WO2015029810A1 - 接合体及びパワーモジュール用基板 - Google Patents

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power module
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伸幸 寺▲崎▼
長友　義幸
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三菱マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a joined body in which a ceramic member and a Cu member are joined, and a power module substrate in which a circuit layer is formed on one surface of a ceramic substrate.
  • a semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
  • a power semiconductor element for high power control used for controlling an electric vehicle such as wind power generation or an electric vehicle generates a large amount of heat.
  • a substrate for mounting such a power semiconductor element for example, a power module substrate in which a metal plate having excellent conductivity is bonded as a circuit layer to one surface of a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride) or the like, Widely used in the past.
  • a metal plate may be joined as a metal layer to the other surface of the ceramic substrate.
  • the power module substrate shown in Patent Document 1 has a structure in which a circuit layer is formed by bonding a Cu plate (Cu member) to one surface of a ceramic substrate (ceramic member).
  • the Cu plate is bonded to one surface of the ceramic substrate by performing heat treatment in a state where the Cu plate is disposed with the Cu—Mg—Ti brazing material interposed.
  • the usage environment of the power module has become severe, and the conditions of the thermal cycle have become severe. Therefore, in the power module substrate, cracks are likely to occur in the ceramic substrate, and the bonding reliability between the ceramic substrate and the circuit layer tends to decrease.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can suppress the occurrence of cracks in the ceramic member when a cooling cycle is applied, and can improve the bonding reliability between the ceramic member and the Cu member. It is an object to provide a bonded body and a power module substrate that can be improved.
  • the bonded body according to the first aspect of the present invention is a Cu-P-Sn-based brazing material and a Ti material in which a ceramic member made of ceramics and a Cu member made of Cu or a Cu alloy are used.
  • a Ti layer located between the member and the Cu—Sn layer is formed, and a first intermetallic compound layer made of Cu and Ti is formed between the Cu member and the Ti layer, and the Cu layer
  • a second intermetallic compound layer containing P is formed between the -Sn layer and the Ti layer.
  • the joined body at the joining interface between the ceramic member and the Cu member, P contained in the Cu—P—Sn based brazing material is formed on the Ti layer side. It is taken in the intermetallic compound layer. As a result, a Cu—Sn layer having no intermetallic compound containing P or very little intermetallic compound containing P is formed on the ceramic member side. That is, since no hard intermetallic compound is formed in the vicinity of the ceramic member, it is possible to reduce the thermal stress generated in the ceramic member when a cooling cycle is applied. As a result, generation of cracks in the ceramic member can be suppressed. Further, since a brittle intermetallic compound is not formed in the vicinity of the ceramic substrate, it is possible to suppress a decrease in the bonding rate between the ceramic member and the Cu member and improve the bonding reliability when a thermal cycle is applied. it can.
  • the Ti layer is formed between the Cu—Sn layer and the Cu member, it is possible to suppress the diffusion of Sn to the Cu member side. As a result, when the ceramic member and the Cu member are joined via the Cu—P—Sn brazing material, it is possible to suppress an increase in the melting point of the Cu—P—Sn brazing material. Further, since the first intermetallic compound layer made of Cu and Ti is formed between the Cu member and the Ti layer, Cu of the Cu member and Ti of the Ti layer are sufficiently diffused to each other. The member and the Ti layer are bonded satisfactorily.
  • the thickness of said 1st intermetallic compound layer shall be 0.5 micrometer or more and 10 micrometers or less.
  • the thickness of the first intermetallic compound layer made of Cu and Ti is 0.5 ⁇ m or more, Cu of the Cu member and Ti of the Ti layer are sufficiently diffused to each other, so that sufficient bonding strength is ensured. be able to.
  • the thickness of the first intermetallic compound layer is 10 ⁇ m or less, the hard first intermetallic compound layer is thinly formed, so that the thermal stress generated in the ceramic member when the cooling cycle is applied is reduced. can do. Thereby, it is possible to reliably suppress the occurrence of cracks in the ceramic member, and it is possible to further improve the bonding reliability between the ceramic member and the Cu member.
  • the thickness of the Ti layer is 1 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • the thickness of the Ti layer is not less than 1 ⁇ m and not more than 15 ⁇ m, it is possible to reliably suppress the diffusion of Sn to the Cu member side. Therefore, it is possible to suppress an increase in the melting point of the Cu—P—Sn brazing material when the ceramic member and the Cu member are joined via the Cu—P—Sn brazing material.
  • the thickness of the Ti layer is preferably in the above range.
  • a power module substrate comprises the above-described joined body, a ceramic substrate comprising the ceramic member, and a Cu—P—Sn-based brazing material on the first surface of the ceramic substrate. And a circuit layer formed by bonding a Cu plate made of the Cu member, and the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer is located on the ceramic substrate side, and Sn is a solid solution in Cu.
  • a first intermetallic compound comprising Cu and Ti formed between the circuit layer and the Ti layer, wherein a Sn layer and a Ti layer positioned between the circuit layer and the Cu-Sn layer are formed.
  • a layer is formed, and a second intermetallic compound layer containing P is formed between the Cu—Sn layer and the Ti layer.
  • the P contained in the Cu—P—Sn brazing material is formed on the Ti layer side at the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer.
  • a Cu—Sn layer having no intermetallic compound containing P or very little intermetallic compound containing P is formed on the ceramic substrate side. That is, since a hard intermetallic compound is not formed in the vicinity of the ceramic substrate, it is possible to reduce the thermal stress generated in the ceramic substrate when a cooling cycle is applied. As a result, generation of cracks in the ceramic substrate can be suppressed.
  • a brittle intermetallic compound is not formed in the vicinity of the ceramic substrate, it is possible to suppress a decrease in the bonding rate between the ceramic substrate and the circuit layer and improve the bonding reliability when a thermal cycle is applied. it can.
  • the Ti layer is formed between the Cu—Sn layer and the circuit layer, it is possible to suppress the diffusion of Sn to the circuit layer side.
  • the circuit layer is formed on the first surface of the ceramic substrate using the Cu—P—Sn brazing material, it is possible to suppress an increase in the melting point of the Cu—P—Sn brazing material.
  • the first intermetallic compound layer made of Cu and Ti is formed between the circuit layer and the Ti layer, the Cu of the circuit layer and the Ti of the Ti layer are sufficiently diffused to each other, and the circuit The layer and the Ti layer are well bonded.
  • a metal layer is formed on the second surface of the ceramic substrate.
  • the metal layer is formed on the second surface of the ceramic substrate, the heat on the ceramic substrate side can be efficiently dissipated through the metal layer.
  • the metal layer is formed by bonding a Cu plate made of Cu or a Cu alloy to the second surface of the ceramic substrate via a Cu—P—Sn-based brazing material and a Ti material. At the bonding interface with the layer, a Cu—Sn layer in which Sn is dissolved in Cu and a Ti layer located between the metal layer and the Cu—Sn layer are located on the ceramic substrate side. A first intermetallic compound layer made of Cu and Ti is formed between the metal layer and the Ti layer, and a P-containing second layer is formed between the Cu—Sn layer and the Ti layer. It is preferable that an intermetallic compound layer is formed.
  • a brittle intermetallic compound is not formed in the vicinity of the ceramic substrate, it is possible to suppress a decrease in the bonding rate between the ceramic substrate and the metal layer and improve the bonding reliability when a cooling cycle is applied. it can.
  • the Ti layer is formed between the Cu—Sn layer and the metal layer, it is possible to suppress the diffusion of Sn to the metal layer side.
  • the metal layer is formed on the second surface of the ceramic substrate using the Cu—P—Sn brazing material, it is possible to suppress an increase in the melting point of the Cu—P—Sn brazing material.
  • the first intermetallic compound layer made of Cu and Ti is formed between the metal layer and the Ti layer, the Cu of the metal layer and the Ti of the Ti layer are sufficiently diffused to each other. The layer and the Ti layer are well bonded.
  • the metal layer may be made of Al or an Al alloy.
  • the metal layer made of Al or Al alloy has low strength, it is possible to reduce the thermal stress generated in the ceramic substrate when a cooling cycle is applied.
  • the Ti layer preferably has a thickness of 1 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • the thickness of the Ti layer is 1 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less, it is possible to reliably suppress Sn from diffusing to the circuit layer side or the metal layer side. Therefore, the Ti layer having a larger thermal resistance than the circuit layer or the metal layer is not formed thick, and the thermal resistance of the power module substrate is not increased. Further, in this case, the Ti layer having a relatively high strength is not formed thick, and the thermal stress generated in the ceramic substrate when a cooling cycle is applied is reduced, and the generation of cracks can be suppressed. For these reasons, the above-mentioned range is preferable for the thickness of the Ti layer.
  • a bonded body and a power module substrate capable of suppressing the occurrence of cracks in a ceramic member when a cooling cycle is applied and improving the bonding reliability between the ceramic member and the Cu member. Can be provided.
  • the joined body according to the present embodiment is a power module substrate 10 in which a ceramic substrate 11 that is a ceramic member and a Cu plate 22 (circuit layer 12) that is a Cu member are joined.
  • the power module 1 provided with the board
  • the power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a bonding layer 2. ing.
  • the power module substrate 10 is provided on a ceramic substrate 11 having a first surface and a second surface, and a first surface (an upper surface in FIG. 2) which is one surface of the ceramic substrate 11.
  • the circuit layer 12 is provided.
  • the ceramic substrate 11 is made of ceramics such as AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), and Al 2 O 3 (alumina) having high insulating properties.
  • the ceramic substrate 11 is made of AlN (aluminum nitride) having excellent heat dissipation.
  • the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.
  • the circuit layer 12 has a conductive Cu or Cu alloy metal plate (Cu plate 22) on the first surface of the ceramic substrate 11 with a Cu-P-Sn brazing material and a Ti foil 25 as a Ti material. It is formed by joining.
  • the Cu plate 22 may be, for example, oxygen-free copper, deoxidized copper, tough pitch copper, or the like, and is oxygen-free copper in this embodiment.
  • the thickness of the Cu plate 22 is preferably in the range of 0.1 to 1.0 mm, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • Cu—P—Sn brazing material specifically, Cu—P—Sn brazing material, Cu—P—Sn—Ni based brazing material, Cu—P—Sn—Zn based brazing material, Cu—P— Examples thereof include a Sn—Mn brazing material and a Cu—P—Sn—Cr brazing material.
  • the Cu—P—Sn brazing material preferably contains 3 mass% to 10 mass% of P and 0.5 mass% to 25 mass% of Sn.
  • a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is used as a Cu—P—Sn based brazing material.
