WO2015029813A1 - 接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

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伸幸 寺▲崎▼
長友　義幸
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    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/74—Forming laminates or joined articles comprising at least two different interlayers separated by a substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a joined body in which a ceramic member and a Cu member are bonded, and a method for manufacturing a power module substrate in which a circuit layer made of Cu or Cu alloy is disposed 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.
  • a Cu / Mg—Ti brazing material forms a Cu interface at the joining interface between the ceramic substrate and the brazing material.
  • a thick intermetallic compound layer containing Mg, Ti, or Ti is formed. Since the intermetallic compound layer formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the brazing material is hard, the bonding rate between the ceramic substrate and the circuit layer deteriorates, and there is a possibility that the ceramic substrate and the circuit layer cannot be bonded satisfactorily. .
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a manufacturing method of a joined body that can satisfactorily join a ceramic member and a Cu member and a manufacturing method of a power module substrate. Objective.
  • a method for manufacturing a joined body according to the first aspect of the present invention is a method for producing a joined body in which a ceramic member made of ceramics and a Cu member made of Cu or a Cu alloy are joined.
  • a method of laminating the ceramic member and the Cu member via a Cu-P brazing material containing 3 mass% to 10 mass% of P and an active metal material, and the laminated A heat treatment step of heat-treating the ceramic member and the Cu member.
  • the ceramic member and the Cu member are interposed via a Cu—P brazing material containing 3 mass% or more and 10 mass% or less of P and an active metal material.
  • a heat treatment step for heat-treating the laminated ceramic member and the Cu member In the heat treatment step, P and active metal contained in the Cu—P brazing filler metal are included.
  • An intermetallic compound containing P is formed by combining with an active element contained in the material, and by incorporating P into the intermetallic compound, a Cu layer is formed on the ceramic member side.
  • the bonding rate between the ceramic member and the Cu member is improved, and the ceramic member and the Cu member can be bonded well.
  • the Cu—P brazing material containing 3 mass% or more and 10 mass% or less of P has a low melting point, the ceramic member and the Cu member can be joined at a relatively low temperature. As a result, the thermal load applied to the ceramic member during bonding can be reduced.
  • the active metal material is assumed to contain any one or more of active elements such as Ti, Zr, Nb, and Hf.
  • the shape of the active metal material is, for example, foil or powder.
  • the Cu—P brazing material is disposed on the ceramic member side and the active metal material is disposed on the Cu member side.
  • the Cu member and the active metal material can be joined by solid phase diffusion by heat-treating the Cu member and the active metal material. Therefore, since the melt of the Cu—P brazing material is solidified, the ceramic member and the Cu member can be reliably bonded.
  • the Cu—P brazing material is any one selected from a Cu—P brazing material, a Cu—P—Sn brazing material, a Cu—P—Sn—Ni brazing material, and a Cu—P—Zn brazing material. It is preferable to use one type. When such a brazing material is used, since the melting point of the brazing material is low, the ceramic member and the Cu member can be reliably bonded even under low temperature conditions.
  • the active metal material contains Ti.
  • Ti and P contained in the Cu—P brazing material are combined to form an intermetallic compound containing P and Ti, and P is taken into this intermetallic compound.
  • a Cu layer is reliably formed on the ceramic member side. Therefore, it is possible to reliably suppress the formation of a hard intermetallic compound layer at the bonding interface between the ceramic member and the Cu layer, improve the bonding rate between the ceramic member and the Cu member, and improve the ceramic member and the Cu member. Can be joined.
  • a method for manufacturing a power module substrate according to a second aspect of the present invention is a method for manufacturing a power module substrate in which a circuit layer made of Cu or Cu alloy is disposed on a first surface of a ceramic substrate, The ceramic substrate and the circuit layer are bonded by the above-described method for manufacturing a bonded body.
  • the active metal material and P are combined to form an intermetallic compound containing P, and this intermetallic compound By taking in P, a Cu layer is formed on the ceramic substrate side.
  • the bonding rate between the ceramic substrate and the circuit layer is improved, and the ceramic substrate and the circuit layer can be bonded well.
  • the Cu—P brazing material has a low melting point and can form a circuit layer on the first surface of the ceramic substrate at a relatively low temperature, thermal degradation of the ceramic substrate during formation of the circuit layer can be suppressed.
  • the circuit layer made of Cu or Cu alloy is disposed on the first surface of the ceramic substrate, and the second surface is made of Cu or Cu alloy.
  • the active metal material and P contained in the Cu—P brazing material are combined to form an intermetallic compound containing P, thereby forming a Cu layer.
  • a hard intermetallic compound layer is not formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the Cu layer.
  • the bonding rate between the ceramic substrate and the circuit layer and the bonding rate between the ceramic substrate and the metal layer are improved, and the ceramic substrate and the circuit layer and the ceramic substrate and the metal layer can be bonded well.
  • the circuit layer can be formed on the first surface of the ceramic substrate and the metal layer can be formed on the second surface at a relatively low temperature, thermal degradation of the ceramic substrate can be suppressed.
  • a circuit layer can be formed on the first surface of the ceramic substrate and a metal layer can be formed on the second surface at the same time. As a result, it is possible to reduce the thermal load on the ceramic substrate and reduce the manufacturing cost.
  • a circuit layer made of Cu or Cu alloy is disposed on the first surface of the ceramic substrate, and Al or Al alloy is made on the second surface. It is a manufacturing method of the board
  • the circuit layer can be formed on the first surface of the ceramic substrate and the metal layer can be formed on the second surface at a relatively low temperature, thermal degradation of the ceramic substrate can be suppressed.
  • a circuit layer can be formed on the first surface of the ceramic substrate and a metal layer can be formed on the second surface at the same time. It is possible to reduce the manufacturing cost as well as to reduce the manufacturing cost.
  • the present invention it is possible to provide a method for manufacturing a joined body capable of satisfactorily bonding a ceramic member and a Cu member, and a method for manufacturing a power module substrate.
  • FIG. 1 shows a power module 1 including a power module substrate 10 according to the present embodiment.
  • 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. Further, 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.
  • a conductive Cu or Cu alloy metal plate (Cu plate 22) is bonded to the first surface of the ceramic substrate 11 via an active metal material and a Cu—P-based brazing material. It is formed by.
  • 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 set within a range of 0.1 to 1.0 mm, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.
  • the content of P in the Cu—P brazing filler metal is 3 mass% or more and 10 mass% or less. The reason why the P content is set to 3 mass% or more and 10 mass% or less will be described below.
  • P 3 mass% or more and 10 mass% or less
  • P is an element having an effect of lowering the melting point of the brazing material.
  • this P covers the surface of the brazing filler metal with the P oxide generated by oxidation of P, thereby preventing the brazing filler metal from being oxidized and the surface of the molten brazing filler metal from the P oxide having good fluidity. By covering, it is an element having an effect of improving the wettability of the brazing material. If the P content is less than 3 mass%, the effect of lowering the melting point of the brazing material cannot be sufficiently obtained, the melting point of the brazing material is increased, or the fluidity of the brazing material is insufficient. There is a risk that the bondability with the material may deteriorate.
  • the P content exceeds 10 mass%, a lot of brittle intermetallic compounds are formed, and the bonding property and bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 may be lowered.
  • the content of P contained in the Cu—P brazing filler metal is set within a range of 3 mass% to 10 mass%. A more preferable range of the P content is 6 mass% or more and 9 mass% or less.
  • the Cu—P brazing material may contain Sn in an amount of 0.5 mass% to 25 mass%. Further, the Cu—P brazing material may contain one or more of Ni, Cr, Fe, and Mn in a total of 2 mass% to 20 mass%. Further, the Cu—P brazing material may contain Zn in an amount of 0.5 mass% to 50 mass%.
  • Sn is an element having an effect of lowering the melting point of the brazing material.
  • the Sn content is 0.5 mass% or more, the melting point of the brazing material can be reliably lowered. Further, when the Sn content is 25 mass% or less, the low temperature embrittlement of the brazing material can be suppressed, and the bonding reliability between the ceramic substrate and the circuit layer can be improved. For these reasons, when Sn is contained in the Cu—P brazing filler metal, the content is set within the range of 0.5 mass% or more and 25 mass% or less.
  • Ni, Cr, Fe, Mn 2 mass% or more and 20 mass% or less
  • Ni, Cr, Fe, and Mn are elements having an effect of suppressing the formation of an intermetallic compound containing P at the interface between the ceramic substrate 11 and the brazing material.
