WO2015046280A1 - Ｃｕ／セラミックス接合体、Ｃｕ／セラミックス接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板 - Google Patents

Abstract

　本発明のＣｕ／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、ＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス部材とが、Ａｇ及びＴｉを含む接合材を用いて接合されたＣｕ／セラミックス接合体であって、前記銅部材とセラミックス部材との接合界面には、Ｔｉ窒化物又はＴｉ酸化物からなるＴｉ化合物層が形成されており、このＴｉ化合物層内にＡｇ粒子が分散されている。

Description

Ｃｕ／セラミックス接合体、Ｃｕ／セラミックス接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板

　この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材とＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス部材とが接合されてなるＣｕ／セラミックス接合体、このＣｕ／セラミックス接合体の製造方法、及び、このＣｕ／セラミックス接合体からなるパワーモジュール用基板に関する。
　本願は、２０１３年９月３０日に、日本に出願された特願２０１３－２０４０６０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、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、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）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた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。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成されたものも提供されている。

　例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合したパワーモジュール用基板が提案されている。このＤＢＣ法は、銅と銅酸化物との共晶反応を利用することにより、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせ、銅板とセラミックス基板とを接合している。

　また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置した状態で、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている（いわゆる活性金属ろう付け法）。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるＴｉが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合される。

日本国特開平０４－１６２７５６号公報 日本国特許第３２１１８５６号公報

　しかしながら、特許文献１に開示されているように、ＤＢＣ法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を１０６５℃以上（銅と銅酸化物との共晶点温度以上）にする必要がある。このため、ＤＢＣ法では、接合時にセラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。
　また、特許文献２に開示されているように、活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を９００℃と比較的高温にする必要がある。このため、活性金属ろう付け法においても、セラミックス基板が劣化してしまうといった問題があった。ここで、接合温度を低下させると、ろう材がセラミックス基板と十分に反応せず、セラミックス基板と銅板との界面での接合率が低下してしまい、信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができない。

　この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されたＣｕ／セラミックス接合体、このＣｕ／セラミックス接合体の製造方法、及び、このＣｕ／セラミックス接合体からなるパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

　このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の第一の態様に係るＣｕ／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、ＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス部材とが、Ａｇ及びＴｉを含む接合材を用いて接合されたＣｕ／セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、Ｔｉ窒化物又はＴｉ酸化物からなるＴｉ化合物層が形成されており、このＴｉ化合物層内にＡｇ粒子が分散している。

　この構成のＣｕ／セラミックス接合体においては、銅又は銅合金からなる銅部材と、ＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス部材とが、Ａｇ及びＴｉを含む接合材を用いて接合されており、銅部材とセラミックス部材の接合界面にＴｉ化合物層が形成された構造を備える。ここで、セラミックス部材がＡｌＮで構成されている場合には銅部材とセラミックス部材の接合界面にＴｉ窒化物からなるＴｉ化合物層が形成されている。また、セラミックス部材がＡｌ_２Ｏ_３で構成されている場合には銅部材とセラミックス部材の接合界面にＴｉ酸化物からなるＴｉ化合物層が形成される。これらのＴｉ化合物層は、接合材のＴｉとセラミックス部材中の酸素又は窒素とが反応することにより形成される。

　そして、本発明の第一の態様に係るＣｕ／セラミックス接合体は、このＴｉ化合物層内にＡｇ粒子が分散している。このＡｇ粒子は、ＡｇとＡｌとの共晶反応によって生じた液相中において、Ｔｉと窒素又は酸素とが反応して上述のＴｉ化合物層が形成される過程で生成したものであると推測される。すなわち、ＡｇとＡｌとの共晶点温度（５６７℃）以上の低温条件で保持することによってＴｉ化合物が生成しやすく、上述のＴｉ化合物層が十分に形成される。この結果、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されたＣｕ／セラミックス接合体を得ることができる。

