JP7056744B2 - 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化ケイ素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、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法に関するものである。
本願は、２０１８年８月２８日に日本に出願された特願２０１８－１５９６６２号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

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、例えば窒化ケイ素からなる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。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絶縁回路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り、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。この絶縁回路基板においては、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、高温の窒素ガス雰囲気下で銅板とセラミックス基板とを接合する際に用いられる接合用ろう材として、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉ合金からなる粉末を含有するペーストが提案されている。この特許文献３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。

特開平０４－１６２７５６号公報 特許第３２１１８５６号公報 特許第４３７５７３０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、窒素ガス雰囲気等で接合した場合には、接合界面に雰囲気ガスが残存してしまい、部分放電が発生しやすいといった問題があった。

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、ろう材がＡｇを含有しており、接合界面にＡｇが存在することから、マイグレーションが生じやすく、高耐圧用途には使用することができなかった。また、接合温度が９００℃と比較的高温とされていることから、セラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。さらに、セラミックス基板の接合面近傍に、チタン窒化物相やＴｉを含む金属間化合物相が生成し、高温動作時にセラミック基板に割れが発生するおそれがあった。

特許文献３に開示されているように、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉ合金からなる粉末を含有するペーストからなる接合用ろう材を用いて窒素ガス雰囲気下で接合した場合には、接合界面にガスが残存し、部分放電が発生しやすいといった問題があった。また、ペーストに含まれる有機物が接合界面に残存し、接合が不十分となるおそれがあった。さらに、セラミックス基板の接合面近傍に、Ｔｉを含む金属間化合物相が生成し、高温動作時にセラミック基板に割れが発生するおそれがあった。

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、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されるとともに、耐マイグレーション性に優れ、かつ、高温動作時におけるセラミックス割れの発生を抑制できる銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、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、窒化ケイ素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間には、前記セラミックス部材側にマグネシウム酸化物層が形成され、このマグネシウム酸化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記マグネシウム酸化物層は、前記セラミックス部材の表面に形成され、厚さが２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内とされており、前記Ｍｇ固溶層は、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上３原子％以下の範囲内とされ、厚さが０．１μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされており、前記Ｍｇ固溶層の前記マグネシウム酸化物層側に、マグネシウム窒化物相が存在することを特徴としている。

この構成の銅／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間に、前記セラミックス部材側にマグネシウム酸化物層が形成され、このマグネシウム酸化物層と前記銅部材との間にＭｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層の前記マグネシウム酸化物層側に、マグネシウム窒化物相が存在している。このマグネシウム窒化物相は、セラミックス部材と銅部材の間に配設されたＭｇとセラミックス部材中の窒素とが反応することにより形成されるものであり、セラミックス部材が十分に反応していることになる。
したがって、銅部材とセラミックス部材との接合界面において界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることができる。

Ｃｕ部材とセラミックス部材の接合界面に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆが存在していないので、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆの窒化物相やＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆを含む金属間化合物相が生成せず、高温動作時においてもセラミックス部材の割れを抑制することができる。
Ｃｕ部材とセラミックス部材の接合界面にＡｇが存在していないので、耐マイグレーション性にも優れている。

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に向けて５０μｍまでの領域におけるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相の面積率が１５％以下であり、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相は、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域であることが好ましい。
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に向けて５０μｍまでの領域における金属間化合物相の面積率が１５％以下とされているので、セラミックス部材の接合面近傍に、硬くて脆い金属間化合物相が多く存在せず、高温動作時のセラミックス部材の割れを確実に抑制することが可能となる。
本発明において、上述の金属間化合物相は、窒化物相や酸化物相は除外される。

本発明の絶縁回路基板は、窒化ケイ素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間には、前記セラミックス基板側にマグネシウム酸化物層が形成され、このマグネシウム酸化物層と前記銅板との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記マグネシウム酸化物層は、前記セラミックス基板の表面に形成され、厚さが２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内とされており、前記Ｍｇ固溶層は、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上３原子％以下の範囲内とされ、厚さが０．１μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされており、前記Ｍｇ固溶層の前記マグネシウム酸化物層側に、マグネシウム窒化物相が存在することを特徴としている。

