎ４が分解して生成したＮとＡｌが反応して形成されたものである。
ここで、接合層２１と回路層１２及び金属層１３（アルミニウム部材）の間に形成された窒化アルミニウム層２２は、図４に示すように、接合層２１側から順に、窒素濃度が高く、かつ、厚さ方向に窒素の濃度傾斜を有する第１窒化アルミニウム層２２ａと、窒素濃度が一定とされた第２窒化アルミニウム層２２ｂと、を備えている。第１窒化アルミニウム層２２ａにおけるＮ濃度は５０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の範囲内とされており、第２窒化アルミニウム層２２ｂにおけるＮ濃度は３０ａｔ％以上５０ａｔ％未満の範囲内とされている。
また、図４に示すように、第２窒化アルミニウム層２２ｂと回路層１２及び金属層１３（アルミニウム部材）との間に、酸素（Ｏ）を含有するＡｌＮからなる第３窒化アルミニウム層２２ｃが存在する場合もある。なお、この第３窒化アルミニウム層２２ｃには、Ｍｇを含むこともある。
上述の窒化アルミニウム層２２の厚さは４ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とするとよい。窒化アルミニウム層２２の厚さを４ｎｍ以上とすることにより、接合界面近傍のＳｉ３Ｎ４が確実に分解されることになり、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３（アルミニウム部材）との接合信頼性をより向上させることができる。一方、窒化アルミニウム層２２の厚さを１００ｎｍ以下とすることにより、熱膨張係数の差によって窒化アルミニウム層２２に割れが生じることを抑制することができる。
なお、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３（アルミニウム部材）との接合信頼性をさらに向上させるためには、窒化アルミニウム層２２の厚さの下限を５ｎｍ以上とすることが好ましく、１５ｎｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、窒化アルミニウム層２２における割れの発生をさらに抑制するためには、窒化アルミニウム層２２の厚さの上限を８０ｎｍ以下とすることが好ましく、６０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。
以上のような構成の絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０においても、マグネシウムを含むＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）をセラミックス基板１１として用い、セラミックス基板１１の一方の面と回路層１２、およびセラミックス基板１１の他方の面と金属層１３とのそれぞれの接合界面に、ＳｉＡｌＯＮ化合物に所定の濃度範囲のＭｇが含まれてなる接合層２１を形成することによって、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合信頼性が高められる。
これにより、例えば、パワーモジュール３０を構成する半導体素子２４の発熱による高温状態と、非動作時の低温状態との間で繰り返し冷熱サイクルが加わるような環境であっても、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面で亀裂や剥離が生じることを確実に防止できる。
また、本実施形態においては、接合層２１と回路層１２の間及び接合層２１と金属層１３の間に、窒化アルミニウム層２２が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２及びセラミックス基板１１と金属層１３との接合信頼性をより向上させることができる。
なお、上述した実施形態以外にも、例えば、回路層や金属層をアルミニウム板と銅板とが接合されたものから構成することもできる。この場合、例えば、無酸素銅の圧延板とアルミニウム板とを固相拡散接合することで、回路層や金属層を形成することができる。
（第一実施形態に示した絶縁回路基板の製造方法）
次に、第一実施形態に示した絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）の製造方法の一例について説明する。
図１に示す絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）を製造する際には、まず、マグネシウムが含まれたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板（セラミックス部材）１１を用意する。
次に、このマグネシウムを含有するＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板１１の一方の面側（回路層を接合させる面側）および他方の面側（金属層を接合させる面側）に、それぞれ、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等のマグネシウム化合物を顕在化させるマグネシウム顕在化処理を行う。具体的には、例えば、まず、セラミックス基板１１の一方の面側および他方の面側をホーニング処理により清浄化する。
ホーニング処理としては、研磨具を用いたドライホーニング、あるいは、研磨粒子を含む研磨液を用いたウエットホーニングなどが挙げられる。こうしたホーニング処理によって、セラミックス基板１１の表面に存在する不純物を取り除き、清浄化する。
次に、ホーニング処理を行ったセラミックス基板１１に対して、アルカリ液によるエッチング処理を行う。このエッチング処理では、セラミックス基板１１の一方の面側や他方の面側に存在するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）などの不純物を溶解除去し、アルカリ液に対して耐エッチング性のある酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等のマグネシウム化合物を選択的に残留させる。
こうしたマグネシウム顕在化処理を行うことによって、セラミックス基板１１の一方の面側や他方の面側のマグネシウム化合物が顕在化される。例えば、セラミックス基板１１の表面のマグネシウム化合物の濃度が高められる。
なお、アルカリ液によるエッチング処理には、水酸化ナトリウム水溶液やアンモニア水、有機アミン類やその水溶液等を用いることができる。例えば、水酸化ナトリウム水溶液を用いる場合、ｐＨが１２〜１４の水溶液を用いることができる。エッチング処理時間は５分〜３０分の範囲内、望ましくは１０分〜２０分の範囲内とすることができる。また、エッチング処理は、７０℃〜９０℃の範囲内で行うことができる。
これらの範囲内で、アルカリ液によるエッチング処理を行うことで、セラミックス基板１１の一方の面側や他方の面側の表面のマグネシウム化合物を顕在化させることができるとともに、アルカリ液によるセラミックス基板１１の脱粒や表面粗さの増加などが防止でき、接合性や接合信頼性の低下を防ぐことができる。