　ここで、本発明の第一の態様に係るＣｕ／セラミックス接合体においては、前記Ｔｉ化合物層のうち前記セラミックス部材との界面から５００ｎｍまでの界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．３原子％以上とされていてもよい。
　この場合、Ｔｉ化合物層にＡｇ粒子が十分に分散していることになり、Ｔｉ化合物の生成が促進され、Ｔｉ化合物層が十分に形成される。この結果、銅部材とセラミックス部材とが強固に接合される。

　また、本発明の第一の態様に係るＣｕ／セラミックス接合体は、前記Ｔｉ化合物層内に分散する前記Ａｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている構成とされてもよい。
　この場合、Ｔｉ化合物層内に分散するＡｇ粒子は、粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下と比較的微細であり、Ｔｉと窒素又は酸素とが反応して上述のＴｉ化合物層が形成される過程で生成したものであることから、Ｔｉ化合物の生成が促進されてＴｉ化合物層が十分に形成される。この結果、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されたＣｕ／セラミックス接合体を得ることが可能となる。

　さらに、本発明の第一の態様に係るＣｕ／セラミックス接合体においては、前記接合材はさらにＣｕを含有しており、前記Ｔｉ化合物層内にＣｕ粒子が分散されている構成としてもよい。
　この場合、接合材は、ＡｇとＴｉの他にＣｕも含有しており、Ｔｉ化合物層内にＣｕ粒子が分散しているので、セラミックス部材の表面にＴｉ化合物層が十分に形成される。この結果、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されたＣｕ／セラミックス接合体を得ることができる。

　本発明の第二の態様に係るＣｕ／セラミックス接合体の製造方法は、上述したＣｕ／セラミックス接合体を製造する方法であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間にＡｇ及びＴｉを含む接合材を介在させた状態で、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程と、前記低温保持工程の後に、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上の温度に加熱して前記接合材を溶融する加熱工程と、前記加熱工程の後に、冷却を行って溶融した前記接合材を凝固させて前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する冷却工程と、を備えている。

　この構成のＣｕ／セラミックス接合体の製造方法によれば、前記銅部材と前記セラミックス部材との間にＡｇ及びＴｉを含む接合材を介在させた状態で、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程を備えているので、この低温保持工程により、銅部材とセラミックス部材との界面にＡｌとＡｇの共晶反応による液相が生じる。この反応に用いられるＡｌは、セラミックス部材を構成するＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３から供給され、接合材に含有されるＴｉと窒素又は酸素が反応することで、セラミックス部材の表面にＴｉ化合物層が形成される。なお、この過程において、Ｔｉ化合物層内にＡｇ粒子が分散される。
　ここで、低温保持工程における保持温度がＡｇとＡｌの共晶点温度以上とされているので、銅部材とセラミックス部材との界面にＡｌとＡｇの共晶反応による液相を確実に生成することができる。また、低温保持工程における保持温度がＡｇとＣｕの共晶点温度未満とされているので、ＡｇがＣｕとの反応によって消費されることなく、Ａｌと反応するＡｇを確保することができる。この結果、ＡｌとＡｇの共晶反応による液相を確実に生成することができる。

　そして、この低温保持工程の後に、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上の温度に加熱して前記接合材を溶融する加熱工程と、冷却を行って溶融した前記接合材を凝固させて前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する冷却工程と、を備えている。その結果、加熱工程における加熱温度を低温条件としても、Ｔｉ化合物層が十分に形成された状態で接合材を溶融することになり、セラミックス部材と銅部材とを確実に接合することができる。

　ここで、本発明の第二の態様に係るＣｕ／セラミックス接合体の製造方法においては、前記低温保持工程における保持時間が３０分以上５時間以下の範囲内とされていることが好ましい。
　この場合、低温保持工程における保持時間が３０分以上とされているので、Ｔｉ化合物層が十分に形成され、セラミックス部材と銅部材とを確実に接合することが可能となる。
一方、低温保持工程における保持時間が５時間以下とされているので、エネルギー消費量を削減することができる。

　また、本発明の第二の態様に係るＣｕ／セラミックス接合体の製造方法においては、前記加熱工程における加熱温度が７９０℃以上８３０℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
　この場合、加熱工程における加熱温度が７９０℃以上８３０℃以下と比較的低温に設定されているので、接合時におけるセラミックス部材への熱負荷を軽減でき、セラミックス部材の劣化を抑制することができる。また、上述のように、低温保持工程を有しているので、加熱工程における加熱温度が比較的低温であっても、セラミックス部材と銅部材とを確実に接合することができる。