  • an intermetallic compound containing P is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the brazing material. This can be suppressed, and the bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 is improved.
  • the content of any one or more of Ni, Cr, Fe, and Mn is 20 mass% or less in total, the melting point of the brazing material is suppressed from increasing, and the fluidity of the brazing material is lowered. That can be suppressed. As a result, the bondability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 can be improved.
  • the total content thereof is in the range of 2 mass% or more and 20 mass% or less. Is set to
  • Zn 0.5 mass% or more and 50 mass% or less
  • Zn is an element having an effect of improving the oxidation resistance of the brazing material.
  • the Zn content is 0.5 mass% or more, it is possible to sufficiently secure the oxidation resistance of the brazing material and improve the bondability.
  • the Zn content is 50 mass% or less, it is possible to prevent a large amount of brittle intermetallic compounds from being formed, and to ensure the bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12.
  • the content is set within the range of 0.5 mass% or more and 50 mass% or less.
  • the Cu-P brazing material include Cu-P brazing material, Cu-P-Sn brazing material, Cu-P-Sn-Ni brazing material, Cu-P-Zn brazing material, Cu -P-Sn-Mn brazing material, Cu-P-Sn-Cr brazing material, Cu-P-Sn-Fe brazing material and the like.
  • a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is used.
  • the composition of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 used in the present embodiment is specifically set to Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni.
  • the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 has a foil shape, and the thickness thereof is set to 5 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the active metal material contains one or more active elements such as Ti, Zr, Nb, and Hf.
  • the active metal material has a shape such as foil or powder.
  • a Ti foil 25 is used as the active metal material, and the thickness of the Ti foil 25 is 6 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less. Further, the Ti foil 25 may have a purity of 99.4% or more. In the present embodiment, a Ti foil having a purity of 99.8% is used. That is, in the first embodiment, the circuit layer 12 is formed by laminating the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, the Ti foil 25, and the Cu plate 22 made of oxygen-free copper on the first surface of the ceramic substrate 11. These are formed by joining the Cu plate 22 by heat treatment (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 includes a Cu—Sn layer 14 (Cu layer) positioned on the ceramic substrate 11 side, and the circuit layer 12 and the Cu—Sn layer 14.
  • a Ti layer 15 located between them 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 Ti layer 15 is a layer formed by bonding the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22 via the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 and the Ti foil 25.
  • 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 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 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 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.
  • a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 having a thickness of 20 ⁇ m and a Ti foil 25 having a thickness of 7 ⁇ m and a purity of 99.8% are 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 joint surface between the Ti foil 25 and the Cu plate 22 to be solid phase diffusion-bonded is a smooth surface in advance.
  • 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 manufacturing method of the power module substrate 10 of the present embodiment having the above-described configuration includes the Ti foil 25 (active metal material) and the Cu—Sn—Ni—P brazing material 24 (Cu—P brazing material). Accordingly, a lamination step S01 for laminating the ceramic substrate 11 and the Cu plate 22 and a heat treatment step S02 for heat treating the laminated ceramic substrate 11 and the Cu plate 22 are provided. Therefore, in the heat treatment step S02, the Ti foil 25 and P and Ni contained in the Cu—Sn—Ni—P brazing material 24 are combined to form the second intermetallic compound layer 17 on the circuit layer 12 side, P is taken into the second intermetallic compound layer 17. As a result, a Cu—Sn layer 14 (Cu layer) is formed on the ceramic substrate 11 side.
  • the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are joined via the Cu—Sn—Ni—P brazing material 24. Since the Cu—Sn—Ni—P brazing material 24 has a low melting point, the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 can be joined at a relatively low temperature. As a result, the thermal load applied to the ceramic substrate 11 during bonding can be reduced.
  • 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.
  • heating temperature is 650 degrees C or less, it can suppress that the ceramic substrate 11 heat-deteriorates.
  • the thermal stress generated in the ceramic substrate 11 can be reduced.
  • the heating temperature is set in the range of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
  • the heating temperature may be set within a range of 630 ° C. or more and 650 ° C. or less.
  • the pressure applied to the laminated ceramic substrate 11 or the like is 1 kgf / cm 2 (0.10 MPa) or more, the liquid between the ceramic substrate 11 and the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 Since the phases can be brought into close contact with each other, 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.
  • the pressure applied to the laminated ceramic substrate 11 and the like is set 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) ing.
  • this pressure may be set to 3 kgf / cm 2 or more 18 kgf / cm 2 or less (0.29 MPa or more 1.77MPa or less).
  • the heating time when the heating time is 30 minutes or longer, P and Ti foil 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 used. Since a sufficient time for bonding with Ti contained in is ensured, a Cu—Sn layer can be reliably formed on the ceramic substrate 11 side. Further, when 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. Further, even when the heating time exceeds 360 minutes, the bonding property between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 is not improved more than when the heating time is 360 minutes.
  • the heating time is set within a range of 30 minutes to 360 minutes.
  • the heating time may be 30 minutes or more and 150 minutes or less.
  • the surface where Ti foil 25 and Cu board 22 are joined is made into the smooth surface beforehand, it can suppress that a clearance gap produces in a joining interface, and Ti foil 25 and Cu board 22 are joined reliably. can do.
  • the circuit layer 12 made of the Cu plate 22 is formed on the first surface of the ceramic substrate 11.
  • the heat from can be spread and dissipated to the ceramic substrate 11 side.
  • the Cu plate 22 has a large deformation resistance, the deformation of the circuit layer 12 is suppressed when a heat cycle is applied. As a result, the deformation of the bonding layer 2 that bonds the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 can be suppressed, and the bonding reliability 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 one surface (upper surface in FIG. 6) of the circuit layer 112 via a bonding layer 2.
  • the semiconductor element 3 is joined, and a heat sink 130 is provided on the other side (lower side in FIG. 6) of the power module substrate 110.
  • the power module substrate 110 includes a ceramic substrate 11 and a circuit layer 112 (Cu member) disposed on a first surface (upper surface in FIG. 7) that is one surface of the ceramic substrate 11. And a metal layer 113 (Cu member) disposed on the second surface (the lower surface in FIG. 7) which is the other surface of the ceramic substrate 11.
  • the circuit layer 112 has a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 (Cu—P brazing material), a Ti foil 125 (active metal material), no In a state in which Cu plates 122 made of oxygen copper are sequentially laminated, the Cu plates 122 are joined by heat treatment (see FIG. 11).
  • the thickness of the Ti foil 125 is 0.5 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • 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.
  • FIG. 8 shows an electron micrograph of a bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 and a schematic view thereof. As shown in FIG. 8, the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 is located between the Cu—Sn layer 114 located on the ceramic substrate 11 side and between the circuit layer 112 and the Cu—Sn layer 114. An intermetallic compound layer 117 containing P, Ni, and Ti is formed.
  • the Cu—Sn layer 114 is a layer in which Sn is dissolved in Cu.
  • This Cu—Sn layer 114 is a layer formed by incorporating P and Ni contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 into the intermetallic compound layer 117 formed on the circuit layer 112 side. .
  • the intermetallic compound layer 117 is formed by combining P and Ni contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 with Ti contained in the Ti foil 125.
  • the intermetallic compound layer 117 includes one or more of a P—Ni—Ti phase 117a, a P—Ti phase 117b, and a Cu—Ni—Ti phase 117c.
  • the intermetallic compound layer 117 has a P—Ni—Ti phase 117a, a P—Ti phase 117b, and a Cu—Ni—Ti phase 117c, as shown in FIG. That is, in this embodiment, since the Ti foil 125 is thinner than the first embodiment, the Ti layer formed in the first embodiment is not substantially formed. Therefore, in the intermetallic compound layer 117, one or more of the P—Ni—Ti phase 117a, the P—Ti phase 117b, and the Cu—Ni—Ti phase 117c are mixed.
  • the metal layer 113 is formed by bonding a Cu or Cu alloy metal plate to the second surface of the ceramic substrate 11 via a Cu—P brazing material.
  • the metal layer 113 is formed by laminating a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, a Ti foil 125, and a Cu plate 123 having a purity of 99.99% by mass or more on the second surface of the ceramic substrate 11. These are formed by joining the Cu plate 123 by heat treatment (see FIG. 11).
  • 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. 9 shows a schematic diagram of the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113.
  • the Cu—Sn layer 114, the metal layer 113, and the Cu—Sn layer 114 located on the ceramic substrate 11 side.
  • an intermetallic compound layer 117 containing P, Ni, and Ti located on the ceramic substrate 11 side.