この構成の絶縁回路基板においては、銅板とセラミックス基板とが確実に接合されるとともに、耐マイグレーション性に優れており、高耐圧条件下においても信頼性高く使用することができる。
高温動作時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制することができ、高温条件下においても信頼性高く使用することができる。

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に向けて５０μｍまでの領域におけるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相の面積率が１５％以下であり、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相は、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域であることが好ましい。
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に向けて５０μｍまでの領域における金属間化合物相の面積率が１５％以下とされているので、セラミックス基板の接合面近傍に、硬くて脆い金属間化合物相が多く存在せず、高温動作時のセラミックス基板の割れを確実に抑制することが可能となる。
本発明において、上述の金属間化合物相は、窒化物相や酸化物相は除外される。

本発明の銅／セラミックス接合体の製造方法は、上述した銅／セラミックス接合体を製造する銅／セラミックス接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とをＭｇを介して積層する積層工程と、Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴としている。

この構成の銅／セラミックス接合体の製造方法によれば、前記銅部材と前記セラミックス部材との間にＭｇを配置し、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理するので、接合界面にガスや有機物の残渣等が残存することがない。
Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることが可能となる。
接合にＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆを用いていないので、セラミックス部材の接合面近傍に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆの窒化物相や、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆを含む金属間化合物相が存在せず、高温動作時におけるセラミックス部材の割れを抑制可能な銅／セラミックス接合体を得ることができる。
接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体を得ることができる。

本発明の銅／セラミックス接合体の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、加熱温度が５００℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされているので、セラミックス部材と銅部材とＭｇとを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。
前記接合工程における加熱温度をＣｕとＭｇの共晶温度よりも高い５００℃以上としているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。一方、前記接合工程における加熱温度を８５０℃以下としているので、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス部材への熱負荷が小さくなり、セラミックス部材の劣化を抑制することができる。

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、上述した絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、前記銅板と前記セラミックス基板とをＭｇを介して積層する積層工程と、Ｍｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴としている。

この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記銅板と前記セラミックス基板との間にＭｇを配置し、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理するので、接合界面にガスや有機物の残渣等が残存することがない。
Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅板とセラミックス基板とが確実に接合された絶縁回路基板を得ることが可能となる。また、接合にＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆを用いていないので、セラミックス基板の接合面近傍に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆの窒化物相やＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆを含む金属間化合物相が存在せず、高温動作時におけるセラミックス基板の割れを抑制可能な絶縁回路基板を得ることができる。
接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板を得ることができる。

本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、加熱温度が５００℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされているので、セラミックス基板と銅板とＭｇとを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。
前記接合工程における加熱温度をＣｕとＭｇの共晶温度よりも高い５００℃以上としているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。一方、前記接合工程における加熱温度を８５０℃以下としているので、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス基板への熱負荷が小さくなり、セラミックス基板の劣化を抑制することができる。

本発明によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されるとともに、耐マイグレーション性に優れ、かつ、高温動作時におけるセラミックス割れの発生を抑制できる銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態である絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の実施形態である絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）の回路層（銅部材）及び金属層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。 本発明の実施形態である絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態である絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）の製造方法を示す説明図である。 本発明例５の銅／セラミックス接合体における銅板とセラミックス基板の接合界面の観察結果である。

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、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１０とされている。
図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板１０及びこの絶縁回路基板１０を用い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、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方側（図１において上側）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に第２はんだ層８を介して接合されたヒートシンク５１と、を備えている。

絶縁回路基板１０は、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、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高い窒化ケイ素で構成されている。セラミックス基板１１の厚さは、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、セラミックス基板１１の厚さは０．３２ｍｍが好ましい。

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を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。回路層１２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、回路層１２の厚さは０．６ｍｍが好ましい。