　本発明の第三の態様に係るパワーモジュール用基板は、ＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されたパワーモジュール用基板であって、上述のＣｕ／セラミックス接合体で構成されている。
　この構成のパワーモジュール用基板によれば、上述のＣｕ／セラミックス接合体で構成されているので、低温条件で接合することによりセラミックス基板への熱負荷を軽減でき、セラミックス基板の劣化を抑制することができる。また、低温条件で接合した場合であっても、セラミックス基板と銅板とを確実に接合させ、接合信頼性を確保することができる。なお、セラミックス基板の表面に接合された銅板は、回路層あるいは金属層として用いられる。

　本発明によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されたＣｕ／セラミックス接合体、このＣｕ／セラミックス接合体の製造方法、及び、このＣｕ／セラミックス接合体からなるパワーモジュール用基板を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態であ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１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 低温保持工程におけるＴｉ化合物層の形成過程を示す模式説明図である。 本発明の第２の実施形態であ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２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 低温保持工程におけるＴｉ化合物層の形成過程を示す模式説明図である。 本発明の第３の実施形態であ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３の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 低温保持工程におけるＴｉ化合物層の形成過程を示す模式説明図である。 本発明例１のＣｕ／セラミックス接合体における断面の反射電子像である。

　以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
　まず、本発明の第１の実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
　本実施形態に係るＣｕ／セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板２２（回路層１２）とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板１０と、を備えている。
　図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びこのパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。

　このパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方側（図１において上側）にはんだ層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１０の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク５１と、を備えている。
　ここで、はんだ層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。

　パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
　セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。ここで、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、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、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。

　金属層１３は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
なお、このアルミニウム板２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ^２以下とされている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。

　ヒートシンク５１は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５２と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路５３とを備えている。ヒートシンク５１（天板部５２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
　このヒートシンク５１（天板部５２）は、本実施形態においては、パワーモジュール用基板１０の金属層１３にろう付けによって直接接合されている。

　ここで、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）とは、図４に示すように、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４を用いて接合されている。
　そして、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との接合界面には、図２に示すように、ＴｉＮ（窒化チタン）からなるＴｉ化合物層３１と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層３２と、が形成されている。なお、好ましい上記Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４のＣｕの含有量は、１８ｍａｓｓ％以上３４ｍａｓｓ％以下、Ｔｉの含有量は、０．３ｍａｓｓ％以上７ｍａｓｓ％以下であるが、これに限定されることはない。また、本実施形態では、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４として箔材を用い、厚さは３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定するとよい。

　そして、このＴｉ化合物層３１内には、Ａｇ粒子３５が分散している。
　Ａｇ粒子３５は、Ｔｉ化合物層３１のセラミックス基板１１側に多く分布しており、Ｔｉ化合物層３１のうちセラミックス基板１１との界面から５００ｎｍまでの界面近傍領域３１ＡにおけるＡｇ濃度が０．３原子％以上、好ましくは０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、Ｔｉ化合物層３１内で観察されるＡｇ粒子３５の９０％以上が、上述の界面近傍領域３１Ａに分布している。なお、上記界面近傍領域３１Ａに分布するＡｇ粒子３５のより好ましい割合は９５％以上であり、上限値は１００％であるが、これに限定されることはない。
　また、本実施形態では、Ｔｉ化合物層３１内に分散するＡｇ粒子３５の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。なお、上記Ａｇ粒子３５の粒径は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内に設定されてもよい。
　なお、本実施形態では、このＴｉ化合物層３１には、Ａｇ粒子３５の他にＣｕ粒子３６も分散している。

　次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図３から図５を参照して説明する。

　図３及び図４に示すように、回路層１２となる銅板２２と、セラミックス基板１１とを接合する（銅板接合工程Ｓ０１）。本実施形態の銅板接合工程Ｓ０１では、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２とＡｌＮからなるセラミックス基板１１とを、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４によって接合する。この銅板接合工程Ｓ０１については、後で詳しく説明する。