  • the intermetallic compound layer 117 has a P—Ni—Ti phase 117a, a P—Ti phase 117b, and a Cu—Ni—Ti phase 117c. That is, 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 Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, a Ti foil 125, and a Cu plate 122 to be a circuit layer 112 are sequentially formed on the first surface (the upper surface in FIG. 11) of the ceramic substrate 11.
  • first lamination step S11 the Cu123 plate that becomes the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, the Ti foil 125, and the metal layer 113 also on the second surface of the ceramic substrate 11 (the lower surface in FIG. 11).
  • second lamination step S12 sequentially laminated.
  • the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is disposed on the ceramic substrate 11 side, and the Ti foil 125 is disposed on the Cu plates 122 and 123 side.
  • the composition of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is Cu-7 mass%, P-15 mass%, Sn-10 mass% Ni, and the thickness is 20 ⁇ m.
  • the Ti foil 125 a Ti foil having a thickness of 1 ⁇ m and a purity of 99.8% is used.
  • the ceramic substrate 11, the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, the Ti foil 125, and the Cu plates 122 and 123 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 (0.10 MPa or more and 3.43 MPa).
  • 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 Cu—P—Sn—Ni brazing filler metal 24 is melted to form a liquid phase, and the Ti foil 125 is melted into this liquid phase, and the liquid phase is solidified.
  • Cu plates 122 and 123 are joined.
  • P and Ni contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 are combined with Ti of the Ti foil 125, and an intermetallic compound layer 117 is formed.
  • a Cu—Sn layer 14 which does not contain P or Ni or has very little P and Ni is formed on the ceramic substrate 11 side.
  • 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, whereby the power module substrate 110 according to this 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.
  • a hard intermetallic compound layer is not formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the Cu—Sn layer 114 at the bonding interface between the ceramic layer 11 and the metal layer 113. Therefore, the bonding rate between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 and between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 is improved, and the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 and the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 can be bonded well.
  • the circuit layer 112 and the metal layer 113 can be simultaneously bonded to the first surface and the second surface of the ceramic substrate 11, the manufacturing cost can be reduced.
  • 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 heat sink 130 since the heat sink 130 is bonded to the metal layer 113, heat can be efficiently dissipated from the heat sink 130.
  • FIG. 12 shows a power module 201 including a power module substrate 210 according to the third embodiment.
  • This 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. 12) of the circuit layer 212 via the bonding layer 2.
  • the semiconductor element 3 that is bonded and the heat sink 230 that is bonded to the other side (lower side in FIG. 12) of the power module substrate 210 via the bonding layer 232 are provided.
  • the power module substrate 210 includes a ceramic substrate 11 and a circuit layer 212 (Cu member) disposed on a first surface (upper surface in FIG. 13) that is one surface of the ceramic substrate 11. And a metal layer 213 (Al member) disposed on the second surface (the lower surface in FIG. 13) which is the other surface of the ceramic substrate 11.
  • the circuit layer 212 is formed by sequentially laminating a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 (Cu—P brazing material), a Ti paste 225, and a Cu plate 222 made of oxygen-free copper on the first surface of the ceramic substrate 11. These are formed by joining the Cu plate 222 by heat treatment (see FIG. 16).
  • the Ti paste 225 is, for example, a paste containing Ti powder (active metal material), a resin, and a solvent.
  • the resin for example, ethyl cellulose, methyl cellulose, polymethyl methacrylate, acrylic resin, alkyd resin, or the like can be used.
  • the solvent for example, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, terpineol, toluene, texanol, triethyl citrate and the like can be used.
  • the Ti powder may have a purity of 99.4% or more, and in this embodiment, the purity is 99.7%.
  • 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 0.3 mm in the third embodiment.
  • a Cu—Sn layer 214 (Cu layer) is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 212.
  • an intermetallic compound 217 containing P, Ni, and Ti is dispersed.
  • the Cu—Sn layer 214 is a layer in which Sn is dissolved in Cu.
  • the Cu—Sn layer 214 is a layer formed by incorporating P and Ni contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 into the intermetallic compound 217.
  • the intermetallic compound 217 is formed by combining P and Ni contained in the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 with Ti of Ti powder.
  • the intermetallic compound 217 has a Cu—Ni—Ti phase 217c, a P—Ti phase 217b, and a P—Ni—Ti phase 217a, as shown in FIG. These phases are formed in an annual ring shape from the inside in order of the Cu—Ni—Ti phase 217c, the P—Ti phase 217b, and the P—Ni—Ti phase 217a so as to surround the Ti particles 218 present in the Cu—Sn layer 214. Is formed.
  • the Ti particles 218 are not present, and only the intermetallic compound 217 is formed in an annual ring shape. Further, the Cu—Ni—Ti phase 217c, the P—Ti phase 217b, and the P—Ni—Ti phase 217a constituting the intermetallic compound 217 formed in an annual ring shape are partially lost and discontinuous. Sometimes.
  • the metal layer 213 is formed by bonding an Al or Al alloy metal plate to the second surface of the ceramic substrate 11.
  • 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. 16).
  • 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 Ti paste 225 is applied to the lower surface (joint surface) of the Cu plate 222 to be the circuit layer 212 by a screen printing method and then dried.
  • a Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 and a Cu plate 222 are sequentially laminated on the first surface (the upper surface in FIG. 16) of the ceramic substrate 11 (first lamination step S21), and the second surface of the ceramic substrate 11 (
  • an Al plate 223 to be the metal layer 213 is sequentially laminated on the lower surface) 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 Ti paste 225 applied and dried on the Cu plate 222 and the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 are arranged so as to overlap each other.
  • the particle size of the Ti powder contained in the Ti paste 225 is set to 5 ⁇ m or more and 40 ⁇ m or less. Moreover, it is preferable that content of Ti powder in Ti paste 225 shall be 40 to 90 mass%.
  • the Ti paste 225 is preferably applied so that the Ti amount is 2 mg / cm 2 or more and 10 mg / cm 2 or less.
  • the drying is preferably performed at 120 ° C. to 150 ° C. for 10 minutes to 30 minutes.
  • 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 composition of the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni, and the thickness is 20 ⁇ m.
  • the ceramic substrate 11, the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24, the Ti paste 225, 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 MPa or more and 3.43 MPa or less)), 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 Cu—P—Sn—Ni brazing filler metal 24 melts to form a liquid phase, and the Ti paste 225 melts and solidifies in this liquid phase, whereby the ceramic substrate 11 and the Cu plate 222 are melted. And 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.
  • 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 method for manufacturing the power module substrate 210 according to the third embodiment having the above-described configuration is performed via the Ti paste 225 containing the Ti powder (active metal material) and the Cu—Sn—Ni—P brazing material 24.
  • the first laminating step S21 for laminating the ceramic substrate 11 and the Cu plate 222 and the heat treatment step S24 for heat treating the laminated ceramic substrate 11 and the Cu plate 222 are provided.
  • the heat treatment step S24 Ti of Ti powder and P and Ni contained in the Cu—Sn—Ni—P brazing material 24 are combined to form an intermetallic compound 217.
  • Cu—Sn layer 214 is formed.
  • the intermetallic compound 217 is dispersed in the Cu—Sn layer 214, and a hard intermetallic compound layer is not formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the Cu—Sn layer 214.
  • the joining rate with the layer 212 is improved, and the ceramic substrate 11 and the circuit layer 212 can be satisfactorily joined.
  • 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 simultaneously bonded to the metal layer 213, thereby simplifying the manufacturing process.
  • the manufacturing time can be shortened and the manufacturing cost can be reduced.
  • the thermal load on the ceramic substrate 11 can be reduced compared to the case where the Cu plate 222 and the Al plate 223 are joined separately. For this reason, it is possible to reduce the warpage of the ceramic substrate 11 and to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11.
  • the thermal stress generated between the power module substrate 210 and the heat sink 230 when a cooling cycle is applied is generated. Absorption by the metal layer 213 and generation of cracks in the ceramic substrate 11 can be suppressed.
  • the metal layer 213 made of the Al plate 223 is formed on the second surface of the ceramic substrate 11, the metal layer 213 absorbs the thermal stress generated between the power module substrate 210 and the heat sink 230 during a heat cycle load. In addition, it is possible to prevent the ceramic substrate 11 from being cracked.
  • the Ti paste 225 is disposed on the Cu plate 222 side and the Cu—P—Sn—Ni brazing material 24 is disposed on the ceramic substrate 11 side.