次に、このマグネシウム化合物を顕在化させたセラミックス基板１１の一方の面側、および他方の面側に、Ｓｉを１ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有するアルミニウム合金からなるろう材箔又はろう材ペーストを配置する。ろう材箔を用いる場合は、厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内の箔材を用いるとよい。ろう材ペーストを用いる場合は、金属成分の換算厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内となるよう塗布するとよい。そして、ろう材箔又はろう材ペースト上にアルミニウム板（アルミニウム部材）を重ねる。そして上述した積層体を積層方向に加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱する。
すると、ろう材とアルミニウム板の一部とが溶融し、アルミニウム板とセラミックス基板との界面にそれぞれ溶融金属領域が形成される。この加熱工程の条件は、雰囲気は真空雰囲気（１０−４Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下）または酸素分圧が５００ｖｏｌｐｐｍ以下の窒素雰囲気、接合温度は５８０℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱時間は１分以上１８０分以下の範囲内とされている。この加熱工程によって、セラミックス基板１１の深部までＳｉＡｌＯＮにＭｇが含まれた接合層２１が形成される。
こうして得られた接合層２１の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％〜１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％〜３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％〜４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％、残部がアルミニウムとされている。接合層２１の組成割合の一例として、ケイ素：１１．７ａｔ％、酸素：２５．４ａｔ％、窒素：３６．５ａｔ％、マグネシウム：３．９ａｔ％、アルミニウム：２２．５ａｔ％である。
また、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、と回路層（アルミニウム部材）１２および金属層（アルミニウム部材）１３との接合界面において、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の表面から回路層１２側および金属層１３側に１０μｍ離間した位置の銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
こうして得られた本発明の絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０は、マグネシウムが含まれないセラミックス基板を用いた場合と比較して、セラミックス基板１１の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス基板１１と回路層１２、金属層１３との接合強度が高められ、接合信頼性が向上する。
また、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、回路層１２および金属層１３との接合界面において、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の表面から回路層１２側および金属層１３側に１０μｍ離間した位置の銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下とすることで、回路層１２および金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面の近傍が、過剰に硬くなることを抑制できる。これにより、セラミックス基板１１に亀裂や割れが生じることを抑制することができる。なお、これらの銅や鉄は、アルミニウム板やろう材に含まれていた不純物に由来するものである。
この後、得られた絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０を用いて冷却器付き絶縁回路基板２０を製造する際には、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に重ねて、アルミニウムやアルミニウム合金からなる冷却器１４を、例えばＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合する。これによって、冷却器付き絶縁回路基板２０を製造することができる。
（第二実施形態に示した絶縁回路基板の製造方法）
次に、第二実施形態に示した絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）の製造方法の一例について説明する。
第二実施形態に示した絶縁回路基板の製造方法は、前述した第一実施形態に示した絶縁回路基板の製造方法において、セラミックス基板とアルミニウム板との接合にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のろう材を用いる点で異なる。
Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材は、Ｓｉを１ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｇを０ｍａｓｓ％を超え０．２０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有するアルミニウム合金からなるろう材箔又はろう材ペーストを用いることができる。ろう材箔を用いる場合は、厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内の箔材を用いるとよい。ろう材ペーストを用いる場合は、金属成分の換算厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内となるよう塗布するとよい。
なお、Ｍｇの含有量は０．０５ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
このようなＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いて、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合することにより、ケイ素が１０ａｔ％〜１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％〜３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％〜４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％、残部がアルミニウムとされた接合層２１が形成されると共に、接合層２１と回路層１２の間及び接合層２１と金属層１３との間に、窒化アルミニウム層２２が形成される。