  • the Cu—P—Sn brazing material is used in the form of a foil, and the thickness is preferably 5 to 150 ⁇ m.
  • the melting point of the Cu—P—Sn brazing material is 710 ° C. or less, and the melting point of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 used in this embodiment is 580 ° C. In this embodiment, the solidus temperature of the Cu—P—Sn brazing material is the melting point.
  • the circuit layer 12 is formed by laminating a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, a Ti foil 25 as a Ti material, and a Cu plate 22 made of oxygen-free copper on the first surface of the ceramic substrate 11. These are formed by heat-treating and bonding the Cu plate 22 (see FIG. 5). Note that the thickness of the circuit layer 12 is set in a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • FIG. 3 shows an electron micrograph of the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and a schematic view thereof.
  • the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 is located between the Cu—Sn layer 14 located on the ceramic substrate 11 side and the circuit layer 12 and the Cu—Sn layer 14.
  • a Ti layer 15 is formed.
  • a first intermetallic compound layer 16 made of Cu and Ti is formed between the circuit layer 12 and the Ti layer 15.
  • a second intermetallic compound layer 17 containing P and Ni is formed between the Cu—Sn layer 14 and the Ti layer 15.
  • the Cu—Sn layer 14 is a layer in which Sn is dissolved in Cu.
  • This Cu—Sn layer 14 is a layer formed by incorporating P and Ni contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 into the second intermetallic compound layer 17 formed on the Ti layer 15 side. It is.
  • the thickness of the Cu—Sn layer 14 may be set in a range of 1 ⁇ m to 140 ⁇ m.
  • the Ti layer 15 is a layer formed by bonding the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22 through the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 and the Ti foil 25 as described above.
  • the thickness of the Ti layer 15 is preferably 1 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • the Ti layer 15 When the thickness of the Ti layer 15 is 1 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less, the Ti layer functions reliably as a barrier layer that suppresses the diffusion of Sn to the circuit layer 12 side. Thereby, Sn diffusion can be reliably suppressed.
  • the Ti layer has a higher thermal resistance than the circuit layer 12 made of the Cu plate 22. Since such a Ti layer 15 is not formed thick, an increase in thermal resistance of the power module substrate 10 can be suppressed. Furthermore, the Ti layer has a relatively high strength. Since such a Ti layer 15 is not formed thick, thermal stress generated in the ceramic substrate 11 when a cooling cycle is applied is reduced, and as a result, generation of cracks can be suppressed. For these reasons, the thickness of the Ti layer 15 is preferably in the above range. The thickness of the Ti layer 15 may be 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the first intermetallic compound layer 16 is a layer formed by mutual diffusion of Cu of the circuit layer 12 and Ti of the Ti layer 15. Here, the diffusion of Cu and Ti is solid phase diffusion.
  • the first intermetallic compound layer 16 has one or more of a Cu 4 Ti phase, a Cu 3 Ti 2 phase, a Cu 4 Ti 3 phase, a CuTi phase, and a CuTi 2 phase.
  • the first intermetallic compound layer 16 has a Cu 4 Ti phase, a Cu 3 Ti 2 phase, a Cu 4 Ti 3 phase, a CuTi phase, and a CuTi 2 phase.
  • the thickness of the first intermetallic compound layer 16 is 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the thickness of the first intermetallic compound layer 16 is 0.5 ⁇ m or more, Cu of the circuit layer 12 and Ti of the Ti layer 15 are sufficiently diffused to each other, and the junction between the circuit layer 12 and the Ti layer 15 Sufficient strength can be secured. Further, when the thickness of the first intermetallic compound layer 16 is 10 ⁇ m or less, the hard first intermetallic compound layer 16 is thinly formed, so that the thermal stress generated in the ceramic substrate 11 when a cooling cycle is applied. , And the occurrence of cracks can be suppressed. For this reason, the thickness of the first intermetallic compound layer 16 is set in the above range. The thickness of the first intermetallic compound layer 16 may be 0.5 ⁇ m or more and 7 ⁇ m or less.
  • the second intermetallic compound layer 17 is formed by combining P and Ni contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 with Ti contained in the Ti foil 25.
  • the second intermetallic compound layer 17 includes a P—Ni—Ti layer 17a, a P—Ti layer 17b, and a Cu layer formed in this order from the Cu—Sn layer 14 side. -Ni-Ti layer 17c.
  • the total thickness of the second intermetallic compound layer 17, that is, the total thickness of the P—Ni—Ti layer 17a, the P—Ti layer 17b, and the Cu—Ni—Ti layer 17c may be 0.5 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less. .
  • the semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si.
  • the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded via the bonding layer 2.
  • the bonding layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
  • a method for manufacturing the power module substrate 10 and the power module 1 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 4 and FIG.
  • a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, a Ti foil 25, and a circuit layer 12 are formed on the first surface (the upper surface in FIG. 5) which is one surface of the ceramic substrate 11.
  • Cu plate 22 is laminated in order (lamination step S01). That is, between the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22, the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is disposed on the ceramic substrate 11 side, and the Ti foil 25 is disposed on the Cu plate 22 side.
  • the composition of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is set to Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni.
  • the thickness of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is in the range of 5 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • a Cu—P—Sn—Ni brazing material having a thickness of 20 ⁇ m is used.
  • the thickness of the Ti foil 25 is in the range of 6 ⁇ m to 25 ⁇ m, and the Ti foil 25 has a purity of 99.4% or more.
  • a Ti foil having a thickness of 10 ⁇ m and a purity of 99.8% is used.
  • the ceramic substrate 11, Cu-P-Sn- Ni brazing material 24, Ti foil 25 and Cu plate 22 pressurized in the stacking direction (pressure 1 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less (0.10 MPa or more 3 .43 MPa or less)), and charged in a vacuum heating furnace and heated (heat treatment step S02).
  • the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
  • the heating time is 30 minutes or more. It is set within the range of 360 minutes or less.
  • the Ti foil 25 and the Cu plate 22 are joined by solid phase diffusion, and the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is melted to form a liquid phase.
  • the ceramic substrate 11 and the Ti foil 25 are joined.
  • the first intermetallic compound layer 16 made of Ti and Cu is formed at the bonding interface between the Cu plate 22 (circuit layer 12) and the Ti foil 25 (Ti layer 15).
  • P and Ni contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 are combined with Ti of the Ti foil 25 to form the second intermetallic compound layer 17, and on the ceramic substrate 11 side, A Cu—Sn layer 14 containing no P and Ni or having very little P and Ni is formed.
  • the circuit layer 12 is formed in the 1st surface of the ceramic substrate 11, and the board
  • the semiconductor element 3 is bonded to the upper surface of the circuit layer 12 of the power module substrate 10 via a solder material (semiconductor element bonding step S03). In this way, the power module 1 according to this embodiment is manufactured.
  • the power module substrate 10 According to the power module substrate 10 according to the present embodiment configured as described above, P and Cu contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12. Ni is taken into the second intermetallic compound layer 17 formed on the Ti layer 15 side. As a result, the Cu—Sn layer 14 having no intermetallic compound containing P and Ni or having very little intermetallic compound containing P and Ni is formed on the ceramic substrate 11 side. That is, since a hard intermetallic compound is not formed in the vicinity of the ceramic substrate 11, the thermal stress generated in the ceramic substrate 11 when a cooling cycle is applied can be reduced. As a result, generation of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed.
  • the Ti layer 15 is formed between the Cu—Sn layer 14 and the circuit layer 12, it is possible to suppress the diffusion of Sn to the circuit layer 12 side.
  • the Sn concentration in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is decreased. Therefore, it is possible to suppress an increase in the melting point of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24. That is, by suppressing an increase in the melting point of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, bonding can be performed at a relatively low temperature, and thermal degradation of the ceramic substrate 11 can be suppressed.
  • the thickness of the Ti layer 15 is preferably 1 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less, it is possible to reliably suppress the diffusion of Sn to the circuit layer 12 side.
  • the Ti layer 15 having a relatively high strength is formed thin, the thermal stress generated in the ceramic substrate 11 when a cooling cycle is applied is reduced, and the generation of cracks can be suppressed.
  • the first intermetallic compound layer 16 made of Cu and Ti is formed between the circuit layer 12 and the Ti layer 15, Cu in the circuit layer 12 and Ti in the Ti layer 15 are sufficiently diffused to each other. Thus, the circuit layer 12 and the Ti layer 15 are well bonded.
  • the thickness of the first intermetallic compound layer 16 is set to 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. For this reason, since Cu of the circuit layer 12 and Ti of the Ti layer 15 are sufficiently diffused to each other, a sufficient bonding strength can be ensured. In addition, since the hard first intermetallic compound layer 16 is formed thin, it is possible to reduce the thermal stress generated in the ceramic substrate 11 when a cooling cycle is applied and to suppress the generation of cracks.
  • the circuit layer 12 made of the Cu plate 22 is formed on the first surface, which is one surface of the ceramic substrate 11, so that the semiconductor element 3 can be spread and dissipated to the ceramic substrate 11 side. Further, since the Cu plate 22 has a relatively large deformation resistance, the deformation of the circuit layer 12 is suppressed when a cooling / heating cycle is applied. As a result, deformation of the bonding layer 2 that bonds the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 can be suppressed, and the bonding reliability between the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 can be improved.
  • the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 and the Ti foil 25 are interposed between the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22. Heat treatment is performed at Therefore, Ti dissolves in the liquid phase in which the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is melted during heating, and the wettability between the liquid phase of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 and the ceramic substrate 11 is improved. .
  • the heating temperature is 600 ° C. or higher, the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 can be reliably melted at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22.
  • the Ti foil 25 and the Cu plate 22 can be sufficiently solid-phase diffusion bonded, the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22 can be reliably bonded.
  • the heating temperature is set in the range of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
  • the pressure applied to the ceramic substrate 11 or the like is 1 kgf / cm 2 (0.10 MPa) or more, the liquid phase between the ceramic substrate 11 and the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is closely attached. Therefore, the ceramic substrate 11 and the Cu—Sn layer 14 can be bonded satisfactorily. Furthermore, when the applied pressure is 1 kgf / cm 2 or more, solid phase diffusion bonding can be performed while suppressing the formation of a gap between the Ti foil 25 and the Cu plate 22. Moreover, when the applied pressure is 35 kgf / cm 2 (3.43 MPa) or less, the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed. For this reason, in the present embodiment, the pressure applied is in the range of 1 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less (0.10 MPa or more 3.43MPa or less).
  • the heating time is 30 minutes or more
  • the P and Ti contained in the molten Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22 are contained in the Ti foil.