　次に、セラミックス基板１１の他方の面に、金属層１３となるアルミニウム板２３を接合する（アルミニウム板接合工程Ｓ０２）。
　アルミニウム板接合工程Ｓ０２では、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを、ろう材２５を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３を接合する。このとき、ろう材２５としては、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は６００～６５０℃とすることが好ましい。
　これにより、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の金属層１３の他方の面（図１の下側）に、ヒートシンク５１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。
　ヒートシンク接合工程Ｓ０３では、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク５１とを、ろう材２６を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク５１の天板部５２とを接合する。このとき、ろう材２６としては、例えば、厚さ２０～１１０μｍのＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔を用いることができる。ろう付け温度は、アルミニウム接合工程Ｓ０２におけるろう付け温度よりも低温に設定することが好ましい。

　次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する（半導体素子搭載工程Ｓ０４）。
　以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。

　ここで、本実施形態であるＣｕ／セラミックス接合体の製造方法となる銅板接合工程Ｓ０１について、詳しく説明する。
　銅板接合工程Ｓ０１では、まず、セラミックス基板１１の一方の面にＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４を介して回路層１２となる銅板２２を積層する（積層工程Ｓ１１）。　

　次に、セラミックス基板１１及び銅板２２を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（４．９×１０^４Ｐａ以上３４３×１０^４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、これらを真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱して保持する（低温保持工程Ｓ１２）。ここで、低温保持工程Ｓ１２における保持温度は、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲とされており、具体的には５７０℃以上７７０℃以下の範囲内とされている。また、低温保持工程Ｓ１２における保持時間は、３０分以上５時間以下の範囲内とされている。なお、低温保持工程Ｓ１２における保持温度は、５９０℃以上７５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、低温保持工程Ｓ１２における保持時間は、６０分以上３時間以下の範囲内とすることが好ましい。

　この低温保持工程Ｓ１２においては、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上に温度を保持することから、図５に示すように、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中のＡｇと、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１とＴｉとの反応によって生じたＡｌとが共晶反応して液相３８が発生する。この液相３８中において、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）とが反応してＴｉＮが生成する。これにより、セラミックス基板１１の表面が侵食される形で、ＴｉＮからなるＴｉ化合物層３１が形成される。

　低温保持工程Ｓ１２の後、銅板２２とセラミックス基板１１とを加圧した状態で、これらを真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４を溶融する（加熱工程Ｓ１３）。ここで、加熱工程Ｓ１３における加熱温度は、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上とされており、具体的には７９０℃以上８３０℃以下の範囲内とされている。また、加熱工程Ｓ１３における保持時間は、５分以上６０分以下の範囲内とされている。なお、加熱工程Ｓ１３における加熱温度は、８００℃以上８２０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱工程Ｓ１３における保持時間は、１０分以上３０分以下の範囲内とすることが好ましい。

　そして、加熱工程Ｓ１３の後、冷却を行うことにより、溶融したＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４を凝固させる（冷却工程Ｓ１４）。なお、この冷却工程Ｓ１４における冷却速度は、特に限定はないが、２℃／ｍｉｎ以上１０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。

　このように、銅板接合工程Ｓ０１は、積層工程Ｓ１１、低温保持工程Ｓ１２、加熱工程Ｓ１３、冷却工程Ｓ１４によって構成されており、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板２２と、が接合される。
　そして、ＴｉＮからなるＴｉ化合物層３１内に、Ａｇ粒子３５及びＣｕ粒子３６が分散される。

　以上のような構成とされた本実施形態のＣｕ／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板１０）によれば、無酸素銅からなる銅板２２（回路層１２）とＡｌＮからなるセラミックス基板１１とが、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４を用いて接合されており、セラミックス基板１１の接合界面にＴｉＮからなるＴｉ化合物層３１が形成され、このＴｉ化合物層３１内にＡｇ粒子３５及びＣｕ粒子３６が分散しているので、接合時においてＴｉ化合物層３１が十分に形成される。この結果、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１０を得ることができる。