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を構成する銅板２３として、無酸素銅の圧延板が用いられている。金属層１３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、金属層１３の厚さは０．６ｍｍが好ましい。

ヒートシンク５１は、前述の絶縁回路基板１０を冷却するためのものであり、本実施形態においては、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板とされている。本実施形態においては、ヒートシンク５１は、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。ヒートシンク５１と絶縁回路基板１０の金属層１３とは、第２はんだ層８を介して接合されている。

セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）、及び、セラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）とは、図４に示すように、Ｍｇ膜２５を介して接合されている。
セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との接合界面及びセラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）との接合界面においては、図２に示すように、セラミックス基板１１側に形成されたマグネシウム酸化物層３１と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３２と、が積層された構造とされている。

マグネシウム酸化物層３１は、例えば、ＭｇＯで構成されている。マグネシウム酸化物層３１の厚さは、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内とされており、好ましくは、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下の範囲内とされている。このマグネシウム酸化物層３１は、セラミックス基板１１の表面に形成された酸化物の酸素（Ｏ）とＭｇ膜２５のマグネシウム（Ｍｇ）とが反応することで形成されたものと推測される。

このＭｇ固溶層３２におけるＭｇの含有量は、０．０１原子％以上３原子％以下の範囲内とされている。Ｍｇ固溶層３２の厚さは、０．１μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされており、好ましくは、０．１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。

Ｍｇ固溶層３２のマグネシウム酸化物層３１側には、マグネシウム窒化物相３５が形成されている。このマグネシウム窒化物相３５は、例えば、Ｍｇ_３Ｎ_２で構成されており、針状の組織を有している。マグネシウム窒化物相３５は、Ｍｇ固溶層３２のマグネシウム酸化物層３１側の領域において部分的に形成されている。

本実施形態においては、セラミックス基板１１の接合面から銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）側に向けて５０μｍまでの領域における金属間化合物相の面積率が１５％以下であることが好ましい。
上述のように、接合界面における金属間化合物相の面積率が抑制されていれば、Ｍｇ固溶層３２の内部には、ＣｕとＭｇを含むＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が分散されていてもよい。Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相としては、例えばＣｕ_２Ｍｇ、ＣｕＭｇ_２等が挙げられる。

次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。

（Ｍｇ配置工程Ｓ０１）
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、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、それぞれＭｇを配置する。本実施形態では、銅板２２，２３にＭｇを蒸着することによって、Ｍｇ膜２５を形成している。
このＭｇ配置工程Ｓ０１では、配置するＭｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内としている。

（積層工程Ｓ０２）
次に、銅板２２とセラミックス基板１１を、Ｍｇ膜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膜２５を介して積層する。

（接合工程Ｓ０３）
次に、積層された銅板２２、セラミックス基板１１、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。
接合工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
接合工程Ｓ０３における加熱温度は、５００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。
接合工程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。
加熱温度での保持時間は、５ｍｉｎ以上１８０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
加熱温度（接合温度）から４８０℃まで降温する際の降温速度は、特に限定されないが、２０℃／ｍｉｎ以下が好ましく、１０℃／ｍｉｎ以下がさらに好ましい。また、降温速度の下限値は、特に限定されないが、２℃／ｍｉｎ以上としてもよく、３℃／ｍｉｎ以上としてもよく、５℃／ｍｉｎ以上としてもよい。

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。

（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５１を接合する。絶縁回路基板１０とヒートシンク５１とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、第２はんだ層８を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５１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。
以上の工程により、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、無酸素銅からなる銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）と窒化ケイ素からなるセラミックス基板１１とがＭｇ膜２５を介して接合されており、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との間、及び、セラミックス基板１１と金属層１３（銅板２２）の間には、セラミックス基板１１側にマグネシウム酸化物層３１が形成され、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３２が積層されており、Ｍｇ固溶層３２のマグネシウム酸化物層３１側にマグネシウム窒化物相３５が存在する。このマグネシウム窒化物相３５は、Ｍｇとセラミックス基板１１中の窒素とが反応することにより形成されるものであり、セラミックス基板１１が十分に反応していることになる。
したがって、銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面において界面反応が十分に進行しており、銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。

銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とセラミックス基板１１の接合界面にＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆが存在していないので、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆの窒化物相やＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆを含む金属間化合物相が生成せず、高温動作時においてもセラミックス基板１１の割れを抑制することができる。銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とセラミックス基板１１の接合界面におけるＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆの合計含有量は０．３ｍａｓｓ％以下であることが好ましく、０．１ｍａｓｓ％以下であることがさらに好ましい。

セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）の接合界面にＡｇが存在していないので、耐マイグレーション性に優れている。銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とセラミックス基板１１の接合界面におけるＡｇの含有量は０．２ｍａｓｓ％以下であることが好ましく、０．１ｍａｓｓ％以下であることがさらに好ましい。

本実施形態において、セラミックス基板１１の接合面から銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）側に向けて５０μｍまでの領域における金属間化合物相の面積率が１５％以下である場合には、セラミックス基板１１の接合面近傍に、硬くて脆い金属間化合物相が多く存在せず、高温動作時のセラミックス基板１１の割れを確実に抑制することが可能となる。
セラミックス基板１１の接合面から銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）側に向けて５０μｍまでの領域における金属間化合物相の面積率は、１０％以下であることが好ましく、８％以下であることがさらに好ましい。

本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）の製造方法によれば、銅板２２，２３とセラミックス基板１１との間にＭｇ（Ｍｇ膜２５）を配置するＭｇ配置工程Ｓ０１と、Ｍｇ膜２５を介して銅板２２、２３とセラミックス基板１１とを積層する積層工程Ｓ０２と、積層された銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３を、積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程Ｓ０３と、を備えているので、接合界面にガスや有機物の残渣等が残存することがない。

Ｍｇ配置工程Ｓ０１では、Ｍｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅板２２，２３とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。
接合にＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆを用いていないので、セラミックス基板１１の接合面近傍に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆの窒化物相やＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆを含む金属間化合物相が存在せず、高温動作時におけるセラミックス基板１１の割れを抑制可能な絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。
接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。

Ｍｇ量が０．１７ｍｇ／ｃｍ^２未満の場合には、発生する液相の量が不足し、接合率が低下するおそれがあった。また、Ｍｇ量が３．４８ｍｇ／ｃｍ^２を超える場合には、発生する液相の量の過剰となり、液相が接合界面から漏れ出し、所定の形状の接合体を製造できないおそれがある。また、発生する液相の量が過剰となり、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相が過剰に生成し、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがあった。
以上のことから、本実施形態では、Ｍｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内としている。
Ｍｇ量の下限は、０．２４ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることが好ましく、０．３２ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることがさらに好ましい。一方、Ｍｇ量の上限は、２．３８ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることが好ましく、１．５８ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることがさらに好ましい。

本実施形態においては、接合工程Ｓ０３における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上とされているので、セラミックス基板１１と銅板２２，２３とＭｇ膜２５とを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。接合工程Ｓ０３における加圧荷重が３．４ＭＰａ以下とされているので、接合工程Ｓ０３におけるセラミックス基板１１の割れ等を抑制することができる。
接合工程Ｓ０３における加圧荷重の下限は、０．０９８ＭＰａ以上とすることが好ましく、０．２９４ＭＰａ以上とすることがさらに好ましい。一方、接合工程Ｓ０３における加圧荷重の上限は、１．９６ＭＰａ以下とすることが好ましく、０．９８ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。

本実施形態では、接合工程Ｓ０３にける加熱温度を、ＣｕとＭｇの共晶温度よりも高い５００℃以上としているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。一方、接合工程Ｓ０３における加熱温度を８５０℃以下としているので、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス基板１１への熱負荷が小さくなり、セラミックス基板１１の劣化を抑制することができる。
接合工程Ｓ０３における加熱温度の下限は、６００℃以上とすることが好ましく、６８０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、接合工程Ｓ０３における加熱温度の上限は、８００℃以下とすることが好ましく、７６０℃以下とすることがさらに好ましい。