  • a sufficient time for bonding with Ti is ensured, so that the Cu—Sn layer can be reliably formed on the ceramic substrate 11 side.
  • the heating time is 30 minutes or longer, the Ti foil 25 and the Cu plate 22 can be sufficiently solid phase diffusion bonded, so that the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22 can be reliably bonded.
  • the heating time is set within a range of 30 minutes to 360 minutes.
  • the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 having a melting point of 580 ° C. since the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 having a melting point of 580 ° C. is used, a liquid phase of the brazing material can be formed at a low temperature. In this embodiment, the solidus temperature of the Cu—P—Sn—Ni brazing material is used as the melting point.
  • the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is well bonded to the ceramic substrate 11 and the Ti foil 25 and the Cu plate 22 are bonded by solid phase diffusion. As a result, the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22 can be bonded satisfactorily, and the bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 can be improved.
  • FIG. 6 shows a power module 101 including the power module substrate 110 according to the second embodiment.
  • This power module 101 includes a power module substrate 110 in which a circuit layer 112 is disposed on a first surface of a ceramic substrate 11 and a bonding layer 2 on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 112.
  • the semiconductor element 3 is joined, and the heat sink 130 is disposed on the other side (lower side in FIG. 1) of the power module substrate 110.
  • the power module substrate 110 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 112 disposed on a first surface (upper surface in FIG. 7) that is one surface of the ceramic substrate 11, and a ceramic substrate. 11 and a metal layer 113 disposed on the second surface (the lower surface in FIG. 7), which is the other surface.
  • the ceramic substrate 11 is made of AlN (aluminum nitride) having excellent heat dissipation.
  • the circuit layer 112 is formed by sequentially laminating a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 on the first surface of the ceramic substrate 11, a Ti foil 25 as a Ti material, and a Cu plate 122 made of oxygen-free copper. In this state, they are formed by heat-treating them and bonding the Cu plate 122 (see FIG. 10).
  • the thickness of the circuit layer 112 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the second embodiment.
  • the Cu—Sn layer (first Cu—Sn layer) 14 positioned on the ceramic substrate 11 side, the circuit layer 112, and the like, as in the first embodiment.
  • a Ti layer (first Ti layer) 15 located between the Cu—Sn layer 14 and the Cu—Sn layer 14 is formed.
  • a first intermetallic compound layer 16 made of Cu and Ti is formed between the circuit layer 112 and the Ti layer 15, and contains P and Ni between the Cu—Sn layer 14 and the Ti layer 15.
  • a second intermetallic compound layer 17 is formed.
  • the metal layer 113 is formed by bonding a Cu or Cu alloy metal plate to the second surface, which is the other surface of the ceramic substrate 11, via a Cu—P—Sn based brazing material.
  • the metal layer 113 is formed by laminating a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, a Ti foil 25 as a Ti material, and a Cu plate 123 made of oxygen-free copper on the second surface of the ceramic substrate 11. These are formed by heat-treating and bonding the Cu plate 123 (see FIG. 10).
  • the thickness of the metal layer 113 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • FIG. 8 shows a schematic view of the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113.
  • a Cu—Sn layer (second Cu—Sn layer) 114 located on the ceramic substrate 11 side, the metal layer 113, and Cu—Sn.
  • a Ti layer (second Ti layer) 115 located between the layers 114 is formed.
  • a first intermetallic compound layer (third intermetallic compound layer) 116 made of Cu and Ti is formed between the metal layer 113 and the Ti layer 115.
  • a second intermetallic compound layer (fourth intermetallic compound layer) 117 containing P and Ni is formed between the Cu—Sn layer 114 and the Ti layer 115.
  • the second intermetallic compound layer 117 includes a P—Ni—Ti layer 117a, a P—Ti layer 117b, and a Cu—Ni—Ti layer 117c, which are sequentially formed from the Cu—Sn layer 114 side.
  • the Cu—Sn layer (second Cu—Sn layer) 114 is a Cu—Sn layer (first Cu—Sn layer) 14, and the Ti layer (second Ti layer) 115 is a Ti layer (first Ti layer) 15.
  • the first intermetallic compound layer (third intermetallic compound layer) 116 is the first intermetallic compound layer 16, and the second intermetallic compound layer (fourth intermetallic compound layer) 117 is the second intermetallic compound layer 17.
  • the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 has the same structure as the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 described above.
  • the heat sink 130 is for dissipating heat from the power module substrate 110 described above.
  • the heat sink 130 is made of Cu or Cu alloy, and in this embodiment is made of oxygen-free copper.
  • the heat sink 130 is provided with a flow path 131 through which a cooling fluid flows.
  • the heat sink 130 and the metal layer 113 are joined by a solder layer 132 made of a solder material.
  • a method for manufacturing the power module 101 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 9 and FIG.
  • a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, a Ti foil 25, and a Cu plate 122 to be a circuit layer 112 are sequentially formed on the first surface (the upper surface in FIG. 10) of the ceramic substrate 11.
  • Laminate (first lamination step S11) At the same time, a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, a Ti foil 25, and a Cu123 plate to be the metal layer 113 are sequentially laminated on the second surface (the lower surface in FIG. 10) of the ceramic substrate 11 (second lamination). Step S12).
  • the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is disposed on the ceramic substrate 11 side, and the Ti foil 25 is disposed on the Cu plates 122 and 123 side.
  • the thickness of the Ti foil 25 is in the range of 6 ⁇ m to 25 ⁇ m. In this embodiment, the Ti foil 25 having a thickness of 8 ⁇ m is used.
  • the ceramic substrate 11, the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, the Ti foil 25, and the Cu plates 122 and 123 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 (0.10 to 3.43 MPa). )), It is charged in a vacuum heating furnace and heated (heat treatment step S13).
  • the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
  • the heating time is 30 minutes. It is set in the range of 360 minutes or less.
  • the Ti foil 25 and the Cu plates 122 and 123 are joined by solid phase diffusion.
  • the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is melted to form a liquid phase, and this liquid phase is solidified, whereby the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is passed through the ceramic substrate 11.
  • Ti foil 25 is joined.
  • the circuit layer 112 is formed on the first surface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 is formed on the second surface, and the power module substrate 110 according to the present embodiment is manufactured.
  • the heat sink 130 is bonded to the lower surface of the metal layer 113 of the power module substrate 110 via a solder material (heat sink bonding step S14).
  • the semiconductor element 3 is bonded to the upper surface of the circuit layer 112 of the power module substrate 110 via a solder material (semiconductor element bonding step S15). In this way, the power module 101 according to this embodiment is manufactured.
  • the power module substrate 110 according to the second embodiment configured as described above has the same effects as the power module substrate 10 described in the first embodiment.
  • the metal layer 113 made of the Cu plate 123 is formed on the second surface of the ceramic substrate 11, so that the heat from the semiconductor element 3 can be efficiently transferred through the metal layer 113. Can be dissipated.
  • the Cu—Sn layer 114 in which Sn is dissolved in Cu is formed on the ceramic substrate 11 side, similarly to the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112. Is formed, and no hard intermetallic compound is formed in the vicinity of the ceramic substrate 11. For this reason, when a thermal cycle is loaded, the thermal stress generated in the ceramic substrate 11 can be reduced, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed. Further, since a brittle intermetallic compound layer is not formed in the vicinity of the ceramic substrate 11, when a cooling cycle is applied, a decrease in the bonding rate between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 is suppressed, and bonding reliability is improved. Can be improved. In the power module substrate 110 according to the second embodiment, since the heat sink 130 is bonded to the metal layer 113, heat can be efficiently dissipated from the heat sink 130.
  • the circuit layer 112 is provided on the first surface which is one surface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 is provided on the second surface which is the other surface.
  • the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 11 shows a power module 201 including a power module substrate 210 according to the third embodiment.
  • the power module 201 includes a power module substrate 210 in which a circuit layer 212 is disposed on the first surface of the ceramic substrate 11, and one surface (upper surface in FIG. 11) of the circuit layer 212 via the bonding layer 2.
  • a semiconductor element 3 that is bonded, and a heat sink 230 that is bonded to the other side (lower side in FIG. 11) of the power module substrate 210 via a bonding layer 232 are provided.
  • the power module substrate 210 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 212 disposed on a first surface (upper surface in FIG. 12) that is one surface of the ceramic substrate 11, and a ceramic substrate. 11, and a metal layer 213 disposed on the second surface (the lower surface in FIG. 12) that is the other surface.
  • the ceramic substrate 11 is made of AlN (aluminum nitride) having excellent heat dissipation.
  • the circuit layer 212 is formed by sequentially laminating a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 on the first surface of the ceramic substrate 11, a Ti foil 25 as a Ti material, and a Cu plate 222 made of oxygen-free copper. These are formed by heat-treating and bonding the Cu plate 222 (see FIG. 14).
  • the thickness of the circuit layer 212 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the third embodiment.
  • the Cu—Sn layer 14 located on the ceramic substrate 11 side, and between the circuit layer 212 and the Cu—Sn layer 14. And a Ti layer 15 located on the surface.
  • a first intermetallic compound layer 16 made of Cu and Ti is formed between the circuit layer 212 and the Ti layer 15, and is located between the Cu—Sn layer 14 and the Ti layer 15 and contains P and Ni.
  • a second intermetallic compound layer 17 is formed.
  • the metal layer 213 is formed by bonding an Al or Al alloy metal plate to the second surface, which is the other surface of the ceramic substrate 11, via a bonding material 227.
  • the metal layer 213 is formed by bonding an Al plate 223 having a purity of 99.99 mass% or more to the second surface of the ceramic substrate 11 (see FIG. 14).
  • the thickness of the metal layer 213 is set within a range of 0.1 mm to 3.0 mm, and is set to 1.6 mm in the present embodiment.
  • the heat sink 230 is made of Al or an Al alloy, and is made of A6063 (Al alloy) in the present embodiment.
  • the heat sink 230 is provided with a flow path 231 through which a cooling fluid flows.
  • the heat sink 230 and the metal layer 213 are joined by an Al—Si brazing material.
  • a method for manufacturing the power module 201 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 13 and FIG.
  • a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, a Ti foil 25, and a Cu plate 222 to be a circuit layer 212 are sequentially formed on the first surface of the ceramic substrate 11 (the upper surface in FIG. 14).
  • Laminate first lamination step S21.
  • the Al plate 223 to be the metal layer 213 is sequentially laminated on the second surface (the lower surface in FIG. 14) of the ceramic substrate 11 via the bonding material 227 (second lamination step S22).
  • the heat sink 230 is laminated below the Al plate 223 via the bonding material 242 (third lamination step S23).