  • the Cu-P-Sn-Ni brazing material 24 may be disposed on the Cu plate 222 side and disposed on the substrate 11 side.
  • the case where the Ti paste and the Cu—P—Sn—Ni brazing material are disposed between the ceramic substrate and the Cu plate has been described.
  • the present invention is not limited to the Ti paste.
  • Ti powder (active metal material) and Cu—P—Sn brazing material may be arranged between the ceramic substrate and the Cu plate.
  • hydrogenated Ti powder can be used instead of Ti powder.
  • the coating amount is preferably TiH 2 amount is coated to a 0.04 mg / cm 2 or more 8 mg / cm 2 or less. It is more preferable that the 0.5 mg / cm 2 or more 7 mg / cm 2 or less.
  • the particle size of the hydrogenated Ti powder used is preferably 15 ⁇ m or less, and more preferably 5 ⁇ m or less.
  • a foil brazing material is used as the Cu—P—Sn—Ni based brazing material.
  • brazing paste using a Cu—P—Sn—Ni based brazing powder is used. Is also possible. This brazing paste can be produced by using Cu—P—Sn—Ni brazing powder instead of Ti powder in the Ti paste described above.
  • a paste (brazing material-Ti paste) obtained by mixing the brazing material paste and the Ti paste can also be used.
  • the brazing material-Ti paste is preferably applied to at least one of the ceramic substrate and the Cu plate.
  • defatting of Ti paste can also be performed in 1st lamination process S21. In this case, the amount of resin residue contained in the Ti paste is reduced, and the bondability is further improved.
  • the present invention is not limited to this, for example, a transient liquid phase bonding method.
  • TLP Transient Liquid Phase Bonding
  • an additive element such as Si or Cu is fixed to the bonding surface of the Al plate with the ceramic substrate by sputtering or the like to form a fixed layer, and then the ceramic substrate and the Al plate are laminated, The ceramic substrate and the Al plate can be joined by applying pressure in the stacking direction and performing heat treatment.
  • a ceramic substrate and an Al plate can be laminated via a fixing layer as a bonding material, and the Cu plate and the Al plate can be bonded simultaneously.
  • pressure applied in the lamination direction is a 1 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less (0.10 MPa or more 3.43MPa or less).
  • the heating temperature and the heating time in the heat treatment are 600 ° C. or more and 650 ° C. or less, and 30 minutes or more and 360 minutes or less.
  • additive elements such as Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, or Li may be used as the additive element of the fixed layer.
  • the ceramic substrate and the Al plate can be bonded by using a metal paste having metal particles and an organic substance as a bonding material.
  • the metal paste include an Ag paste having Ag particles and an organic substance.
  • an Ag paste is applied to the second surface of the ceramic substrate by a screen printing method or the like, and the ceramic substrate and the Al plate are laminated via the Ag paste and heat treatment is performed, so that the Al plate is formed on the ceramic substrate. Can be joined.
  • pressure applied in the lamination direction is a 1 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less (0.10 MPa or more 3.43MPa or less).
  • the heating temperature and the heating time in the heat treatment are 600 ° C. or more and 650 ° C. or less, and 30 minutes or more and 360 minutes or less.
  • the metal layer and the heat sink are bonded via the Al—Si brazing material.
  • the present invention is not limited to this.
  • the transient liquid phase bonding method (TLP) described above is used.
  • the metal layer and the heat sink may be joined via the fixing layer.
  • the metal layer and the heat sink may be bonded via an Ag paste having Ag particles and an organic substance.
  • the case where the circuit layer is bonded to the first surface of the ceramic substrate and the metal layer is bonded to the second surface at the same time has been described.
  • the circuit layer and the metal layer are separately provided. You may join.
  • Cu member / active metal clad material which arranged the active metal material in one side of Cu member can also be used. Further, an active metal can be disposed on the Cu member by vapor deposition or the like.
  • an active metal / brazing material clad material in which a Cu—P—Sn brazing material is disposed on one surface of the active metal material, a Cu member, an active metal material, and a Cu—P—Sn based brazing material are laminated in this order.
  • Cu member / active metal material / brazing material clad made can be used.
  • the heat sink has a cooling channel
  • the structure of the heat sink is not particularly limited, and for example, an air-cooled heat sink may be used.
  • the heat sink may have a radiation fin.
  • said embodiment demonstrated the case where a heat sink was joined to the other surface of the board
  • the case where the power module substrate and the heat sink are joined with the solder material or the brazing material has been described.
  • grease is applied between the power module substrate and the heat sink and screwed or the like. May be fixed.
  • 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.
  • an active metal material 37 mm ⁇ 37 mm
  • a Cu—P-based brazing foil 37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 40 ⁇ m
  • a Cu plate 37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.3 mm
  • the type of the active metal material was powder
  • a paste containing the active metal powder was applied to a ceramic substrate or a Cu plate by screen printing and laminated.
  • the paste contains an active metal powder having a particle size of 5 to 40 ⁇ m (Ti powder having a purity of 99.8%), an acrylic resin, and texanol.
  • the coating amount was the amount described in Table 2.
  • the arrangement of the active metal material and the Cu—P brazing material was as shown in Tables 1 and 2. In Comparative Example 1, only the Cu—P brazing material was interposed between the ceramic substrate and the Cu plate without interposing the active metal material.
  • the initial bonding rate between the circuit layer and the ceramic substrate was evaluated for the power module substrate obtained as described above.
  • the presence or absence of an active metal layer was confirmed at the bonding interface between the circuit layer and the ceramic substrate.
  • a method for evaluating the bonding rate and a method for confirming the presence or absence of the active metal layer will be described 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), and the bonding rate was calculated from the following equation.
  • 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.
  • 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.
  • An active metal material (37 mm ⁇ 37 mm) having a thickness shown in Table 3 and Table 4 and a Cu—P brazing material on the first and second surfaces of the ceramic substrate (40 mm ⁇ 40 mm) described in Table 3 and Table 4
  • a Cu plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.3 mm) made of foil (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 40 ⁇ m) and oxygen-free copper was 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.
  • Example 2 When the type of active metal material was powder, as in Example 1, a paste containing the active metal powder was applied to a ceramic substrate or a Cu plate by screen printing and laminated.
  • the arrangement of the active metal material and the Cu—P brazing material was as shown in Tables 3 and 4.
  • 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. For the power module substrates of Invention Examples 41 to 49, the presence or absence of an active metal layer was confirmed at the bonding interface between the circuit layer and the ceramic substrate. The evaluation of the bonding rate and the confirmation of the presence or absence of the active metal layer were performed in the same manner as in Example 1. Moreover, the thermal cycle test was done 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 Tables 3 and 4, “> 2000” is described in Tables 3 and 4 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 3 and Table 4.
  • inventive examples 41 to 60 the ceramic substrate and the Cu plate were joined with the Cu—P brazing material and the active metal material interposed. For this reason, it was confirmed that the initial bonding rate between the ceramic substrate and the circuit layer was high and that the ceramic substrate and the circuit layer were bonded well. In addition, it was confirmed that Examples 41 to 60 of the present invention had a high bonding rate after the thermal cycle test and high bonding reliability. Furthermore, it was also confirmed that Examples 41 to 60 of the present invention had a large number of cycles until the ceramic substrate was cracked in the thermal cycle test, and the ceramic substrate was hardly cracked.
  • 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.
  • an active metal material 37 mm ⁇ 37 mm
  • a Cu—P-based brazing foil 37 mm
  • Cu plate 37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.3 mm
  • the thickness was 0.32 mm.
  • an Al plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 1.6 mm) made of Al having a purity of 99.99% was laminated on the second surface of the ceramic substrate through an Al—Si brazing material.
  • the type of active metal material was powder, as in Example 1, a paste containing the active metal powder was applied to a ceramic substrate or a Cu plate by screen printing and laminated.
  • the arrangement of the active metal material and the Cu—P brazing material was as shown in Tables 5 and 6.
  • the circuit layer is formed by joining the Cu plate to the first surface of the ceramic substrate by charging in the vacuum heating furnace in a state pressurized at a pressure of 15 kgf / cm 2 (1.47 MPa) in the laminating direction and heating. Then, an Al plate was bonded to the second surface to form a metal layer.
  • 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 to the conditions shown in Tables 5 and 6. In the case where Zn was contained in the Cu—P brazing material, it was heated in a nitrogen atmosphere instead of being heated in a vacuum heating furnace.
  • 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.