本実施形態では、接合工程Ｓ０３における真空度を、１×１０^－６Ｐａ以上５×１０^－２Ｐａ以下の範囲内とした場合には、Ｍｇ膜２５の酸化を抑制することができ、セラミックス基板１１と銅板２２，２３とを確実に接合することが可能となる。
接合工程Ｓ０３における真空度の下限は、１×１０^－４Ｐａ以上とすることが好ましく、１×１０^－３Ｐａ以上とすることがさらに好ましい。一方、接合工程Ｓ０３における真空度の上限は、１×１０^－２Ｐａ以下とすることが好ましく、５×１０^－３Ｐａ以下とすることがさらに好ましい。

本実施形態では、接合工程Ｓ０３における加熱温度での保持時間を、５ｍｉｎ以上１８０ｍｉｎ以下の範囲内とした場合には、液相を十分に形成することができ、セラミックス基板１１と銅板２２，２３とを確実に接合することが可能となる。
接合工程Ｓ０３における加熱温度での保持時間の下限は、１０ｍｉｎ以上とすることが好ましく、３０ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましい。一方、接合工程Ｓ０３における加熱温度での保持時間の上限は、１５０ｍｉｎ以下とすることが好ましく、１２０ｍｉｎ以下とす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、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
本実施形態においては、回路層及び金属層を銅板で構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、回路層及び金属層の少なくとも一方が銅板で構成されていれば、他方は、アルミニウム板等の他の金属板で構成したものであってもよい。

本実施形態では、Ｍｇ配置工程において、Ｍｇ膜を蒸着によって成膜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、他の方法でＭｇ膜を成膜してもよく、Ｍｇ箔を配置してもよい。また、ＣｕとＭｇのクラッド材を配置してもよい。
Ｍｇペースト及びＣｕ－Ｍｇペーストを塗布してもよい。また、ＣｕペーストとＭｇペーストを積層して配置してもよい。このとき、Ｍｇペーストは銅板側あるいはセラミックス基板側のいずれに配置してもよい。また、Ｍｇとして、ＭｇＨ_２を配置してもよい。

ヒートシンクとして放熱板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。例えば、冷媒が流通する流路を有するものや冷却フィンを備えたものであってもよい。また、ヒートシンクとしてアルミニウムやアルミニウム合金を含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）を用いることもできる。
さらに、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けてもよい。

本実施形態では、絶縁回路基板の回路層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。

（本発明例１～１２）
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
４０ｍｍ角の窒化ケイ素からなるセラミックス基板の両面に、表１に示すようにＭｇを配置した銅板（無酸素銅、３７ｍｍ角、厚さ１．２ｍｍ）を積層し、表１に示す接合条件で接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。セラミックス基板の厚さは厚さ０．３２ｍｍとした。また、接合時の真空炉の真空度は５×１０^－３Ｐａとした。
従来例では、セラミックス基板と銅板の間に、Ａｇ－２８ｍａｓｓ％Ｃｕ－６ｍａｓｓ％Ｔｉの活性ろう材を、Ａｇ量が５．２ｍｇ／ｃｍ^２となるように配置した。
また、接合工程Ｓ０３において、接合温度（表１の「温度（℃）」）から４８０℃まで降温する際、降温速度は、５℃／ｍｉｎの速度で降温するように制御した。なお、降温速度は、ガス冷却時のガス分圧（冷却ファンによる循環有無）で制御する。

このようにして得られた銅／セラミックス接合体について、接合界面を観察して、Ｍｇ固溶層、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相、マグネシウム窒化物相を確認した。また、銅／セラミックス接合体の初期接合率、冷熱サイクル後のセラミックス基板の割れ、マイグレーション性を、以下のように評価した。