  • the bonding materials 227 and 242 are Al—Si brazing materials containing Si as the melting point lowering element.
  • the Al—7.5 mass% Si brazing material is used. Is used.
  • the thickness of the Ti foil 25 is in the range of 6 ⁇ m to 25 ⁇ m. In the present embodiment, a 12 ⁇ m thick Ti foil is used.
  • the ceramic substrate 11, the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, the Ti foil 25, the Cu plate 222, the bonding material 227, the Al plate 223, the bonding material 242 and the heat sink 230 are pressurized in the stacking direction (pressure 1 In a state of ⁇ 35 kgf / cm 2 (0.10 to 3.43 MPa)), it is charged in a vacuum heating furnace and heated (heat treatment step S24).
  • the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
  • the heating time is 30 minutes. It is set within the range of 360 minutes or less.
  • the Ti foil 25 and the Cu plate 222 are joined by solid phase diffusion.
  • the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is melted to form a liquid phase, and the liquid phase is solidified, whereby the ceramic substrate 11 and the Ti foil 25 are joined.
  • the bonding material 227 is melted to form a liquid phase, and the liquid phase is solidified, whereby the ceramic substrate 11 and the Al plate 223 are bonded via the bonding material 227.
  • the bonding material 242 is melted to form a liquid phase, and the liquid phase is solidified, so that the Al plate 223 and the heat sink 230 are bonded via the bonding material 242. Thereby, the substrate 210 for power modules which is 3rd embodiment is manufactured.
  • the semiconductor element 3 is bonded to the upper surface of the circuit layer 212 of the power module substrate 210 via a solder material (semiconductor element bonding step S25). In this way, the power module 201 according to the third embodiment is manufactured.
  • the power module substrate 210 according to the third embodiment configured as described above has the same effects as the power module substrate 10 described in the first embodiment. Moreover, in the power module substrate 210 according to the third embodiment, the metal layer 213 formed by bonding the Al plate 223 to the second surface of the ceramic substrate 11 is formed. It can be efficiently dissipated through the metal layer 213. In addition, since Al has a relatively low deformation resistance, the thermal stress generated between the power module substrate 210 and the heat sink 230 can be absorbed by the metal layer 213 when a cooling cycle is applied. As a result, generation of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed.
  • the circuit layer 212 and the metal layer 213 are simultaneously bonded to the first surface and the second surface of the ceramic substrate 11, respectively, and the heat sink 230 is also made of metal. Since it is simultaneously bonded to the layer 213, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
  • the case where the circuit layer and the metal layer are simultaneously bonded to the first surface and the second surface of the ceramic substrate has been described, but the circuit layer and the metal layer are separately provided. You may join.
  • the case where the circuit layer, the metal layer, and the heat sink are simultaneously bonded has been described. However, the circuit layer and the metal layer may be bonded to the ceramic substrate, and then the metal layer and the heat sink may be bonded. good.
  • the case where the metal layer is bonded to the second surface of the ceramic substrate via the Al—Si brazing material has been described. However, the bonding is performed by a transient liquid phase bonding method (TLP), Ag paste, or the like. May be.
  • TLP transient liquid phase bonding method
  • the case where the heat sink provided with the flow path is used has been described.
  • a plate-like thing called a heat sink or a heat sink having pin-like fins may be used.
  • grease may be applied between the power module substrate and the heat sink and fixed by screwing or the like.
  • the heat sink may not be bonded to the other surface side of the power module substrate (the second surface side of the ceramic substrate).
  • a Ti foil is used as the Ti material.
  • a Cu member / Ti clad material in which Ti is disposed on one surface of the Cu member can also be used. Further, Ti can be disposed on the Cu member by vapor deposition or the like. Furthermore, a Ti material / brazing material clad material in which a Cu—P—Sn based brazing material is disposed on one surface of the Ti material, a Cu member, a Ti material, and a Cu—P—Sn based brazing material are laminated in this order. Member / Ti material / brazing material clad can be used.
  • Example 1 Below, the result of the confirmation experiment (Example 1) conducted in order to confirm the effect of embodiment which concerns on this invention is demonstrated.
  • a Cu—P—Sn brazing material foil 37 mm ⁇ 37 mm
  • a Ti foil having the thickness shown in Table 1 (37 mm ⁇ 37 mm)
  • a Cu plate 37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.3 mm
  • the thickness was 0.32 mm.
  • the laminated ceramic substrate, Cu—P—Sn brazing material, Ti foil, and Cu plate were charged in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized at a pressure of 15 kgf / cm 2 (1.47 MPa) in the laminating direction.
  • a Cu plate was joined to the first surface of the ceramic substrate to form a circuit layer.
  • the pressure in the vacuum heating furnace was set in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa, and the heating temperature and heating time were set to the conditions shown in Table 1. In this way, power module substrates according to Invention Examples 1-1 to 1-13 were obtained.
  • substrate for power modules of the comparative example 1 was obtained as follows.
  • a first surface of a ceramic substrate made of AlN (40 mm ⁇ 40 mm ⁇ thickness 0.635 mm) is made of Cu—P—Sn brazing material foil (37 mm ⁇ 37 mm) having the thickness shown in Table 1 and oxygen-free copper.
  • Cu plates (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.3 mm) were laminated in order.
  • the laminated ceramic substrate, Cu—P—Sn brazing material, and Cu plate are charged in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized at a pressure of 15 kgf / cm 2 (1.47 MPa) in the laminating direction and heated.
  • a Cu plate was bonded to the first surface of the ceramic substrate to form a circuit layer. That is, the power module substrate of Comparative Example 1 was bonded without the Ti foil interposed when the ceramic substrate and the Cu plate were bonded.
  • the initial bonding rate between the circuit layer and the ceramic substrate was evaluated for the power module substrate obtained as described above. A method for evaluating the bonding rate will be described below. Moreover, the thickness of the Ti layer and the first intermetallic compound layer at the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer was measured. A method for measuring the thickness of the Ti layer and the first intermetallic compound layer is also shown below.
  • the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the circuit layer was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.), and calculated from the following formula.
  • the initial bonding area is an area to be bonded before bonding, and in this example, the area of the circuit layer (37 mm ⁇ 37 mm) was used.
  • the peeling is indicated by the white portion in the joint portion. Therefore, the area of the white portion is defined as the peeling area.
  • (Bonding rate (%)) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area) ⁇ 100
  • the thicknesses of the Ti layer and the first intermetallic compound layer were determined by the following method.
  • a reflected electron image was obtained by EPMA (electron beam microanalyzer, JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd.) at the copper plate / Ti layer interface (cross section parallel to the stacking direction).
  • the area of the Ti layer formed at the bonding interface and the first intermetallic compound layer (Cu 4 Ti, Cu 3 Ti 2 , Cu 4 Ti) in the field of view (length (dimension in the stacking direction) 30 ⁇ m, width 40 ⁇ m) at a magnification of 3000 times 3 , CuTi, CuTi 2 ) were measured.
  • the area of the Ti layer and the total area of the first intermetallic compound layer were divided by the width of the measurement visual field (40 ⁇ m), and the thickness of the Ti layer and the thickness of the first intermetallic compound layer in the visual field were determined. .
  • the average of the thickness of the Ti layer and the thickness of the first intermetallic compound layer determined in five fields of view was defined as the thickness of the Ti layer and the first intermetallic compound layer.
  • Example 2 Next, the result of a confirmation experiment (Example 2) conducted to confirm the effect of the embodiment according to the present invention will be described.
  • Ti foil (37 mm ⁇ 37 mm) having Cu and a Cu plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.3 mm) made of oxygen-free copper were laminated in this order.
  • the material of the ceramic substrate was AlN
  • the thickness was 0.635 mm
  • the material was Si 3 N 4
  • the thickness was 0.32 mm.
  • the laminated ceramic substrate, Cu—P—Sn brazing material, Ti foil and Cu plate were charged into a vacuum heating furnace in a state of being pressurized at a pressure of 15 kgf / cm 2 (1.47 MPa) in the laminating direction, By heating, a Cu plate was joined to the 1st surface and 2nd surface of the ceramic substrate, and the circuit layer and the metal layer were formed.
  • the pressure in the vacuum heating furnace was set within the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa, and the heating temperature and the heating time were set as shown in Table 2. In this way, power module substrates of Invention Examples 2-1 to 2-13 were obtained.
  • the power module substrate of Comparative Example 2 is the same as the power module substrate of Examples 2-1 to 2-13 of the present invention except that the ceramic substrate and the circuit layer are joined without interposing Ti foil. Obtained in a similar manner.
  • the initial bonding rate between the circuit layer and the ceramic substrate and the bonding rate after the thermal cycle test were measured. Furthermore, in the thermal cycle test, the number of times until the ceramic substrate of the power module substrate was cracked was measured, and the joining rate after the thermal cycle test was evaluated. Moreover, the thickness of the Ti layer and the first intermetallic compound layer at the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer was measured. Evaluation of the bonding rate and measurement of the thickness of the Ti layer and the first intermetallic compound layer were performed in the same manner as in Example 1. Moreover, the cooling / heating cycle test was performed as follows.
  • the thermal cycle test uses TSB-51, a thermal shock tester, Espec Corp., and a cycle for 5 minutes at -40 ° C and 5 minutes at 150 ° C in the liquid phase (Fluorinert) for the power module substrate. 1 cycle, 2000 cycles were carried out. In addition, in Table 2, “> 2000” is described for the power module substrate in which the ceramic substrate was not cracked after 2000 cycles of the thermal cycle test. The results of the above evaluation are shown in Table 2.
  • Example 3 Next, the result of a confirmation experiment (Example 3) conducted to confirm the effect of the embodiment according to the present invention will be described.
  • a Cu—P—Sn brazing material foil (37 mm ⁇ 37 mm) having the thickness shown in Table 3 and a Ti foil having the thickness shown in Table 3 (37 mm ⁇ 37 mm) and a Cu plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.3 mm) made of oxygen-free copper were sequentially laminated.
  • the material of the ceramic substrate was AlN
  • the thickness was 0.635 mm
  • the material was Si 3 N 4
  • the thickness was 0.32 mm.
  • an Al plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 1. mm) made of Al having a purity of 99.99% is formed on the second surface of the ceramic substrate through an Al—Si brazing material (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ 0.02 mm thickness). 6 mm). Then, the laminated ceramic substrate, Cu—P—Sn brazing material, Ti foil, Cu plate, Al—Si brazing material, and Al plate are applied in the laminating direction at a pressure of 15 kgf / cm 2 (1.47 MPa).