  • the power module substrates of Invention Examples 61 to 69 the presence or absence of an active metal layer was confirmed at the bonding interface between the circuit layer and the ceramic substrate. Evaluation of the joining rate, the cooling / heating cycle test, and confirmation of the presence or absence of the active metal layer were carried out in the same manner as in Example 2. The results of the above evaluation are shown in Tables 5 and 6.
  • the ceramic member and the Cu member can be satisfactorily joined. Therefore, according to the method for manufacturing a joined body and the method for manufacturing a power module substrate according to the present invention, such as a power semiconductor element for high power control used for controlling an electric vehicle such as wind power generation and an electric vehicle. Therefore, it is possible to manufacture a joined body and a power module substrate suitable for a power module having a severe use environment.

Abstract

　本発明の製造方法は、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部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ－Ｐ系ろう材と、活性金属材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記Ｃｕ部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えている。

Description

接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法
　この発明は、セラミックス部材とＣｕ部材とが接合されてなる接合体の製造方法、及びセラミックス基板の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法に関する。
　本願は、２０１３年８月２６日に、日本に出願された特願２０１３－１７５００３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）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板とを接合し回路層を形成すると、セラミックス基板とろう材との接合界面には、Ｃｕ、Ｍｇ、又はＴｉを含む金属間化合物層が厚く形成される。
　このセラミックス基板とろう材との接合界面に形成される金属間化合物層は硬いため、セラミックス基板と回路層との接合率が悪化し、セラミックス基板と回路層とを良好に接合できないおそれがあった。
　この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合することができる接合体の製造方法、及びパワーモジュール用基板の製造方法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の製造方法は、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部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ－Ｐ系ろう材と、活性金属材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記Ｃｕ部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えている。
　本発明の第一の態様に係る接合体の製造方法によれば、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ－Ｐ系ろう材と活性金属材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス部材及び前記Ｃｕ部材を加熱処理する加熱処理工程とを備えているので、加熱処理工程において、Ｃｕ－Ｐ系ろう材に含まれるＰと活性金属材に含まれる活性元素とが結合してＰを含有する金属間化合物が形成され、この金属間化合物にＰが取り込まれることにより、セラミックス部材側にＣｕ層が形成される。このとき、セラミックス部材とＣｕ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス部材とＣｕ部材との接合率が向上し、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合できる。
　また、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ－Ｐ系ろう材は、融点が低いので、比較的低温でセラミックス部材とＣｕ部材とを接合できる。その結果、接合時にセラミックス部材にかかる熱的な負荷を軽減することができる。
　ここで、活性金属材は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有するものとされている。また、活性金属材の形状は、例えば箔や粉末などとされている。
　また、前記セラミックス部材側に前記Ｃｕ－Ｐ系ろう材を配置し、前記Ｃｕ部材側に前記活性金属材を配置することが好ましい。
　この構成では、Ｃｕ部材と活性金属材とを加熱処理することにより、Ｃｕ部材と活性金属材とを固相拡散によって接合することができる。したがって、Ｃｕ－Ｐ系ろう材の融液が凝固することで、確実にセラミックス部材とＣｕ部材とを接合することが可能となる。
　また、前記Ｃｕ－Ｐ系ろう材は、Ｃｕ－Ｐろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｚｎろう材の中から選択されるいずれか１種とされていることが好ましい。
　このようなろう材を用いた場合、ろう材の融点が低いので、低温条件でも確実にセラミックス部材とＣｕ部材との接合を行うことができる。また、セラミックス部材とＣｕ部材の接合時において、ろう材に含まれるＰなどが活性金属材に含まれる元素と結合して金属間化合物を形成し、セラミックス部材側に、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層を確実に形成することができる。
　また、上述の接合体の製造方法において、前記活性金属材は、Ｔｉを含有することが好ましい。
　この場合、加熱処理工程において、ＴｉとＣｕ－Ｐ系ろう材に含まれるＰとが結合してＰ及びＴｉを含有する金属間化合物が形成され、この金属間化合物にＰが取り込まれることにより、セラミックス部材側にＣｕ層が確実に形成される。したがって、セラミックス部材とＣｕ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されることを確実に抑制し、セラミックス部材とＣｕ部材との接合率を向上させ、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合できる。
　本発明の第二の態様に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の第一面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記回路層とを、上述の接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
　本発明の第二の態様に係るパワーモジュール用基板の製造方法によれば、加熱処理工程において、活性金属材とＰとが結合してＰを含有する金属間化合物が形成され、この金属間化合物にＰが取り込まれることにより、セラミックス基板側にＣｕ層が形成される。このとき、セラミックス基板とＣｕ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板と回路層との接合率が向上し、セラミックス基板と回路層とを良好に接合できる。
　また、Ｃｕ－Ｐ系ろう材は融点が低く、比較的低温でセラミックス基板の第一面に回路層を形成することができるので、回路層の形成時にセラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
　また、本発明の第三の態様に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の第一面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、第二面にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記回路層、及び前記セラミックス基板と前記金属層を上述の接合体の製造方法によって接合する構成とされても良い。
　この構成では、セラミックス基板の第一面及び第二面において、活性金属材とＣｕ－Ｐ系ろう材に含まれるＰとが結合してＰを含有する金属間化合物が形成されることによりＣｕ層が形成され、セラミックス基板とＣｕ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されない。このため、セラミックス基板と回路層との接合率、及びセラミックス基板と金属層との接合率が向上し、セラミックス基板と回路層、及びセラミックス基板と金属層とを良好に接合することができる。
　また、比較的低温で、セラミックス基板の第一面に回路層を、第二面に金属層を形成することができるので、セラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
　また、このパワーモジュール用基板の製造方法においては、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、同時に形成できる。その結果、セラミックス基板にかかる熱的な負荷を低減するとともに、製造コストを低減することも可能である。
　また、本発明の第四の態様に係るパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の第一面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、第二面にＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記回路層とを上述の接合体の製造方法によって接合する構成とされても良い。
　また、比較的低温でセラミックス基板の第一面に回路層を、第二面に金属層を形成することができるので、セラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
　本発明の第四の態様に係るパワーモジュール用基板の製造方法においても、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形成でき、セラミックス基板にかかる熱的な負荷を低減するとともに、製造コストを低減することも可能である。
　本発明によれば、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合することができる接合体の製造方法、及びパワーモジュール用基板の製造方法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。 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。 図１３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の製造方法は、セラミックス基板１１（セラミックス部材）と回路層１２（Ｃｕ部材）とを接合することにより、接合体としてパワーモジュール用基板１０を製造するものである。図１に、本実施形態に係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）、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）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）が、活性金属材及びＣｕ－Ｐ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。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の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
　ここで、本実施形態において、Ｃｕ－Ｐ系ろう材のＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下とされている。以下に、Ｐの含有量が３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下に設定されている理由について説明する。
（Ｐ：３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下）
　Ｐは、ろう材の融点を低下させる作用効果を有する元素である。また、このＰは、Ｐが酸化することで発生するＰ酸化物によりろう材表面を覆うことで、ろう材の酸化を防止するとともに、溶融したろう材の表面を流動性の良いＰ酸化物が覆うことで、ろう材の濡れ性を向上させる作用効果を有する元素である。
　Ｐの含有量が３ｍａｓｓ％未満では、ろう材の融点を低下させる効果が十分に得られず、ろう材の融点が上昇したり、ろう材の流動性が不足し、セラミックス基板１１と回路層１２との接合性が低下したりするおそれがある。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％超では、脆い金属間化合物が多く形成され、セラミックス基板１１と回路層１２との接合性や接合信頼性が低下するおそれがある。
　このような理由からＣｕ－Ｐ系ろう材に含まれるＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定されている。Ｐの含有量のより好ましい範囲は６ｍａｓｓ％以上９ｍａｓｓ％以下である。
　ここで、Ｃｕ－Ｐ系ろう材においては、Ｓｎを０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下含有していても良い。また、Ｃｕ－Ｐ系ろう材は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を、合計で２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下含有していても良い。さらに、Ｃｕ－Ｐ系ろう材は、Ｚｎを０．５ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下含有していても良い。以下に、これらの元素を含有する場合、その含有量が上述の範囲内に設定されている理由について説明する。