（Ｍｇ固溶層）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、ＥＰＭＡ装置（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）を観察し、セラミックス基板表面から銅板側に向かって１０μｍ間隔で、定量分析を行い、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上である領域をＭｇ固溶層とした。

（Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相の面積率）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）のＭｇの元素ＭＡＰを取得し、Ｍｇの存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域をＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相とした。
そして、セラミックス基板の接合面から銅板側に向けて５０μｍまでの領域における金属間化合物相の面積率（％）を算出した。

（マグネシウム窒化物相）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率４万倍で観察し、ＭｇとＮが共存する領域が存在し、その領域のＭｇの濃度が５０原子％以上７０原子％以下であった場合をマグネシウム窒化物層「有」と評価した。

（初期接合率）
銅板とセラミックス基板との接合率は、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）を用いて以下の式を用いて求めた。初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち銅板の接合面の面積とした。超音波探傷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。
（初期接合率）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）

（セラミックス基板の割れ）
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、－５０℃×１０分←→１５０℃×１０分の１０００サイクルを実施した。
上述の冷熱サイクルを負荷した後のセラミックス基板の割れの有無を評価した。

（マイグレーション）
回路層において絶縁分離された回路パターン間距離０．５ｍｍ、温度８５℃、湿度８５％ＲＨ、電圧ＤＣ５０Ｖの条件で、２０００時間放置後に、回路パターン間の電気抵抗を測定し、抵抗値が１×１０^６Ω以下となった場合を短絡した（マイグレーションが発生した）と判断し、マイグレーションの評価を「Ｂ」とした。上記と同じ条件で、２０００時間放置後に、回路パターン間の電気抵抗を測定し、抵抗値が１×１０６Ωより大きい場合は、マイグレーションが発生しなかったと判断し、マイグレーションの評価を「Ａ」とした。

評価結果を表２に示す。また、本発明例５の観察結果を図５に示す。

Ｍｇ配置工程において、Ｍｇ量が０．１１ｍｇ／ｃｍ^２と本発明の範囲よりも少ない比較例１においては、接合時に液相が不足したため、接合体を形成することができなかった。このため、その後の評価を中止した。
Ｍｇ配置工程において、Ｍｇ量が６．３４ｍｇ／ｃｍ^２と本発明の範囲よりも多い比較例２においては、接合時に液相が過剰に生成したため、液相が接合界面から漏れ出し、所定の形状の接合体を製造できなかった。このため、その後の評価を中止した。

Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を用いてセラミックス基板と銅板を接合した従来例においては、マイグレーションの評価が「Ｂ」と判断された。接合界面にＡｇが存在したためと推測される。

これに対して、本発明例１～１２においては、初期接合率も高く、セラミックス基板の割れも確認されなかった。また、マイグレーションも良好であった。
また、図５に示すように、接合界面を観察した結果、Ｍｇ固溶層が観察された。また、マグネシウム酸化物層が観察され、Ｍｇ固溶層のマグネシウム酸化物層側にマグネシウム窒化物相が確認された。

（本発明例２１～３２）
銅／セラミックス接合体は、上記本発明例１～１２で作製した銅／セラミックス接合体と同様に作製し、得られた銅／セラミックス接合体について、Ｃｕ_２Ｍｇの面積率、および、超音波接合界面を、以下のように評価した。
Ｍｇ固溶層、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相の面積率、および、銅／セラミックス接合体の初期接合率の評価は、上記本発明例１～１２で行った評価と同様に行った。

（降温速度）
接合工程Ｓ０３において、接合温度（表３の「温度（℃）」）から４８０℃まで降温する際、降温速度は、表３に示す速度で制御した。

（Ｃｕ_２Ｍｇの面積率）
上記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち、Ｃｕ_２Ｍｇの面積率（％）を以下の計算式で定義し、算出した。
Ｃｕ_２Ｍｇの面積率（％）＝Ｃｕ_２Ｍｇの面積／（Ｃｕ_２Ｍｇの面積＋ＣｕＭｇ_２の面積）×１００
「Ｃｕ_２Ｍｇの面積」は、Ｍｇ濃度が３０ａｔ％以上６０ａｔ％未満の領域とし、「ＣｕＭｇ_２の面積」は、Ｍｇ濃度が６０ａｔ％以上７０ａｔ％未満の領域とした。