  • the power module substrate of Comparative Example 3 is the same as the power module substrate of Inventive Examples 3-1 to 3-13 except that the ceramic substrate and the circuit layer are joined without interposing Ti foil. Obtained similarly.
  • the initial bonding rate between the circuit layer and the ceramic substrate and the bonding rate after the thermal cycle test were evaluated. Moreover, the thickness of the Ti layer and the first intermetallic compound layer at the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer was measured. The evaluation of the joining rate, the thermal cycle test, and the thickness measurement of the Ti layer and the first intermetallic compound layer were performed in the same manner as in Example 2. The results of the above evaluation are shown in Table 3.
  • the joined body and the power module substrate according to the present invention it is possible to suppress the occurrence of cracks in the ceramic member when a cooling cycle is applied, and to improve the joining reliability between the ceramic member and the Cu member. . Therefore, the joined body and power module substrate according to the present invention are also used in power modules with severe use environments such as power semiconductor elements for large power control used for controlling electric vehicles such as wind power generation and electric vehicles. Is preferred.

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Abstract

　本発明の接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とがＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して接合された接合体であって、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、前記セラミックス部材側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ－Ｓｎ層と、前記Ｃｕ部材と前記Ｃｕ－Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、前記Ｃｕ－Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されている。

Description

接合体及びパワーモジュール用基板
　この発明は、セラミックス部材とＣｕ部材とが接合された接合体、及びセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板に関する。
　本願は、２０１３年８月２６日に、日本に出願された特願２０１３－１７５０００号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置は、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造を備える。
　風力発電、電気自動車等の電気車両など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、発熱量が多い。このため、このようなパワー半導体素子を搭載する基板として、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などからなる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回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
　例えば、特許文献１に示されるパワーモジュール用基板は、セラミックス基板（セラミックス部材）の一方の面に、Ｃｕ板（Ｃｕ部材）を接合することで回路層が形成された構造とされている。このパワーモジュール用基板では、セラミックス基板の一方の面に、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉろう材を介在させてＣｕ板を配置した状態で、加熱処理を行うことによりＣｕ板が接合されている。
特許第４３７５７３０号公報
　ところで、特許文献１に開示されたように、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉろう材を介してセラミックス基板とＣｕ板とを接合すると、セラミックス基板の近傍には、Ｃｕ、Ｍｇ、又はＴｉを含む金属間化合物が形成される。
　このセラミックス基板近傍に形成される金属間化合物は硬いため、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に発生する熱応力が大きくなり、セラミックス基板にクラックが生じ易くなる問題があった。また、上述の金属間化合物層は脆いため、冷熱サイクルが負荷された際に、金属間化合物が破壊され、セラミックス基板と回路層との接合率が悪化し、接合信頼性が低下するおそれがあった。
　特に近年では、パワーモジュールの使用環境が厳しくなってきており、冷熱サイクルの条件が厳しくなっている。したがって、パワーモジュール用基板において、セラミックス基板にクラックが生じ易く、かつセラミックス基板と回路層との接合信頼性が低下し易い傾向にある。
　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、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できるとともに、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性を向上できる接合体、及びパワーモジュール用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、本発明の第一の態様に係る接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とがＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して接合された接合体であって、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、前記セラミックス部材側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ－Ｓｎ層と、前記Ｃｕ部材と前記Ｃｕ－Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、前記Ｃｕ－Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されている。
　本発明の第一の態様に係る接合体によれば、セラミックス部材とＣｕ部材との接合界面において、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、Ｔｉ層側に形成された第二金属間化合物層に取り込まれる。これにより、Ｐを含有する金属間化合物を有しない若しくはＰを含有する金属間化合物が非常に少ないＣｕ－Ｓｎ層がセラミックス部材側に形成されている。すなわち、セラミックス部材の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス部材に生じる熱応力を低減できる。その結果、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物がセラミックス基板の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材とＣｕ部材との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上することができる。
　さらに、Ｃｕ－Ｓｎ層とＣｕ部材との間にＴｉ層が形成されているので、ＳｎがＣｕ部材側に拡散することを抑制できる。その結果、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材を介してセラミックス部材とＣｕ部材とを接合する際に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材の融点が上昇することを抑えることが可能となる。
　また、Ｃｕ部材とＴｉ層との間にＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成されているので、Ｃｕ部材のＣｕとＴｉ層のＴｉとが十分に相互に拡散しており、Ｃｕ部材とＴｉ層とが良好に接合されている。
　また、前記第一金属間化合物層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下とされていることが好ましい。
　ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層の厚さが０．５μｍ以上の場合、Ｃｕ部材のＣｕとＴｉ層のＴｉとが十分に相互に拡散しているので、接合強度を十分に確保することができる。また、第一金属間化合物層の厚さが１０μｍ以下の場合、硬い第一金属間化合物層が薄く形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材に発生する熱応力を低減することができる。これにより、セラミックス部材にクラックが発生することを確実に抑制できるとともに、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性をさらに向上させることができる。
　さらに、前記Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
　この場合、Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であるので、ＳｎがＣｕ部材側に拡散することを確実に抑制できる。そのため、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材を介してセラミックス部材とＣｕ部材とを接合する際に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材の融点が上昇することを抑えることが可能となる。また、比較的強度が高いＴｉ層が厚く形成されないことから、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス部材に生じる熱応力が小さくなり、クラックの発生を抑制できる。したがって、Ｔｉ層の厚さは上述の範囲が好ましい。
　本発明の第二の態様に係るパワーモジュール用基板は、上述の接合体からなり、前記セラミックス部材からなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の第一面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材を介して前記Ｃｕ部材からなるＣｕ板が接合されてなる回路層と、を備え、前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ－Ｓｎ層と、前記回路層と前記Ｃｕ－Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、前記回路層と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、前記Ｃｕ－Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されている。
　本発明の第二の態様に係るパワーモジュール用基板によれば、セラミックス基板と回路層との接合界面において、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、Ｔｉ層側に形成された第二金属間化合物層に取り込まれることにより、Ｐを含有する金属間化合物を有しない若しくはＰを含有する金属間化合物が非常に少ないＣｕ－Ｓｎ層がセラミックス基板側に形成されている。すなわち、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減できる。その結果、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物がセラミックス基板の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板と回路層との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上することができる。
　さらに、Ｃｕ－Ｓｎ層と回路層との間に、Ｔｉ層が形成されているので、Ｓｎが回路層側に拡散することを抑制できる。その結果、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材を用いてセラミックス基板の第一面に回路層を形成する際に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材の融点が上昇することを抑えることが可能となる。
　また、回路層とＴｉ層との間にＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成されているので、回路層のＣｕとＴｉ層のＴｉとが十分に相互に拡散しており、回路層とＴｉ層とが良好に接合されている。
　また、本発明の第二の態様に係るパワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板の第二面に金属層が形成されていることが好ましい。
　この場合、セラミックス基板の第二面に金属層が形成されているので、金属層を介してセラミックス基板側の熱を効率的に放散することができる。
　また、前記金属層は、前記セラミックス基板の第二面に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介してＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ板が接合されてなり、前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ－Ｓｎ層と、前記金属層と前記Ｃｕ－Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、前記金属層と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、前記Ｃｕ－Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されていることが好ましい。
　この場合、セラミックス基板と金属層との接合界面において、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、Ｔｉ層側に形成された第二金属間化合物層に取り込まれる。これにより、Ｐを含有する金属間化合物を有しない若しくはＰを含有する金属間化合物が非常に少ないＣｕ－Ｓｎ層が、セラミックス基板側に形成されている。すなわち、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減できる。その結果、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物がセラミックス基板の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板と金属層との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上することができる。
　さらに、Ｃｕ－Ｓｎ層と金属層との間にＴｉ層が形成されているので、Ｓｎが金属層側に拡散することを抑制できる。その結果、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材を用いてセラミックス基板の第二面に金属層を形成する際に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材の融点が上昇することを抑えることが可能となる。また、金属層とＴｉ層との間にＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成されているので、金属層のＣｕとＴｉ層のＴｉとが十分に相互に拡散しており、金属層とＴｉ層とが良好に接合されている。
　また、前記金属層は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる構成とされても良い。
　この場合、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層は、強度が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板に生じる熱応力を低減することができる。
　また、本発明の第二の態様に係るパワーモジュール用基板において、前記Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
　この場合、Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下であるので、Ｓｎが回路層側又は金属層側に拡散することを確実に抑制できる。そのため、回路層又は金属層と比べて熱抵抗が大きいＴｉ層が厚く形成されず、パワーモジュール用基板の熱抵抗を上昇させることがない。また、この場合、比較的強度が高いＴｉ層が厚く形成されず、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力が小さくなり、クラックの発生を抑制できる。このような理由により、Ｔｉ層の厚さは上述の範囲が好ましいとされている。
　本発明によれば、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できるとともに、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性を向上できる接合体、及びパワーモジュール用基板を提供することができる。
本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。 図２に示す回路層とセラミックス基板との接合界面における断面を撮影した電子顕微鏡写真とその概略図である。 本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。 本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。 図７に示す金属層とセラミックス基板との接合界面における断面の概略図である。 本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。 本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。 本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。 本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。
（第一実施形態）
　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。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
　本実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、Ｃｕ部材であるＣｕ板２２（回路層１２）とが接合されてなるパワーモジュール用基板１０である。図１に、本実施形態であるパワーモジュール用基板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が配設されたパワーモジュール用基板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とを備えている。
　パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、第一面と第二面を有するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面である第一面（図２において上面）に配設された回路層１２とを備えている。
　セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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は放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２～１．５ｍｍ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、セラミックス基板１１の第一面に、導電性を有するＣｕ又はＣｕ合金の金属板（Ｃｕ板２２）をＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系のろう材及びＴｉ材としてのＴｉ箔２５を介して接合することにより形成されている。Ｃｕ板２２は、例えば、無酸素銅、脱酸銅、タフピッチ銅等とされても良く、本実施形態では無酸素銅とされている。また、Ｃｕ板２２の厚さは０．１～１．０ｍｍの範囲とされることが好ましく、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
　Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系のろう材として、具体的には、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｚｎ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｃｒ系ろう材などが挙げられる。Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系のろう材には、Ｐが３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下、Ｓｎが０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下含有されることが好ましい。本実施形態では、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系のろう材としてＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４を用いている。また、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系のろう材は箔状で用いられ、その厚さは５～１５０μｍであることが好ましい。
　なお、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材の融点は７１０℃以下であり、本実施形態で用いられるＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４の融点は５８０℃である。なお、本実施形態において、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材の固相線温度を融点としている。
　本実施形態において、回路層１２は、セラミックス基板１１の第一面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ材としてＴｉ箔２５、及び無酸素銅からなるＣｕ板２２を積層した状態で、これらを加熱処理してＣｕ板２２を接合することで、形成されている（図５参照）。
　なお、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、０．６ｍｍに設定されている。
　図３に、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面の電子顕微鏡写真及びその概略図を示す。セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面には、図３に示すように、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ－Ｓｎ層１４と、回路層１２とＣｕ－Ｓｎ層１４との間に位置するＴｉ層１５とが形成されている。
　そして、回路層１２とＴｉ層１５との間には、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成されている。また、Ｃｕ－Ｓｎ層１４とＴｉ層１５との間には、Ｐ及びＮｉを含有する第二金属間化合物層１７が形成されている。
　Ｃｕ－Ｓｎ層１４は、ＳｎがＣｕ中に固溶した層である。このＣｕ－Ｓｎ層１４は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ層１５側に形成された第二金属間化合物層１７に取り込まれることにより形成される層である。Ｃｕ－Ｓｎ層１４の厚さを１μｍ以上１４０μｍ以下の範囲に設定しても良い。
　Ｔｉ層１５は、上述したように、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４及びＴｉ箔２５を介して接合することによって形成される層である。本実施形態において、Ｔｉ層１５の厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下とされていることが好ましい。
　Ｔｉ層１５の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下である場合、Ｔｉ層はＳｎが回路層１２側に拡散することを抑制するバリア層として確実に機能する。これにより、Ｓｎの拡散を確実に抑制することができる。また、Ｔｉ層はＣｕ板２２からなる回路層１２と比べて熱抵抗が大きい。このようなＴｉ層１５が厚く形成されないので、パワーモジュール用基板１０の熱抵抗の上昇を抑制できる。さらに、Ｔｉ層は比較的強度が高い。このようなＴｉ層１５が厚く形成されないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に生じる熱応力が小さくなり、その結果クラックの発生を抑制できる。このような理由により、Ｔｉ層１５の厚さは上述の範囲が好ましいとされている。なお、Ｔｉ層１５の厚さを１μｍ以上５μｍ以下としても良い。
　第一金属間化合物層１６は、回路層１２のＣｕとＴｉ層１５のＴｉとが相互に拡散することによって形成される層である。ここで、ＣｕとＴｉの拡散は、固相拡散とされている。第一金属間化合物層１６はＣｕ４Ｔｉ相、Ｃｕ３Ｔｉ２相、Ｃｕ４Ｔｉ３相、ＣｕＴｉ相、ＣｕＴｉ２相のいずれか１種以上を有する。本実施形態において、第一金属間化合物層１６はＣｕ４Ｔｉ相、Ｃｕ３Ｔｉ２相、Ｃｕ４Ｔｉ３相、ＣｕＴｉ相、ＣｕＴｉ２相を有している。
　また、本実施形態において、この第一金属間化合物層１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下とされている。
　第一金属間化合物層１６の厚さが０．５μｍ以上の場合、回路層１２のＣｕとＴｉ層１５のＴｉとが十分に相互に拡散しており、回路層１２とＴｉ層１５との接合強度を十分に確保することができる。また、第一金属間化合物層１６の厚さが１０μｍ以下の場合、硬い第一金属間化合物層１６が薄く形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減し、クラックが発生することを抑制できる。
　このような理由により、第一金属間化合物層１６の厚さは、上述の範囲に設定されている。なお、第一金属間化合物層１６の厚さを０．５μｍ以上７μｍ以下としても良い。
　第二金属間化合物層１７は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉがＴｉ箔２５に含まれるＴｉと結合することにより形成される。本実施形態において、第二金属間化合物層１７は、図３に示すように、Ｃｕ－Ｓｎ層１４側から順に形成された、Ｐ－Ｎｉ－Ｔｉ層１７ａと、Ｐ－Ｔｉ層１７ｂと、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｔｉ層１７ｃとを有している。第二金属間化合物層１７の厚さ、すなわちＰ－Ｎｉ－Ｔｉ層１７ａ、Ｐ－Ｔｉ層１７ｂ、及びＣｕ－Ｎｉ－Ｔｉ層１７ｃの厚さの合計を、０．５μｍ以上６μｍ以下としても良い。
　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とは、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系のはんだ材とされている。
　次に、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、及びパワーモジュール１の製造方法について、図４のフロー図及び図５を参照して説明する。
　まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面である第一面（図５において上面）に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び回路層１２となるＣｕ板２２を順に積層する（積層工程Ｓ０１）。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板２２の間において、セラミックス基板１１側にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４を配置し、Ｃｕ板２２側にＴｉ箔２５を配置している。
　本実施形態において、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４の組成は、Ｃｕ－７ｍａｓｓ％Ｐ－１５ｍａｓｓ％Ｓｎ－１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされている。
　また、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４の厚みは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とされている。本実施形態では、厚さ２０μｍのＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材を用いている。
　また、Ｔｉ箔２５の厚さは、６μｍ以上２５μｍ以下の範囲とされており、Ｔｉ箔２５は純度９９．４％以上とされている。本実施形態では、厚さ１０μｍ、純度９９．８％のＴｉ箔を用いている。
　次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及びＣｕ板２２を積層方向に加圧（圧力１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．１０ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ０２）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度を６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間を３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
　この加熱処理工程Ｓ０２においては、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とが固相拡散によって接合されるとともに、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４が溶融して液相が形成され、この液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＴｉ箔２５とが接合される。このとき、Ｃｕ板２２（回路層１２）とＴｉ箔２５（Ｔｉ層１５）との接合界面には、ＴｉとＣｕからなる第一金属間化合物層１６が形成される。また、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４中に含まれるＰ及びＮｉは、Ｔｉ箔２５のＴｉと結合し、第二金属間化合物層１７が形成されるとともに、セラミックス基板１１側には、Ｐ及びＮｉを含有しない若しくはＰ及びＮｉが非常に少ないＣｕ－Ｓｎ層１４が形成される。
　これにより、セラミックス基板１１の第一面に回路層１２が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
　次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ０３）。
　このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１が製造される。
　以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０によれば、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面において、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ層１５側に形成された第二金属間化合物層１７に取り込まれる。これにより、Ｐ及びＮｉを含有する金属間化合物を有しない、若しくはＰ及びＮｉを含有する金属間化合物が非常に少ないＣｕ－Ｓｎ層１４がセラミックス基板１１側に形成される。すなわち、セラミックス基板１１の近傍に硬い金属間化合物が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に生じる熱応力を低減できる。その結果、セラミックス基板１１にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物がセラミックス基板１１の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１と回路層１２との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上することもできる。
　さらに、Ｃｕ－Ｓｎ層１４と回路層１２との間に、Ｔｉ層１５が形成されているので、Ｓｎが回路層１２側に拡散することを抑制できる。これにより、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４を用いてセラミックス基板１１の第一面に回路層１２を形成する際に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４中のＳｎの濃度の低下を抑制できるので、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４の融点が上昇することを抑えることが可能となる。すなわち、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４の融点の上昇を抑えることで、比較的低温で接合を行うことができ、セラミックス基板１１が熱劣化することを抑制できる。
　また、Ｔｉ層１５の厚さが、好ましくは１μｍ以上１５μｍ以下とされているので、Ｓｎが回路層１２側に拡散することを確実に抑制できる。また、この場合、比較的強度が高いＴｉ層１５が薄く形成されるので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に生じる熱応力が小さくなり、クラックの発生を抑制できる。
　また、回路層１２とＴｉ層１５との間にＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成されているので、回路層１２のＣｕとＴｉ層１５のＴｉとが十分に相互に拡散しており、回路層１２とＴｉ層１５とが良好に接合されている。
　また、第一金属間化合物層１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下とされている。このため、回路層１２のＣｕとＴｉ層１５のＴｉとが十分に相互に拡散しているので、接合強度を十分に確保することができる。それに加えて、硬い第一金属間化合物層１６が薄く形成されているので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に発生する熱応力を低減し、クラックが発生することを抑制できる。
　また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、パワーモジュール１によれば、セラミックス基板１１の一方の面である第一面にＣｕ板２２からなる回路層１２が形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げてセラミックス基板１１側に放散することができる。また、Ｃｕ板２２は比較的変形抵抗が大きいので、冷熱サイクルが負荷された際に、回路層１２の変形が抑制される。その結果、半導体素子３と回路層１２とを接合する接合層２の変形を抑制することができ、半導体素子３と回路層１２との接合信頼性を向上できる。
　また、本実施形態のパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との間に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４とＴｉ箔２５とを介在させた状態で加熱処理を行う。このため、加熱時にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４が溶融した液相にＴｉが溶け込み、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４の液相とセラミックス基板１１との濡れ性が良好となる。
　また、加熱処理工程Ｓ０２において、加熱温度が６００℃以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との接合界面において、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４を確実に溶融させることができる。これとともに、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とを十分に固相拡散接合することができるので、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを確実に接合可能となる。また、加熱温度が６５０℃以下の場合、セラミックス基板１１が熱劣化することを抑制できるとともに、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減することができる。このような理由のため、本実施形態では、加熱温度は、６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定されている。
　また、加熱処理工程Ｓ０２において、セラミックス基板１１等に加えられる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０ＭＰａ）以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４との液相を密着させることができるので、セラミックス基板１１とＣｕ－Ｓｎ層１４とを良好に接合できる。さらに、加えられる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２以上の場合、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２との間に隙間が生じることを抑制して固相拡散接合することができる。また、加えられる圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２（３．４３ＭＰａ）以下の場合、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。このような理由のため、本実施形態では、加えられる圧力は１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．１０ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下）の範囲内に設定されている。
　加熱処理工程Ｓ０２において、加熱時間が３０分以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との接合界面において、溶融したＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４に含まれるＰと、Ｔｉ箔に含まれるＴｉとが結合する時間が十分に確保されるので、セラミックス基板１１側にＣｕ－Ｓｎ層を確実に形成可能となる。また、加熱時間が３０分以上の場合、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とを十分に固相拡散接合することができるので、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを確実に接合可能となる。また、加熱時間が３６０分を超えても、加熱時間が３６０分の場合以上にセラミックス基板１１と回路層１２との接合性が向上しない。また、加熱時間が３６０分を超えると生産性が低下してしまう。このような理由のため、本実施形態では、加熱時間は、３０分以上３６０分以下の範囲内に設定されている。