（Ｓｎ：０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下）
　Ｓｎは、ろう材の融点を低下させる作用効果を有する元素である。
　Ｓｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の融点を確実に低くすることができる。また、Ｓｎの含有量が２５ｍａｓｓ％以下では、ろう材の低温脆化を抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。
　このような理由からＣｕ－Ｐ系ろう材にＳｎを含有させる場合、その含有量は０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定されている。
（Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ：２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下）
　Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎは、セラミックス基板１１とろう材との界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制する作用効果を有する元素である。
　Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が合計で２ｍａｓｓ％以上では、セラミックス基板１１とろう材との接合界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制することができ、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性が向上する。また、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が合計で２０ｍａｓｓ％以下では、ろう材の融点が上昇することを抑制し、ろう材の流動性が低下することを抑えることができる。その結果、セラミックス基板１１と回路層１２との接合性を向上させることができる。
　このような理由からＣｕ－Ｐ系ろう材にＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を含有させる場合、それらの合計の含有量は２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定されている。
（Ｚｎ：０．５ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下）
　Ｚｎは、ろう材の耐酸化性を向上させる作用効果を有する元素である。
　Ｚｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の耐酸化性を十分に確保し、接合性を向上させることができる。また、Ｚｎの含有量が５０ｍａｓｓ％以下では、脆い金属間化合物が多く形成されることを防止し、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を確保することができる。
　このような理由からＣｕ－Ｐ系ろう材にＺｎを含有させる場合、その含有量は０．５ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲内に設定されている。
　Ｃｕ－Ｐ系のろう材として、具体的には、Ｃｕ－Ｐろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｚｎ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｃｒ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｆｅ系ろう材などが挙げられる。本実施形態では、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４を用いている。
　また、本実施形態で用いるＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４の組成は、具体的には、Ｃｕ－７ｍａｓｓ％Ｐ－１５ｍａｓｓ％Ｓｎ－１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされている。ここで、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４は箔状であり、その厚さは、５μｍ以上１５０μｍ以下とされている。
　活性金属材は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有するものとされている。また、活性金属材の形状は、箔や粉末などとされている。
　第一実施形態では、活性金属材として、Ｔｉ箔２５を用いており、Ｔｉ箔２５の厚さは、６μｍ以上２５μｍ以下とされている。また、Ｔｉ箔２５は純度９９．４％以上としても良く、本実施形態では純度９９．８％のＴｉ箔を用いている。
　すなわち、第一実施形態において、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箔２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２を積層した状態で、これらを加熱処理することによって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（Ｃｕ層）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。
　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。
　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。
　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。
　なお、本実施形態においては、厚さ２０μｍのＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、及び厚さ７μｍ、純度９９．８％のＴｉ箔２５を用いる。
　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。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。ここで、固相拡散接合されるＴｉ箔２５とＣｕ板２２との接合面は、予め平滑な面とされている。
　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のパワーモジュール用基板１０の製造方法は、Ｔｉ箔２５（活性金属材）及びＣｕ－Ｓｎ－Ｎｉ－Ｐろう材２４（Ｃｕ－Ｐ系ろう材）を介して、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを積層する積層工程Ｓ０１と、積層されたセラミックス基板１１及びＣｕ板２２を加熱処理する加熱処理工程Ｓ０２とを備えている。このため、加熱処理工程Ｓ０２において、Ｔｉ箔２５とＣｕ－Ｓｎ－Ｎｉ－Ｐろう材２４に含まれるＰ及びＮｉとが結合して回路層１２側に第二金属間化合物層１７が形成され、この第二金属間化合物層１７にＰが取り込まれる。その結果、セラミックス基板１１側にＣｕ－Ｓｎ層１４（Ｃｕ層）が形成される。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ－Ｓｎ層１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板１１と回路層１２との接合率が向上し、セラミックス基板１１と回路層１２とを良好に接合できる。
　また、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｎｉ－Ｐろう材２４を介してセラミックス基板１１と回路層１２とを接合している。このＣｕ－Ｓｎ－Ｎｉ－Ｐろう材２４は、融点が低いので、比較的低温でセラミックス基板１１と回路層１２とを接合できる。その結果、接合時にセラミックス基板１１にかかる熱的な負荷を軽減することができる。
　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。これとともに、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。なお、加熱温度は６３０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定されても良い。
　また、加熱処理工程Ｓ０２において、積層されたセラミックス基板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、積層されたセラミックス基板１１等に加えられる圧力は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。なお、この圧力は３ｋｇｆ／ｃｍ２以上１８ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．２９ＭＰａ以上１．７７ＭＰａ以下）に設定されても良い。
　さらに、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。なお、加熱時間を３０分以上１５０分以下としても良い。
　また、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２との接合される面は、予め平滑な面とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制でき、Ｔｉ箔２５とＣｕ板２２とを確実に接合することができる。
　また、本実施形態に係る方法で製造したパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１によれば、セラミックス基板１１の第一面に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は変形抵抗が大きいので、ヒート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の変形を抑制でき、接合信頼性を向上できる。
（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６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６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（Ｃｕ部材）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（Ｃｕ部材）とを備えている。
　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（Ｃｕ－Ｐ系ろう材）、Ｔｉ箔１２５（活性金属材）、無酸素銅からなるＣｕ板１２２を順に積層した状態で、これらを加熱処理することによってＣｕ板１２２を接合することで形成されている（図１１参照）。ここで、第二実施形態において、Ｔｉ箔１２５の厚さは、０．５μｍ以上５μｍ以下とされている。
　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。
　図８に、セラミックス基板１１と回路層１１２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１１２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１１４と、回路層１１２とＣｕ－Ｓｎ層１１４との間に位置しＰ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物層１１７と、が形成されている。
　Ｃｕ－Ｓｎ層１１４は、ＳｎがＣｕ中に固溶した層である。このＣｕ－Ｓｎ層１１４は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、回路層１１２側に形成された金属間化合物層１１７に取り込まれることにより形成される層である。
　金属間化合物層１１７は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ箔１２５に含まれるＴｉと結合することにより形成される。金属間化合物層１１７は、Ｐ－Ｎｉ－Ｔｉ相１１７ａと、Ｐ－Ｔｉ相１１７ｂと、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｔｉ相１１７ｃのいずれか一種以上を有する。
　本実施形態において、金属間化合物層１１７は、図８に示すように、Ｐ－Ｎｉ－Ｔｉ相１１７ａと、Ｐ－Ｔｉ相１１７ｂと、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｔｉ相１１７ｃとを有している。
　すなわち、本実施形態では、第一実施形態よりもＴｉ箔１２５が薄いので、第一実施形態で形成されたＴｉ層が実質的に形成されていない。そのため、金属間化合物層１１７において、Ｐ－Ｎｉ－Ｔｉ相１１７ａと、Ｐ－Ｔｉ相１１７ｂと、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｔｉ相１１７ｃのうち１以上の相が混在することとなる。
　金属層１１３は、セラミックス基板１１の第二面に、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板が、Ｃｕ－Ｐ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箔１２５、純度９９．９９質量％以上のＣｕ板１２３を積層した状態で、これらを加熱処理することによってＣｕ板１２３を接合することで形成されている（図１１参照）。
　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９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。本実施形態においては、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面には、図９に示すように、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ－Ｓｎ層１１４と、金属層１１３とＣｕ－Ｓｎ層１１４との間に位置し、Ｐ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物層１１７と、が形成されている。この金属間化合物層１１７は、Ｐ－Ｎｉ－Ｔｉ相１１７ａと、Ｐ－Ｔｉ相１１７ｂと、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｔｉ相１１７ｃとを有している。
　すなわち、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１０のフロー図及び図１１を参照して説明する。
　まず、図１１に示すように、セラミックス基板１１の第一面（図１１において上面）に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔１２５、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）とともに、セラミックス基板１１の第二面（図１１において下面）にも、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔１２５、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１２５を配置している。なお、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とし、厚さは２０μｍとする。また、Ｔｉ箔１２５として、厚さ１μｍ、純度９９．８％のＴｉ箔を用いる。