　また、本実施形態では、Ｔｉ化合物層３１のうち上述の界面近傍領域３１ＡにおけるＡｇ濃度が０．３原子％以上とされているので、セラミックス基板１１の接合界面にＴｉ化合物層３１が十分に形成される。その結果、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが強固に接合される。

　さらに、本実施形態では、Ｔｉ化合物層３１内に分散するＡｇ粒子３５は、その粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内と比較的微細であり、ＴｉとＮとが反応して上述のＴｉ化合物層３１が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、セラミックス基板１１の界面にＴｉ化合物層３１が十分に形成されていることになり、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１０を得ることができる。

　また、本実施形態では、銅板接合工程Ｓ０１が、銅板２２とセラミックス基板１１とを、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４を介して積層する積層工程Ｓ１１と、積層した銅板２２とセラミックス基板１１を積層方向に押圧した状態で、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程Ｓ１２と、低温保持工程Ｓ１２後に、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上に加熱してＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４を溶融する加熱工程Ｓ１３と、加熱工程Ｓ１３の後、冷却を行うことによって溶融したＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４を凝固させる冷却工程Ｓ１４と、を備えている。このため、銅板２２とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。

　すなわち、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程Ｓ１２は、銅板２２とセラミックス基板１１との界面にＡｌとＡｇの共晶反応による液相３８が生じる。この液相３８中においてＴｉとＮが反応することで、セラミックス基板１１の界面にＴｉ化合物層３１が形成される。なお、この過程において、Ｔｉ化合物層３１内にＡｇ粒子３５が分散される。これにより、加熱工程Ｓ１３における加熱温度を比較的低温に設定した場合であっても、銅板２２とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。

　ここで、本実施形態では、低温保持工程Ｓ１２における保持温度がＡｇとＡｌの共晶点温度以上とされ、具体的には５７０℃以上とされている。このため、銅板２２とセラミックス基板１１との界面にＡｌとＡｇの共晶反応による液相３８を確実に生成することができる。
また、低温保持工程Ｓ１２における保持温度がＡｇとＣｕの共晶点温度未満とされ、具体的には７７０℃未満とされているので、ＡｇがＣｕとの反応によって消費されることなく、Ａｌと反応するＡｇを確保することができる。この結果、ＡｌとＡｇの共晶反応による液相３８を確実に生成することができる。

　また、本実施形態では、低温保持工程Ｓ１２における保持時間が３０分以上とされているので、ＴｉＮからなるＴｉ化合物層３１が十分に形成され、加熱工程Ｓ１３における加熱温度を比較的低温に設定した場合であっても、銅板２２とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。また、低温保持工程Ｓ１２における保持時間が５時間以下とされているので、エネルギー消費量を削減することが可能となる。

　さらに、本実施形態では、加熱工程Ｓ１３における加熱温度が７９０℃以上８３０℃以下の範囲内と比較的低温に設定されているので、接合時におけるセラミックス基板１１への熱負荷を軽減でき、セラミックス基板１１の劣化を抑制することができる。また、上述のように、低温保持工程Ｓ１２を有しているので、加熱工程Ｓ１３における加熱温度が比較的低温であっても、セラミックス基板１１と銅板２２とを確実に接合することができる。

　（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態について、図６から図１０を参照して説明する。
　本実施形態に係るＣｕ／セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１１と、銅部材である銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板１１０とを備えている。
　図６に本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０及びこのパワーモジュール用基板１１０を用い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、パワーモジュール用基板１１０と、このパワーモジュール用基板１１０の一方側（図６において上側）に第１はんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３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１５１と、を備えている。

　パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図６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１１１の他方の面（図６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１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高いＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で構成されている。ここで、セラミックス基板１１１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１１２は、図９に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１１２を構成する銅板１２２として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図６において上面）が、半導体素子１０３が搭載される搭載面とされている。ここで、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、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。

　金属層１１３は、図９に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１１３を構成する銅板１２３として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。ここで、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。