　また、本実施形態においては、ろう材の融点が５８０℃であるＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４を用いているので、低温でろう材の液相を形成することができる。なお、本実施形態において、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材の固相線温度を融点として用いている。
　上述のように、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４がセラミックス基板１１と良好に接合されるとともに、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とが固相拡散によって接合される。この結果、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを良好に接合でき、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を向上させることができる。
（第二実施形態）
　次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
　図６に、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０を備えたパワーモジュール１０１を示す。
　このパワーモジュール１０１は、セラミックス基板１１の第一面上に回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２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、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク１３０と、を備えている。
　パワーモジュール用基板１１０は、図７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の一方の面である第一面（図７において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面である第二面（図７において下面）に配設された金属層１１３と、を備えている。
　セラミックス基板１１は、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。
　回路層１１２は、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１の第一面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ材としてＴｉ箔２５、無酸素銅からなるＣｕ板１２２を順に積層した状態で、これらを加熱処理してＣｕ板１２２を接合することにより形成されている（図１０参照）。
　なお、回路層１１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、第二実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
　そして、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面には、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ－Ｓｎ層（第一Ｃｕ－Ｓｎ層）１４と、回路層１１２とＣｕ－Ｓｎ層１４との間に位置するＴｉ層（第一Ｔｉ層）１５とが形成されている。また、回路層１１２とＴｉ層１５との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成され、Ｃｕ－Ｓｎ層１４とＴｉ層１５との間に、Ｐ及びＮｉを含有する第二金属間化合物層１７が形成されている。
　金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面である第二面に、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板が、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系のろう材を介して接合されることにより形成されている。第二実施形態において、金属層１１３は、セラミックス基板１１の第二面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ材としてＴｉ箔２５、無酸素銅からなるＣｕ板１２３を積層した状態で、これらを加熱処理してＣｕ板１２３を接合することで形成されている（図１０参照）。
　この金属層１１３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、０．６ｍｍに設定されている。
　図８に、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面の概略図を示す。セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面には、図８に示すように、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ－Ｓｎ層（第二Ｃｕ－Ｓｎ層）１１４と、金属層１１３とＣｕ－Ｓｎ層１１４との間に位置するＴｉ層（第二Ｔｉ層）１１５とが形成されている。そして、金属層１１３とＴｉ層１１５との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層（第三金属間化合物層）１１６が形成されている。また、Ｃｕ－Ｓｎ層１１４とＴｉ層１１５との間に、Ｐ及びＮｉを含有する第二金属間化合物層（第四金属間化合物層）１１７が形成されている。この第二金属間化合物層１１７は、Ｃｕ－Ｓｎ層１１４側から順に形成された、Ｐ－Ｎｉ－Ｔｉ層１１７ａと、Ｐ－Ｔｉ層１１７ｂと、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｔｉ層１１７ｃとを有している。
　すなわち、Ｃｕ－Ｓｎ層（第二Ｃｕ－Ｓｎ層）１１４はＣｕ－Ｓｎ層（第一Ｃｕ－Ｓｎ層）１４と、Ｔｉ層（第二Ｔｉ層）１１５はＴｉ層（第一Ｔｉ層）１５と、第一金属間化合物層（第三金属間化合物層）１１６は第一金属間化合物層１６と、第二金属間化合物層（第四金属間化合物層）１１７は第二金属間化合物層１７と実質的に同様の構造を有する。そして、このセラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面は、上述したセラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面と同様の構造となっている。
　ヒートシンク１３０は、前述のパワーモジュール用基板１１０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１３０は、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。このヒートシンク１３０には、冷却用の流体が流れるための流路１３１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１３０と金属層１１３とが、はんだ材からなるはんだ層１３２によって接合されている。
　次に、本実施形態に係るパワーモジュール１０１の製造方法について、図９のフロー図及び図１０を参照して説明する。
　まず、図１０に示すように、セラミックス基板１１の第一面（図１０において上面）に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び回路層１１２となるＣｕ板１２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ１１）。それとともに、セラミックス基板１１の第二面（図１０において下面）にも、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び金属層１１３となるＣｕ１２３板を順に積層する（第二積層工程Ｓ１２）。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２、１２３の間において、セラミックス基板１１側にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４を配置し、Ｃｕ板１２２、１２３側にＴｉ箔２５を配置している。なお、Ｔｉ箔２５の厚さは、６μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされており、本実施形態では厚さ８μｍのＴｉ箔２５を用いている。
　次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及びＣｕ板１２２、１２３を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０～３．４３ＭＰａ））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ１３）。ここで、第二実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度を６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間を３０分以上３６０分以下の範囲に設定されている。
　この加熱処理工程Ｓ１３においては、Ｔｉ箔２５とＣｕ板１２２、１２３とが固相拡散によって接合される。それとともに、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４を介して、セラミックス基板１１とＴｉ箔２５とが接合される。
　これにより、セラミックス基板１１の第一面に回路層１１２が形成されるとともに、第二面に金属層１１３が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
　次いで、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の下面に、はんだ材を介してヒートシンク１３０を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１４）。
　次に、パワーモジュール用基板１１０の回路層１１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
　このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１０１が製造される。
　以上のような構成とされた第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０においては、第一実施形態で説明したパワーモジュール用基板１０と同様の効果を奏する。
　また、パワーモジュール用基板１１０においては、セラミックス基板１１の第二面にＣｕ板１２３からなる金属層１１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を、金属層１１３を介して効率的に放散することができる。
　そして、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面においては、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面と同様に、セラミックス基板１１側に、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ－Ｓｎ層１１４が形成されており、セラミックス基板１１の近傍に硬い金属間化合物が形成されていない。このため、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板１１にクラックが発生することを抑制できる。また、脆い金属間化合物層がセラミックス基板１１の近傍に形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合率の低下を抑制し、接合信頼性を向上させることができる。
　また、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０において、金属層１１３には、ヒートシンク１３０が接合されているので、ヒートシンク１３０から熱を効率的に放散することができる。
　また、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面である第一面に回路層１１２を、他方の面である第二面に金属層１１３を同時に接合するので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
（第三実施形態）
　次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
　図１１に、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０を備えたパワーモジュール２０１を示す。
　このパワーモジュール２０１は、セラミックス基板１１の第一面上に回路層２１２が配設されたパワーモジュール用基板２１０と、回路層２１２の一方の面（図１１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、パワーモジュール用基板２１０の他方側（図１１において下側）に接合層２３２を介して接合されたヒートシンク２３０と、を備えている。
　パワーモジュール用基板２１０は、図１２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の一方の面である第一面（図１２において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板１１の他方の面である第二面（図１２において下面）に配設された金属層２１３と、を備えている。
　セラミックス基板１１は、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。
　回路層２１２は、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１の第一面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ材としてＴｉ箔２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２２を順に積層し、これらを加熱処理してＣｕ板２２２を接合することで形成されている（図１４参照）。
　なお、回路層２１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、第三実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
　そして、セラミックス基板１１と回路層２１２との接合界面には、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ－Ｓｎ層１４と、回路層２１２とＣｕ－Ｓｎ層１４との間に位置するＴｉ層１５とが形成されている。また、回路層２１２とＴｉ層１５との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層１６が形成され、Ｃｕ－Ｓｎ層１４とＴｉ層１５との間に位置しＰ及びＮｉを含有する第二金属間化合物層１７が形成されている。
　金属層２１３は、セラミックス基板１１の他方の面である第二面に、Ａｌ又はＡｌ合金の金属板が接合材２２７を介して接合されることにより形成されている。第三実施形態において、金属層２１３は、セラミックス基板１１の第二面に、純度９９．９９質量％以上のＡｌ板２２３を接合することで形成されている（図１４参照）。
　この金属層２１３の厚さは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、１．６ｍｍに設定されている。
　ヒートシンク２３０は、Ａｌ又はＡｌ合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３（Ａｌ合金）で構成されている。このヒートシンク２３０には、冷却用の流体が流れるための流路２３１が設けられている。なお、このヒートシンク２３０と金属層２１３とが、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
　次に、本実施形態に係るパワーモジュール２０１の製造方法について、図１３のフロー図及び図１４を参照して説明する。
　まず、図１４に示すように、セラミックス基板１１の第一面（図１４において上面）に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、及び回路層２１２となるＣｕ板２２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ２１）。それとともに、セラミックス基板１１の第二面（図１４において下面）に、接合材２２７を介して金属層２１３となるＡｌ板２２３を順に積層する（第二積層工程Ｓ２２）。そして、さらにＡｌ板２２３の下側に、接合材２４２を介してヒートシンク２３０を積層する（第三積層工程Ｓ２３）。
　なお、接合材２２７、２４２は、本実施形態では、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系ろう材とされており、第三実施形態においては、Ａｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。
　また、Ｔｉ箔２５の厚さは、６μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされている。本実施形態では厚さ１２μｍのＴｉ箔を用いている。
　次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔２５、Ｃｕ板２２２、接合材２２７、Ａｌ板２２３、接合材２４２、及びヒートシンク２３０を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０～３．４３ＭＰａ））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ２４）。ここで、第三実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度を６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間を３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
　この加熱処理工程Ｓ２４においては、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２２とが固相拡散によって接合される。それとともに、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＴｉ箔２５とが接合される。また、加熱処理工程Ｓ２４においては、接合材２２７が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２２７を介してセラミックス基板１１とＡｌ板２２３とが接合される。さらに、加熱処理工程Ｓ２４においては、接合材２４２が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２４２を介してＡｌ板２２３とヒートシンク２３０とが接合される。
　これにより、第三実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製造される。
　次に、パワーモジュール用基板２１０の回路層２１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ２５）。
　このようにして、第三実施形態に係るパワーモジュール２０１が製造される。
　以上のような構成とされた第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０においては、第一実施形態で説明したパワーモジュール用基板１０と同様の効果を奏する。
　また、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０においては、セラミックス基板１１の第二面にＡｌ板２２３が接合されてなる金属層２１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を、金属層２１３を介して効率的に放散することができる。また、Ａｌは比較的変形抵抗が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、パワーモジュール用基板２１０とヒートシンク２３０との間に生じる熱応力を金属層２１３によって吸収することができる。その結果、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
　また、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の第一面に回路層２１２を、第二面に金属層２１３を同時に接合するとともに、ヒートシンク２３０も金属層２１３に同時に接合されるので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
　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。
　なお、第二実施形態及び第三実施形態においては、セラミックス基板の第一面に回路層を、第二面に金属層を同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層とを別々に接合しても良い。