　次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉ箔１２５、及びＣｕ板１２２、１２３を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（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分以下の範囲内に設定している。
　この加熱処理工程Ｓ１３においては、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相にＴｉ箔１２５が溶け込み、液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２、１２３とが接合される。このとき、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４中に含まれるＰ及びＮｉは、Ｔｉ箔１２５のＴｉと結合し、金属間化合物層１１７が形成される。それとともに、セラミックス基板１１側には、Ｐ及びＮｉを含まない若しくは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１１２が形成され、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本実施形態のパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、第一実施形態で説明したように、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面、及びセラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面において、セラミックス基板１１とＣｕ－Ｓｎ層１１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されない。そのため、セラミックス基板１１と回路層１１２、及びセラミックス基板１１と金属層１１３との接合率が向上し、セラミックス基板１１と回路層１１２、及びセラミックス基板１１と金属層１１３を良好に接合できる。
　また、セラミックス基板１１の第一面に回路層１１２を、第二面に金属層１１３を同時に接合することができるので、製造コストを低減できる。
　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。
　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。
（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１２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１２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１２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１３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１３において上面）に配設された回路層２１２（Ｃｕ部材）と、セラミックス基板１１の他方の面である第二面（図１３において下面）に配設された金属層２１３（Ａｌ部材）とを備えている。
　回路層２１２は、セラミックス基板１１の第一面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４（Ｃｕ－Ｐ系ろう材）、Ｔｉペースト２２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２２を順に積層した状態で、これらを加熱処理することによってＣｕ板２２２を接合することで形成されている（図１６参照）。ここで、Ｔｉペースト２２５は、例えば、Ｔｉ粉末（活性金属材）と、樹脂と、溶剤とを含有するペーストである。
　樹脂としては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いることができる。また、溶剤としては、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、トルエン、テキサノ－ル、トリエチルシトレート等を用いることができる。
　また、Ｔｉ粉末は純度９９．４％以上としても良く、本実施形態では純度９９．７％としている。
　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、０．３ｍｍ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、図１４に示すように、Ｃｕ－Ｓｎ層２１４（Ｃｕ層）が形成されている。そして、このＣｕ－Ｓｎ層２１４には、Ｐ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物２１７が分散している。
　Ｃｕ－Ｓｎ層２１４は、ＳｎがＣｕ中に固溶した層である。このＣｕ－Ｓｎ層２１４は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、金属間化合物２１７に取り込まれることにより形成される層である。
　金属間化合物２１７は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ粉末の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、金属間化合物２１７は、図１４に示すように、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｔｉ相２１７ｃ、Ｐ－Ｔｉ相２１７ｂ、Ｐ－Ｎｉ－Ｔｉ相２１７ａと、を有している。これらの相は、Ｃｕ－Ｓｎ層２１４中に存在するＴｉ粒子２１８を囲うようにＣｕ－Ｎｉ－Ｔｉ相２１７ｃ、Ｐ－Ｔｉ相２１７ｂ、及びＰ－Ｎｉ－Ｔｉ相２１７ａが、内側から順に年輪状に形成されている。なお、このＴｉ粒子２１８が存在せず、金属間化合物２１７のみが年輪状に形成されているものも存在する。
　また、この年輪状に形成された金属間化合物２１７を構成するＣｕ－Ｎｉ－Ｔｉ相２１７ｃ、Ｐ－Ｔｉ相２１７ｂ、及びＰ－Ｎｉ－Ｔｉ相２１７ａは、一部消失し不連続となっていることもある。
　金属層２１３は、セラミックス基板１１の第二面に、Ａｌ又はＡｌ合金の金属板が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１６参照）。
　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１５のフロー図及び図１６を参照して説明する。
　まず、図１６に示すように、回路層２１２となるＣｕ板２２２の下面（接合面）に、スクリーン印刷法によりＴｉペースト２２５を塗布した後、乾燥させる。セラミックス基板１１の第一面（図１６において上面）に、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｃｕ板２２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ２１）とともに、セラミックス基板１１の第二面（図１６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）。ここで、第一積層工程Ｓ２１においては、Ｃｕ板２２２に塗布及び乾燥させたＴｉペースト２２５とＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４とが重なるように配置する。
　本実施形態においては、このＴｉペースト２２５に含有されるＴｉ粉の粒径は、５μｍ以上４０μｍ以下とされている。また、Ｔｉペースト２２５中のＴｉ粉の含有量は４０質量％以上９０質量％以下とすることが好ましい。
　また、Ｔｉペースト２２５は、Ｔｉ量が２ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下となるように塗布することが望ましい。
　また、乾燥は１２０℃以上１５０℃以下で、１０分以上３０分以下の範囲で行うことが好ましい。
　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、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とし、厚さは２０μｍである。
　次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４、Ｔｉペースト２２５、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（０．１０ＭＰａ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、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相にＴｉペースト２２５が溶け込み、凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板２２２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の製造方法は、Ｔｉ粉末（活性金属材）を含有するＴｉペースト２２５及びＣｕ－Ｓｎ－Ｎｉ－Ｐろう材２４を介して、セラミックス基板１１とＣｕ板２２２とを積層する第一積層工程Ｓ２１と、積層されたセラミックス基板１１及びＣｕ板２２２を加熱処理する加熱処理工程Ｓ２４とを備えている。このため、加熱処理工程Ｓ２４において、Ｔｉ粉末のＴｉとＣｕ－Ｓｎ－Ｎｉ－Ｐろう材２４に含まれるＰ及びＮｉとが結合して金属間化合物２１７が形成され、この金属間化合物２１７にＰが取り込まれることにより、Ｃｕ－Ｓｎ層２１４が形成される。このとき、金属間化合物２１７は、Ｃｕ－Ｓｎ層２１４中に分散しており、セラミックス基板１１とＣｕ－Ｓｎ層２１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されないので、セラミックス基板１１と回路層２１２との接合率が向上し、セラミックス基板１１と回路層２１２とを良好に接合できる。
　また、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に同時に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化するとともに製造に要する時間を短縮し、製造コストを低減できる。さらに、一回の加熱処理でＣｕ板２２２とＡｌ板２２３を接合できるので、Ｃｕ板２２２とＡｌ板２２３を別々に接合する場合と比較して、セラミックス基板１１にかかる熱負荷を低減できる。そのため、セラミックス基板１１の反りを小さくしたり、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制したりすることが可能となる。
　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、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によって吸収し、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、セラミックス基板１１の第二面にＡｌ板２２３からなる金属層２１３が形成されているので、ヒートサイクル負荷時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によって吸収し、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。
　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、第三実施形態においては、Ｔｉペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法を用いる場合について説明したが、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。
　また、第三実施形態においては、Ｔｉペースト２２５をＣｕ板２２２側に配置し、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４をセラミックス基板１１側に配置する場合について説明したが、Ｔｉペースト２２５をセラミックス基板１１側に配置し、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材２４をＣｕ板２２２側に配置する構成としても良い。
　また、第三実施形態においては、ＴｉペーストとＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材とを、セラミックス基板とＣｕ板との間に配置する場合について説明したが、Ｔｉペーストに限定されるものではなく、例えば、Ｔｉ粉末（活性金属材）とＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材とをセラミックス基板とＣｕ板との間に配置する構成とされても良い。また、Ｔｉ粉の代わりに水素化Ｔｉ粉を用いることもできる。水素化Ｔｉ粉末を用いたＴｉペーストの場合、その塗布量は、ＴｉＨ２量が０．０４ｍｇ／ｃｍ２以上８ｍｇ／ｃｍ２以下となるように塗布することが望ましい。また、０．５ｍｇ／ｃｍ２以上７ｍｇ／ｃｍ２以下とすることがより好ましい。用いられる水素化Ｔｉ粉末の粒径は１５μｍ以下が好ましく、また、より好ましくは５μｍ以下であるとよい。
　また、第三実施形態においては、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材として箔状のろう材を用いたが、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材の粉末を用いたろう材ペーストを用いることも可能である。このろう材ペーストは、上述したＴｉペーストにおいて、Ｔｉ粉の代わりにＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材の粉末を用いることで作製することができる。
　また、第三実施形態においては、前記ろう材ペーストとＴｉペーストとを混合したペースト（ろう材－Ｔｉペースト）を用いることもできる。この場合、ろう材－Ｔｉペーストはセラミックス基板とＣｕ板の少なくともどちらか一方に塗布するとよい。
　さらに、第三実施形態においては、第一積層工程Ｓ２１において、Ｔｉペーストの脱脂を行うこともできる。この場合、Ｔｉペーストに含有されている樹脂の残渣量が減り、接合性がより向上する。
　なお、上記実施の形態では、接合材としてＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介してセラミックス基板とＡｌ板を接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｂｏｎｄｉｎｇ、ＴＬＰ）を適用して接合しても良い。過渡液相接合法では、Ａｌ板のうちセラミックス基板との接合面に、スパッタリング法などによってＳｉ、Ｃｕ等の添加元素を固着して固着層を形成した後に、セラミックス基板とＡｌ板を積層し、積層方向に加圧し、加熱処理を行うことでセラミックス基板とＡｌ板を接合することができる。すなわち、過渡液相接合法では、接合材として固着層を介してセラミックス基板とＡｌ板を積層し、Ｃｕ板とＡｌ板とを同時に接合することができる。
　過渡液相接合法において、積層方向に加圧する際の圧力は、１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．１０ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下）とされている。また、加熱処理における加熱温度及び加熱時間は、６００℃以上６５０℃以下、３０分以上３６０分以下とされている。