　ヒートシンク１５１は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１１０と接合される放熱板１５２と、この放熱板１５２に積層配置される冷却器１５３とで構成されている。
　放熱板１５２は、前述のパワーモジュール用基板１１０からの熱を面方向に拡げるものであり、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、放熱板１５２とパワーモジュール用基板１１０の金属層１１３とは、第２はんだ層１０８を介して接合されている。

　冷却器１５３は、図６に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１５４を備えている。冷却器１５３は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
　なお、放熱板１５２と冷却器１５３とは、図６に示すように、グリース層（図示なし）を介して固定ネジ１５６によって締結されている。

　ここで、セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）、及び、セラミックス基板１１１と金属層１１３（銅板１２３）とは、図９に示すように、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を用いて接合されている。
　このセラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）との接合界面、および、セラミックス基板１１１と金属層１１３（銅板１２３）との接合界面には、図７に示すように、ＴｉＯ_２（酸化チタン）からなるＴｉ化合物層１３１と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層１３２と、が形成されている。なお、好ましい上記Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４のＴｉの含有量は、０．４ｍａｓｓ％以上７５ｍａｓｓ％以下であるが、これに限定されることはない。また、本実施形態ではＡｇ－Ｔｉ系ろう材１２４として箔材を用い、厚さは、３μｍ以上２５μｍ以下の範囲内に設定するとよい。

　そして、このＴｉ化合物層１３１内には、Ａｇ粒子１３５が分散している。
　Ａｇ粒子１３５は、Ｔｉ化合物層１３１のセラミックス基板１１１側に多く分布しており、Ｔｉ化合物層１３１のうちセラミックス基板１１１との界面から５００ｎｍまでの界面近傍領域１３１ＡにおけるＡｇ濃度が０．３原子％以上、好ましくは０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、Ｔｉ化合物層１３１内で観察されるＡｇ粒子１３５の９０％以上が、上述の界面近傍領域１３１Ａに分布している。なお、上記界面近傍領域１３１Ａに分布するＡｇ粒子１３５のより好ましい割合は９５％以上であり、上限値は１００％であるが、これに限定されることはない。
　また、本実施形態では、Ｔｉ化合物層１３１内に分散するＡｇ粒子１３５の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。なお、Ａｇ粒子１３５の粒径は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内に設定されてもよい。

　次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図８から図１０を参照して説明する。

　図８及び図９に示すように、回路層１１２となる銅板１２２とセラミックス基板１１１、及び、金属層１１３となる銅板１２３とセラミックス基板１１１、を接合する（銅板接合工程Ｓ１０１）。本実施形態では、タフピッチ銅の圧延板からなる銅板１２２,１２３とＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板１１１とを、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４によって接合する。この銅板接合工程Ｓ１０１については、後で詳しく説明する。
　この銅板接合工程Ｓ１０１により、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。

　次に、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面（図６の下側）に放熱板１５２を接合する（放熱板接合工程Ｓ１０２）。
　パワーモジュール用基板１１０と放熱板１５２とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、パワーモジュール用基板１１０と放熱板１５２とをはんだ接合する。

　次に、放熱板１５２の他方の面（図６の下側）に、冷却器１５３を配設する（冷却器配設工程Ｓ１０３）。
　放熱板１５２と冷却器１５３との間にグリース（図示無し）を塗布し、放熱板１５２と冷却器１５３とを固定ネジ１５６によって連結する。

　次に、パワーモジュール用基板１１０の回路層１１２の一方の面に、半導体素子１０３をはんだ付けにより接合する（半導体素子搭載工程Ｓ１０４）。
　以上の工程により、図６に示すパワーモジュール１０１が製出される。

　ここで、本実施形態であるＣｕ／セラミックス接合体の製造方法となる銅板接合工程Ｓ１０１について、詳しく説明する。
　銅板接合工程Ｓ１０１では、まず、セラミックス基板１１１の一方の面にＡｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を介して回路層１１２となる銅板１２２を積層するとともに、セラミックス基板１１１の他方の面にＡｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を介して金属層１１３となる銅板１２３を積層する（積層工程Ｓ１１１）。