　また、第三実施形態において、回路層、金属層、及びヒートシンクを同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層をセラミックス基板に接合した後に、金属層とヒートシンクとを接合する構成としても良い。
　また、第三実施形態において、セラミックス基板の第二面にＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介して金属層を接合する場合について説明したが、過渡液相接合法（ＴＬＰ）やＡｇペーストなどによって接合しても良い。
　また、第二実施形態及び第三実施形態では、流路が設けられたヒートシンクを用いる場合について説明したが、放熱板と呼ばれる板状のものや、ピン状フィンを有するヒートシンクを用いてもよい。また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ材又はろう材で接合する場合について説明したが、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にグリースを塗布してネジ止めなどによってこれらを固定しても良い。また、第二実施形態及び第三実施形態のパワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の他方の面側（セラミックス基板の第二面側）にヒートシンクが接合されていなくても良い。
　なお、上記実施形態では、Ｔｉ材としてＴｉ箔を用いる場合について説明したが、Ｃｕ部材の一方の面にＴｉを配設したＣｕ部材／Ｔｉクラッド材を用いることもできる。また、Ｃｕ部材に蒸着等によってＴｉを配設し、用いることもできる。
　さらに、Ｔｉ材の一方の面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材を配設したＴｉ材／ろう材クラッド材や、Ｃｕ部材、Ｔｉ材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材の順に積層されたＣｕ部材／Ｔｉ材／ろう材クラッドを用いることができる。
　また、上記実施形態ではＴｉ材としてＴｉ箔を用いる場合を説明したが、これに限らず、Ｔｉ材として水素化Ｔｉを用いることができる。
（実施例１）
　以下に、本発明に係る実施形態の効果を確認すべく行った確認実験（実施例１）の結果について説明する。
　表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の第一面に、表１に示す厚さを有するＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、表１に示す厚さを有するＴｉ箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を順に積層した。なお、セラミックス基板の材質がＡｌＮの場合は厚さ０．６３５ｍｍとし、材質がＳｉ３Ｎ４の場合は、０．３２ｍｍとした。
　そして、積層されたセラミックス基板、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材、Ｔｉ箔、Ｃｕ板を積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによって、セラミックス基板の第一面にＣｕ板を接合し、回路層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０－６Ｐａ以上、１０－３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間を、表１の条件に設定した。このようにして本発明例１－１～１－１３のパワーモジュール用基板を得た。
　また、比較例１のパワーモジュール用基板を、次のようにして得た。ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）の第一面に、表１に示す厚さを有するＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を順に積層した。そして、積層されたセラミックス基板、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材、Ｃｕ板を積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによって、セラミックス基板の第一面にＣｕ板を接合し、回路層を形成した。
　すなわち、比較例１のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板とＣｕ板とを接合する際に、Ｔｉ箔を介在させずに接合が行われた。
　上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率を評価した。接合率の評価方法を以下に説明する。
　また、セラミックス基板と回路層との接合界面における、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さを測定した。このＴｉ層及び第一金属間化合物層の厚さの測定方法も以下に示す。
（接合率評価）
　パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板と回路層との界面の接合率について超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から算出した。
　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であり、本実施例では回路層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。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。
　（接合率（％））＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
（Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さの測定方法）
　Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さを、以下の方法で求めた。銅板／Ｔｉ層界面（積層方向に平行な断面）のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー、日本電子社製ＪＸＡ－８５３０Ｆ）による反射電子像を得た。倍率３０００倍の視野（縦（積層方向の寸法）３０μｍ、横４０μｍ）において、接合界面に形成されたＴｉ層の面積及び第一金属間化合物層（Ｃｕ４Ｔｉ、Ｃｕ３Ｔｉ２、Ｃｕ４Ｔｉ３、ＣｕＴｉ、ＣｕＴｉ２）の総面積を測定した。Ｔｉ層の面積及び第一金属間化合物層の総面積を測定視野の幅の寸法（４０μｍ）で除して、その視野におけるＴｉ層の厚さ及び第一金属間化合物層の厚さを求めた。５視野において求めたＴｉ層の厚さ及び第一金属間化合物層の厚さの平均を、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さとした。
　以上の評価の結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　表１に示されるように、本発明例１－１～１－１３については、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ箔を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合したため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。
　一方、比較例１は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ箔を介在させずに接合が行われたため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
（実施例２）
　次に、本発明に係る実施形態の効果を確認すべく行った確認実験（実施例２）の結果について説明する。
　表２記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の第一面及び第二面に、表２に示す厚さを有するＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、表２に示す厚さを有するＴｉ箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を順に積層した。なお、セラミックス基板の材質がＡｌＮの場合は厚さ０．６３５ｍｍとし、材質がＳｉ３Ｎ４の場合は、０．３２ｍｍとした。
　積層されたセラミックス基板、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材、Ｔｉ箔、Ｃｕ板を、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによって、セラミックス基板の第一面及び第二面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０－６Ｐａ以上、１０－３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間を表２に示す条件とした。このようにして本発明例２－１～２－１３のパワーモジュール用基板を得た。
　また、比較例２のパワーモジュール用基板を、Ｔｉ箔を介在させずに、セラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例２－１～２－１３のパワーモジュール用基板と同様の方法で得た。
　上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率、及び冷熱サイクル試験後の接合率を測定した。さらに、冷熱サイクル試験において、パワーモジュール用基板のセラミックス基板に割れが発生するまでの回数を測定するとともに、冷熱サイクル試験後の接合率を評価した。また、セラミックス基板と回路層との接合界面における、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さを測定した。
　接合率の評価、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さの測定を、実施例１と同様にして行った。また、冷熱サイクル試験は下記の通り行った。
（冷熱サイクル試験）
　冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ－５１を使用し、パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、－４０℃にて５分及び１５０℃にて５分のサイクルを１サイクルとし、２０００サイクルを実施した。なお、冷熱サイクル試験を２０００サイクル行った後もセラミックス基板に割れが発生しなかったパワーモジュール用基板については、表２において「＞２０００」と記載した。
　以上の評価の結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　表２に示されるように、本発明例２－１～２－１３については、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ箔を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合した。このため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。また、本発明例２－１～２－１３は、冷熱サイクル試験後の接合率も高く、接合信頼性が高いことが確認された。さらに、本発明例２－１～２－１３は、冷熱サイクル試験において、セラミックス基板に割れが発生するまでのサイクル回数が多く、セラミックス基板に割れが発生しにくいことも確認された。
　一方、比較例２は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ箔を介在させずに接合が行われたため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
（実施例３）
　次に、本発明に係る実施形態の効果を確認すべく行った確認実験（実施例３）の結果について説明する。
　表３記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の第一面に、表３に示す厚さを有するＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、表３に示す厚さを有するＴｉ箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を順に積層した。なお、セラミックス基板の材質がＡｌＮの場合は厚さ０．６３５ｍｍとし、材質がＳｉ３Ｎ４の場合は、０．３２ｍｍとした。また、セラミックス基板の第二面に、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．０２ｍｍ）を介して純度９９．９９％のＡｌからなるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ）を積層した。
　そして、積層されたセラミックス基板、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材、Ｔｉ箔、Ｃｕ板、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材、及びＡｌ板を、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の第一面にＣｕ板を接合して回路層を形成し、第二面にＡｌ板を接合して金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間を表３に示す条件とした。このようにして本発明例３－１～３－１３のパワーモジュール用基板を得た。
　また、比較例３のパワーモジュール用基板を、Ｔｉ箔を介在させずに、セラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例３－１～３－１３のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
　上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率、及び冷熱サイクル試験後の接合率を評価した。また、セラミックス基板と回路層との接合界面における、Ｔｉ層及び第一金属間化合物層の厚さを測定した。
　接合率の評価、冷熱サイクル試験及びＴｉ層と第一金属間化合物層の厚さ測定は、実施例２と同様にして実施した。
　以上の評価の結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
　表３に示されるように、本発明例３－１～３－１３については、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ箔を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合した。このため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。また、本発明例３－１～３－１３は、冷熱サイクル試験後の接合率も高く、接合信頼性が高いことが確認された。さらに、本発明例３－１～３－１３は、冷熱サイクル試験において、セラミックス基板に割れが発生するまでのサイクル回数が多く、セラミックス基板に割れが発生しにくいことも確認された。
　一方、比較例３は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ箔を介在させずに接合が行われたため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
　本発明に係る接合体及びパワーモジュール用基板によれば、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できるとともに、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性を向上できる。そのため、本発明に係る接合体及びパワーモジュール用基板は、風力発電、電気自動車等の電気車両など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といった、使用環境の厳しいパワーモジュールにも好適である。
１０、１１０、２１０　　パワーモジュール用基板（接合体）
１１　　セラミックス基板（セラミックス部材）
１２、１１２、２１２　　回路層
１３、１１３、２１３　　金属層
１４　　Ｃｕ－Ｓｎ層（第一Ｃｕ－Ｓｎ層）
１１４　　Ｃｕ－Ｓｎ層（第二Ｃｕ－Ｓｎ層）
１５　　Ｔｉ層（第一Ｔｉ層）
１１５　　Ｔｉ層（第二Ｔｉ層）
１６　　第一金属間化合物層
１７　　第二金属間化合物層
１１６　　第一金属間化合物層（第三金属間化合物層）
１１７　　第二金属間化合物層（第四金属間化合物層）
２２、１２２、１２３、２２２　　Ｃｕ板（Ｃｕ部材）

Claims (8)

  1. 　セラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とがＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して接合された接合体であって、
    　前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、
    　前記セラミックス部材側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ－Ｓｎ層と、
    　前記Ｃｕ部材と前記Ｃｕ－Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、
    　前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、
    　前記Ｃｕ－Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されている接合体。
  2. 　前記第一金属間化合物層の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下とされている請求項１に記載の接合体。
  3. 　前記Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の接合体。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体からなり、
    　前記セラミックス部材からなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の第一面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して前記Ｃｕ部材からなるＣｕ板が接合されてなる回路層と、を備え、
    　前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、
    　前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ－Ｓｎ層と、
    　前記回路層と前記Ｃｕ－Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、
    　前記回路層と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、
    　前記Ｃｕ－Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されているパワーモジュール用基板。
  5. 　前記セラミックス基板の第二面に金属層が形成されている請求項４に記載のパワーモジュール用基板。
  6. 　前記金属層は、
    　前記セラミックス基板の第二面に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介してＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ板が接合されてなり、
    　前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、
    　前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ－Ｓｎ層と、
    　前記金属層と前記Ｃｕ－Ｓｎ層との間に位置したＴｉ層と、が形成され、
    　前記金属層と前記Ｔｉ層との間に、ＣｕとＴｉからなる第一金属間化合物層が形成され、
    　前記Ｃｕ－Ｓｎ層と前記Ｔｉ層との間に、Ｐを含有する第二金属間化合物層が形成されている請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
  7. 　前記金属層は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
  8. 　前記Ｔｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下である請求項４から請求項７のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
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