　なお、固着層の添加元素として、Ｓｉ、Ｃｕの他に、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｇａ、又はＬｉ等の添加元素を用いても良い。
　また、接合材として金属粒子と有機物とを有する金属ペーストを用いることでセラミックス基板とＡｌ板を接合することもできる。金属ペーストとしては、例えばＡｇ粒子と有機物とを有するＡｇペーストが挙げられる。具体的には、セラミックス基板の第二面に、スクリーン印刷法などによってＡｇペーストを塗布し、Ａｇペーストを介してセラミックス基板とＡｌ板を積層し加熱処理を行うことで、Ａｌ板をセラミックス基板に接合できる。Ａｇペーストを用いて接合する場合、積層方向に加圧する際の圧力は、１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．１０ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下）とされている。また、加熱処理における加熱温度及び加熱時間は、６００℃以上６５０℃以下、３０分以上３６０分以下とされている。
　また、上記の実施形態では、金属層とヒートシンクとをＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介して接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば上述した過渡液相接合法（ＴＬＰ）を適用し、固着層を介して金属層とヒートシンクとを接合しても良い。また、Ａｇ粒子と有機物とを有するＡｇペーストを介して金属層とヒートシンクとを接合しても良い。
　また、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、第一実施形態及び第二実施形態では、Ｔｉ箔を用いる場合について説明したが、Ｃｕ部材の一方の面に活性金属材を配設したＣｕ部材／活性金属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活性金属を配設し、用いることもできる。
　さらに、活性金属材の一方の面にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材を配設した活性金属材／ろう材クラッド材や、Ｃｕ部材、活性金属材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ系ろう材の順に積層されたＣｕ部材／活性金属材／ろう材クラッドを用いることができる。
　さらに、ヒートシンクとして冷却用の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、例えば空冷方式のヒートシンクであってもよい。また、ヒートシンクは、放熱フィンを有していても良い。
　また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板の他方の面にヒートシンクを接合する場合について説明したが、ヒートシンクは接合されていなくても良い。
　また、上記の実施形態では、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。
（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及び表２記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の第一面に、表１及び表２に示す厚さを有する活性金属材（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、Ｃｕ－Ｐ系ろう材箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ４０μｍ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を積層した。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。
　なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はＣｕ板に塗布し積層した。ここで、ペーストは、粒径５～４０μｍの活性金属材の粉末（純度９９．８％のＴｉ粉末）と、アクリル樹脂と、テキサノールとを含有するものとした。塗布量は、表２に記載した量とした。また、活性金属材とＣｕ－Ｐ系ろう材の配置は、表１及び表２に示す配置とした。
　なお、比較例１については、セラミックス基板とＣｕ板との間に活性金属材を介在させずに、Ｃｕ－Ｐ系ろう材のみを介在させる構成とした。
　そして、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は、表１及び表２の条件に設定した。なお、Ｃｕ－Ｐ系ろう材にＺｎが含まれる場合は、真空加熱炉で加熱するのではなく、窒素雰囲気で加熱を行った。
　このようにして、本発明例１～３２、比較例１～３のパワーモジュール用基板を得た。
　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を評価した。また、本発明例１～２１、比較例１～３のパワーモジュール用基板については、回路層とセラミックス基板との接合界面において、活性金属層の有無を確認した。接合率の評価方法、及び活性金属層の有無の確認方法を以下に説明する。
（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、以下の式から接合率を算出した。
　ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積であり、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
（活性金属層の有無の確認方法）
　また、回路層とセラミックス基板との接合界面（積層方向に平行な断面）において、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー、日本電子社製ＪＸＡ－８５３０Ｆ）による活性金属材の元素のマッピングを取得し、活性金属層の有無を確認した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　表１及び表２に示されるように、本発明例１～３２については、Ｃｕ－Ｐ系ろう材及び活性金属材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、活性金属材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。
　また、比較例２及び比較例３は、Ｃｕ－Ｐ系ろう材に含まれるＰの含有量が本発明の範囲外であるため、セラミックス基板と回路層との接合率が、本発明例と比較して劣った。
（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３及び表４記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の第一面及び第二面に、表３及び表４に示す厚さを有する活性金属材（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、Ｃｕ－Ｐ系ろう材箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ４０μｍ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を積層した。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。なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、実施例１と同様に、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はＣｕ板に塗布し積層した。活性金属材とＣｕ－Ｐ系ろう材との配置は、表３及び表４に示す配置とした。
　そして、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３及び表４に示す条件とした。なお、Ｃｕ－Ｐ系ろう材にＺｎが含まれる場合は、真空加熱炉で加熱するのではなく、窒素雰囲気で加熱を行った。
　このようにして本発明例４１～６０のパワーモジュール用基板を得た。
　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した。また、本発明例４１～４９のパワーモジュール用基板については、回路層とセラミックス基板の接合界面において、活性金属層の有無について確認した。
　なお、接合率の評価、及び活性金属層の有無の確認については、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３、４において「＞２０００」と記載した。
　以上の評価の結果を表３及び表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
  
　表３及び表４に示されるように、本発明例４１～６０については、Ｃｕ－Ｐ系ろう材及び活性金属材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４１～６０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４１～６０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。
（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５及び表６記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の第一面に、表５及び表６に示す厚さや組成を有する活性金属材（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、Ｃｕ－Ｐ系ろう材箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ４０μｍ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を積層した。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。なお、活性金属材の種類が粉末の場合は、実施例１と同様に、その活性金属の粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法によってセラミックス基板又はＣｕ板に塗布し積層した。活性金属材とＣｕ－Ｐ系ろう材との配置は、表５及び表６に示す配置とした。
　そして、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５及び表６に示す条件とした。なお、Ｃｕ－Ｐ系ろう材にＺｎが含まれる場合は、真空加熱炉で加熱するのではなく、窒素雰囲気で加熱を行った。
　なお、Ｃｕ－Ｐ系ろう材の温度がＡｌ板の融点を超える場合には、セラミックス基板の第一面に回路層を形成した後に、セラミックス基板の第二面に金属層を形成した。
　以上のようにして本発明例６１～８２のパワーモジュール用基板を得た。
　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した。また、本発明例６１～６９のパワーモジュール用基板については、回路層とセラミックス基板の接合界面において、活性金属層の有無について確認した。接合率の評価、冷熱サイクル試験、及び活性金属層の有無の確認は、実施例２と同様にして実施した。
　以上の評価の結果を表５及び表６に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
  
　表５及び表６に示されるように、本発明例６１～８２については、Ｃｕ－Ｐ系ろう材及び活性金属材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６１～８２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６１～８２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。
　本発明に係る接合体の製造方法、及びパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス部材とＣｕ部材とを良好に接合することができる。そのため、本発明に係る接合体の製造方法、及びパワーモジュール用基板の製造方法によれば、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好適な接合体及びパワーモジュール用基板を製造できる。
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（Ｃｕ部材）
１１３、２１３　金属層（Ｃｕ部材）
２５、１２５　Ｔｉ箔（活性金属材、Ｔｉ材）

Claims (7)

  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部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、
    　Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ－Ｐ系ろう材と、活性金属材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、
    　積層された前記セラミックス部材及び前記Ｃｕ部材を加熱処理する加熱処理工程と、を備えている接合体の製造方法。
  2. 　前記積層工程において、前記セラミックス部材側に前記Ｃｕ－Ｐ系ろう材を配置し、前記Ｃｕ部材側に前記活性金属材を配置する請求項１記載の接合体の製造方法。
  3. 　前記Ｃｕ－Ｐ系ろう材は、Ｃｕ－Ｐろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｚｎろう材の中から選択されるいずれか１種である請求項１又は請求項２に記載の接合体の製造方法。
  4. 　前記活性金属材は、Ｔｉを含有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。
  5. 　セラミックス基板の第一面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
    　前記セラミックス基板と前記回路層とを、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって接合するパワーモジュール用基板の製造方法。
  6. 　セラミックス基板の第一面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、第二面にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
    　前記セラミックス基板と前記回路層、及び前記セラミックス基板と前記金属層を請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって接合するパワーモジュール用基板の製造方法。
  7. 　セラミックス基板の第一面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、第二面にＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
    　前記セラミックス基板と前記回路層とを請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体の製造方法によって接合するパワーモジュール用基板の製造方法。
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