（超音波接合）
得られた銅／セラミックス接合体に対して、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（１０ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍ厚）をコプラス量０．５ｍｍの条件で超音波接合した。
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、剥離が観察されたものを「Ｂ」、どちらも確認されなかったものを「Ａ」と評価した。評価結果を表３に示す。

接合工程Ｓ０３後の降温速度によって、Ｃｕ_２Ｍｇの面積率の値、および、超音波接合の接合性が変化した。
表３に示す結果から、降温速度は、２０℃／ｍｉｎが好ましく、１０℃／ｍｉｎがさらに好ましいことが明らかとなった。
表３に示す結果から、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち、Ｃｕ_２Ｍｇの面積率は７０％以上が好ましく、８５％以上がより好ましく、９０％以上が更に好ましいことが明らかとなった。

以上のことから、本発明例によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されるとともに、耐マイグレーション性に優れ、かつ、高温動作時におけるセラミックス割れの発生を抑制できる銅／セラミックス接合体（絶縁回路基板）を提供可能であることが確認された。

また、本発明例によれば、接合温度から４８０℃までの降温温度の速度を制御することにより、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、超音波接合性に優れた銅／セラミックス接合体（絶縁回路基板）を提供可能であることが確認された。

本発明によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されるとともに、耐マイグレーション性に優れ、かつ、高温動作時におけるセラミックス割れの発生を抑制できる銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することが可能となる。

１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２２、２３ 銅板
３１ マグネシウム酸化物層
３２ Ｍｇ固溶層
３５ マグネシウム窒化物相

Claims (8)

1. 銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化ケイ素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間には、前記セラミックス部材側にマグネシウム酸化物層が形成され、このマグネシウム酸化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
   前記マグネシウム酸化物層は、前記セラミックス部材の表面に形成され、厚さが２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内とされており、
   前記Ｍｇ固溶層は、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上３原子％以下の範囲内とされ、厚さが０．１μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされており、
   前記Ｍｇ固溶層の前記マグネシウム酸化物層側に、マグネシウム窒化物相が存在するとともに、
   前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面におけるＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆの合計含有量は０．３ｍａｓｓ％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に向けて５０μｍまでの領域におけるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相の面積率が１５％以下であり、
   前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相は、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域であ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. 窒化ケイ素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間には、前記セラミックス基板側にマグネシウム酸化物層が形成され、このマグネシウム酸化物層と前記銅板との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
   前記マグネシウム酸化物層は、前記セラミックス基板の表面に形成され、厚さが２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内とされており、
   前記Ｍｇ固溶層は、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上３原子％以下の範囲内とされ、厚さが０．１μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされており、
   前記Ｍｇ固溶層の前記マグネシウム酸化物層側に、マグネシウム窒化物相が存在するとともに、
   前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面におけるＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆの合計含有量は０．３ｍａｓｓ％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に向けて５０μｍまでの領域におけるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相の面積率が１５％以下であり、
   前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相は、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域であることを特徴とする請求項３に記載の絶縁回路基板。
5. 請求項１又は請求項２に記載の銅／セラミックス接合体を製造する銅／セラミックス接合体の製造方法であって、
   前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、
   前記銅部材と前記セラミックス部材とをＭｇを介して積層する積層工程と、
   Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
   を備えており、
   前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴とする銅／セラミックス接合体の製造方法。
6. 前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、加熱温度が５００℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項５に記載の銅／セラミックス接合体の製造方法。
7. 請求項３又は請求項４に記載の絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、
   前記銅板と前記セラミックス基板とをＭｇを介して積層する積層工程と、
   Ｍｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
   を備えており、
   前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
8. 前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、加熱温度が５００℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項７に記載の絶縁回路基板の製造方法。

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