　次に、銅板１２２、セラミックス基板１１１及び銅板１２３を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（４．９×１０^４Ｐａ以上３４３×１０^４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、これらを真空又はアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱して保持する（低温保持工程Ｓ１１２）。ここで、低温保持工程Ｓ１１２における保持温度は、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲とされており、具体的には５７０℃以上７７０℃以下の範囲内とされている。また、低温保持工程Ｓ１１２における保持時間は、３０分以上５時間以下の範囲内とされている。なお、低温保持工程Ｓ１１２における保持温度は、５９０℃以上７５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、低温保持工程Ｓ１１２における保持時間は、６０分以上３時間以下の範囲内とすることが好ましい。

　この低温保持工程Ｓ１１２においては、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上に温度を保持することから、図１０に示すように、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４中のＡｇと、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板１１１とＴｉとの反応によって生じたＡｌとが共晶反応して液相１３８が発生する。この液相１３８中において、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４中のＴｉとセラミックス基板１１１中のＯ（酸素）とが反応してＴｉＯ_２が生成する。これにより、セラミックス基板１１１の表面が侵食される形で、ＴｉＯ_２からなるＴｉ化合物層１３１が形成される。

　低温保持工程Ｓ１１２の後、銅板１２２、セラミックス基板１１１及び銅板１２３を加圧した状態で、これらを真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を溶融する（加熱工程Ｓ１１３）。このとき、銅板１２２、１２３から、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４へとＣｕが供給され、ＡｇとＣｕの共晶反応により融点が低下し、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４の溶融が促進される。ここで、加熱工程Ｓ１１３における加熱温度は、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上とされており、具体的には７９０℃以上８３０℃以下の範囲内とされている。また、加熱工程Ｓ１１３における保持時間は、５分以上６０分以下の範囲内とされている。なお、加熱工程Ｓ１１３における加熱温度は、８００℃以上８２０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱工程Ｓ１１３における保持時間は、１０分以上３０分以下の範囲内とすることが好ましい。

　そして、加熱工程Ｓ１１３の後、冷却を行うことにより、溶融したＡｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を凝固させる（冷却工程Ｓ１１４）。なお、この冷却工程Ｓ１１４における冷却速度は、特に限定はないが、２℃／ｍｉｎ以上１０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。

　このように、銅板接合工程Ｓ１０１は、積層工程Ｓ１１１、低温保持工程Ｓ１１２、加熱工程Ｓ１１３、冷却工程Ｓ１１４によって構成されており、セラミックス部材であるセラミックス基板１１１と、銅部材である銅板１２２、１２３と、が接合される。
　そして、ＴｉＯ_２からなるＴｉ化合物層１３１内に、Ａｇ粒子１３５が分散される。

　以上のような構成とされた本実施形態のＣｕ／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板１１０）によれば、タフピッチ銅からなる銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）と、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板１１１とが、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を用いて接合されており、セラミックス基板１１１の接合界面にＴｉＯ_２からなるＴｉ化合物層１３１が形成される。このＴｉ化合物層１３１内にＡｇ粒子１３５が分散しているので、接合時においてＴｉ化合物層１３１が十分に形成される。その結果、銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）と、セラミックス基板１１１とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１１０を得ることができる。

　また、本実施形態では、銅板接合工程Ｓ１０１が、銅板１２２,１２３とセラミックス基板１１１とをＡｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を介して積層する積層工程Ｓ１１１と、積層した銅板１２２、１２３とセラミックス基板１１１を積層方向に押圧した状態で、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程Ｓ１１２と、低温保持工程Ｓ１１２後に、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上に加熱してＡｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を溶融する加熱工程Ｓ１１３と、加熱工程Ｓ１１３の後、冷却を行うことによって溶融したＡｇ－Ｔｉ系ろう材１２４を凝固させる冷却工程Ｓ１１４と、を備えている。その結果、銅板１２２,１２３とセラミックス基板１１１とを確実に接合することができる。

　すなわち、低温保持工程Ｓ１１２において、銅板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にＡｌとＡｇの共晶反応による液相１３８が生じ、この液相１３８中においてＴｉとＯが反応することで、セラミックス基板１１１の界面にＴｉ化合物層１３１が形成される。なお、この過程において、Ｔｉ化合物層１３１内にＡｇ粒子１３５が分散される。これにより、加熱工程Ｓ１１３における加熱温度を比較的低温に設定した場合であっても、銅板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とを確実に接合することができる。