本発明の実施形態を説明したが、これらの各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、追加、ないし変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
また、本実施形態では、絶縁回路基板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。熱電素子としては、例えば、マグネシウムシリサイドやマンガンシリサイド、Ｂｉ２Ｔｅ３，ＰｂＴｅ，ＣｏＳｂ３，ＳｉＧｅ等を用いることができる。
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にそれぞれアルミニウム板を接合して回路層及び金属層を形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、セラミックス基板の一方の面にのみアルミニウム板を接合して回路層を形成し、金属層を形成しなくてもよいし、他の金属等で構成してもよい。また、セラミックス基板の他方の面にのみアルミニウム板を接合して金属層を形成し、回路層を他の金属等で構成してもよい。
以下、本実施形態の効果を検証した実験例を示す。
（実施例１）
まず、窒化ケイ素基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．３２ｍｍｔ）に対し、窒化ケイ素基板表面のＭｇ濃度が表１記載の通りとなるよう上述した実施形態に記載の方法によって窒化ケイ素を作製した。なお、Ｍｇ濃度は、表面のＥＰＭＡ分析によって求めた。なお、ＥＰＭＡ分析は、日本電子株式会社製ＦＥ−ＥＰＭＡ ＪＸＡ−８５３０Ｆを用い、加速電圧１５ｋＶ、ビーム電流５０ｎＡの条件で１０箇所測定を行い、その平均値をＭｇ濃度とした。
そして、得られた各窒化ケイ素の一方の面に回路層となる表１記載のＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．６ｍｍｔ）を、他方の面に金属層となる表１記載のＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×１．６ｍｍｔ）を表１記載のろう材箔を介して積層した。そして、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら加熱することで、Ａｌ板とセラミックス基板を接合し、各絶縁回路基板を作成した。加熱温度、加熱時間及び雰囲気は表１記載の通りとした。そして、得られた各絶縁回路基板の金属層に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて、ヒートシンク（Ａ６０６３、５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ）を接合した。接合は、積層方向の荷重：３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、真空中、加熱温度６１０℃とした。
得られた絶縁回路基板に対して、接合層の有無、接合層内のＭｇ濃度、界面のＣｕ及びＦｅ濃度、接合率（初期及び冷熱サイクル後）を測定した。
（接合層の確認方法、接合層及び界面の各元素濃度の測定方法）
絶縁回路基板を積層方向に機械切断し、得られた断面を厚さ約５０μｍまで機械研磨し、断面試料とする。その後、接合界面付近に４ｋＶのアルゴンイオンを上下（積層方向と垂直の面）から４度の角度で入射させ、スパッタリングで断面試料に穴が開くまで薄片化する。穴の縁がエッジ状になって電子線が透過可能な厚さ０．１μｍ程度となるので、この部分をＴＥＭ及びＥＤＳで測定し、接合層の有無、接合層及び界面の各元素濃度を測定した。ＴＥＭおよびＥＤＳによる測定は、ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ（ＥＤＳ検出器付）、加速電圧：２００ｋＶ、倍率：４５万〜９１万倍で行った。接合層は界面近傍のマッピングにおいてＭｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎが重なる領域とした。
Ｃｕ及びＦｅについては、絶縁回路基板の接合界面の断面をＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ、倍率１０００倍）を用いて観察し、セラミックス基板（窒化ケイ素基板）の表面から回路層（Ａｌ板）側に１０μｍ離間した位置における濃度を測定した。測定は５ヶ所行い、その平均値をＣｕ濃度、Ｆｅ濃度とした。
（接合率の評価）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１）を使用し、絶縁回路基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１５０℃×５分の２０００サイクルを実施した。
この後、回路層とセラミックス基板との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前（初期接合率）と冷熱サイクル試験後（サイクル後接合率）に行った。
接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、セラミックス基板と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ＦｉｎｅＳＡＴ２００）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。
これらの結果を表１に記載した。
Figure 0006729224
表１の結果から、接合層が形成され、接合層のマグネシウムの濃度が３ａｔ％〜８ａｔ％の範囲内とされた実験例１〜実験例１０では、初期の接合率が高く、冷熱サイクル後の接合率も高いままであり、接合信頼性の高い、絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）が得られることが分かった。一方、接合層が形成されなかった実験例１２では、冷熱サイクル後の接合率が大幅に低下した。また、接合層のマグネシウム濃度が８ａｔ％を超えた実験例１１では、冷熱サイクル後の接合率が、実験例１〜実験例１０と比べると、若干低くなった。
（実施例２）
窒化ケイ素基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．３２ｍｍｔ）に対し、窒化ケイ素基板表面のＭｇ濃度が表２記載の通りとなるよう上述した実施形態に記載の方法によってＳｉ３Ｎ４基板を作製した。なお、窒化ケイ素基板表面のＭｇ濃度は、実施例１と同様の方法で測定した。
得られた各窒化ケイ素基板の一方の面に回路層となるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．６ｍｍｔ）を、他方の面に金属層となるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×１．６ｍｍｔ）をろう材箔を介して積層した。ここで、回路層及び金属層となるＡｌ板としては、Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．０２ｍａｓｓ％、Ａｌ：残部を用いた。また、ろう材として、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉとし、Ｍｇを含有しないものを用いた。
そして、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら加熱することで、Ａｌ板とセラミックス基板を接合し、各絶縁回路基板を作成した。加熱温度、加熱時間及び雰囲気は表２記載の通りとした。
得られた各絶縁回路基板の金属層に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて、ヒートシンク（Ａ６０６３、５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ）を接合した。ヒートシンクの接合条件は、積層方向の荷重：３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、真空中、加熱温度６１０℃とした。
得られた絶縁回路基板に対して、窒化アルミニウム層の厚さ、接合層内のＭｇ濃度、接合率（初期及び冷熱サイクル後）を測定した。
ここで、窒化アルミニウム層の厚さは、窒化ケイ素基板と金属層の接合界面の断面を透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いたライン分析から、Ａｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｍｇを合わせて１００ａｔ％としたとき、Ａｌ：１５ａｔ％〜６０ａｔ％、且つ、Ｎ：３０ａｔ％〜８０ａｔ％の領域を窒化アルミニウム層とし、その厚さを測定した。例えば、図５に示すように、線Ａと線Ｂの間の領域が窒化アルニウム層となる。
なお、接合層内のＭｇ濃度、接合率（初期及び冷熱サイクル後）は、実施例１で説明した方法で評価した。
Figure 0006729224
表２の結果から、窒化アルミニウム層の厚さが４ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である場合には、接合信頼性がさらに向上することが確認された。さらに、窒化アルミニウム層の厚さが１５.８ｎｍ以上７６．９ｎｍ以下の範囲内である場合には、接合信頼性がさらに向上することが確認された。
１０ 絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ 回路層（アルミニウム板，アルミニウム部材）
１３ 金属層（アルミニウム板，アルミニウム部材）
１４ 冷却器
２１ 接合層
２２ 窒化アルミニウム層
２４ 半導体素子
３０ パワーモジュール

Claims (9)

  1. セラミックス部材と、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部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、
    前記セラミックス部材は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、
    前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されており、
    前記接合層にはマグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％含まれていることを特徴とするセラミックス／アルミニウム接合体。
  2. 前記接合層の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％〜１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％〜３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％〜４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％、残部がアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス／アルミニウム接合体。
  3. 前記セラミックス部材の表面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置において、銅が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄が０．６ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス／アルミニウム接合体。
  4. セラミックス基板と、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は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、
    前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されており、
    前記接合層にはマグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％含まれていることを特徴とする絶縁回路基板。
  5. 前記接合層の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％〜１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％〜３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％〜４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％〜８ａｔ％、残部がアルミニウムであることを特徴とする請求項４に記載の絶縁回路基板。
  6. 前記セラミックス基板の表面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置において、銅が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄が０．６ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の絶縁回路基板。
  7. 請求項４ないし６いずれか一項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
  8. 請求項４ないし６いずれか一項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴とするＬＥＤモジュール。
  9. 請求項４ないし６いずれか一項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載された熱電素子と、を備えていることを特徴とする熱電モジュール。
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