　ここで、本実施形態では、加熱工程Ｓ１１３における加熱温度が７９０℃以上８３０℃以下の範囲内と比較的低温に設定されているので、接合時におけるセラミックス基板１１１への熱負荷を軽減でき、セラミックス基板１１１の劣化を抑制することができる。また、上述のように、低温保持工程Ｓ１１２を有しているので、加熱工程Ｓ１１３における加熱温度が比較的低温であっても、セラミックス基板１１１と銅板１２２、１２３とを確実に接合することができる。

　（第３の実施形態）
　次に、本発明の第３の実施形態について、図１１から図１５を参照して説明する。
　本実施形態に係るＣｕ／セラミックス接合体は、図１１に示すように、セラミックス部材であるセラミックス基板２１１と、銅部材である銅板２２２（回路層２１２）とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板２１０と、を備えている。

　セラミックス基板２１１は、絶縁性の高いＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で構成されており、第２の実施形態と同様の構成とされている。
　回路層２１２は、図１４に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板２２２が接合されることにより形成されており、第２の実施形態と同様の構成とされている。

　ここで、セラミックス基板２１１と回路層２１２（銅板２２２）とは、図１４に示すように、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を用いて接合されている。
　このセラミックス基板２１１と回路層２１２（銅板２２２）との接合界面には、図１２に示すように、ＴｉＯ_２（酸化チタン）からなるＴｉ化合物層２３１と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層２３２と、が形成されている。

　そして、このＴｉ化合物層２３１内には、Ａｇ粒子２３５が分散している。
　Ａｇ粒子２３５は、Ｔｉ化合物層２３１のセラミックス基板２１１側に多く分布しており、Ｔｉ化合物層２３１のうちセラミックス基板２１１との界面から５００ｎｍまでの界面近傍領域２３１ＡにおけるＡｇ濃度が０．３原子％以上、好ましくは０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、Ｔｉ化合物層２３１内で観察されるＡｇ粒子２３５の９０％以上が、上述の界面近傍領域２３１Ａに分布している。なお、上記界面近傍領域２３１Ａに分布するＡｇ粒子２３５のより好ましい割合は９５％以上であり、上限値は１００％であるが、これに限定されることはない。
　また、本実施形態では、Ｔｉ化合物層２３１内に分散するＡｇ粒子２３５の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。なお、Ａｇ粒子２３５の粒径は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内に設定されてもよい。

　次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０の製造方法について、図１３から図１５を参照して説明する。
　まず、セラミックス基板２１１の一方の面に、スクリーン印刷によってＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を塗布する（ろう材ペースト塗布工程Ｓ２１１）。なお、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４の厚さは、乾燥後で２０μｍ以上３００μｍ以下とされている。

　ここで、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４は、ＡｇおよびＴｉを含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものである。
　本実施形態では、粉末成分の含有量が、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。また、本実施形態では、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４の粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。

　粉末成分の組成は、Ｔｉの含有量が０．４質量％以上７５質量％以下とされ、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。本実施形態では、Ｔｉを１０質量％含んでおり、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。
　また、本実施形態においては、Ａｇ及びＴｉを含む粉末成分として、ＡｇとＴｉとの合金粉末を使用している。この合金粉末は、アトマイズ法によって作製されたものであり、作製された合金粉末を篩い分けすることによって、粒径を４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下に設定している。

　次に、セラミックス基板２１１の一方の面に回路層２１２となる銅板２２２を積層する（積層工程Ｓ２１２）。
　さらに、銅板２２２及びセラミックス基板２１１を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（４．９×１０^４Ｐａ以上３４３×１０^４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、これらを真空又はアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱して保持する（低温保持工程Ｓ２１３）。ここで、低温保持工程Ｓ２１３における保持温度は、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲とされており、具体的には５７０℃以上７７０℃以下の範囲内とされている。また、低温保持工程Ｓ２１３における保持時間は、３０分以上５時間以下の範囲内とされている。なお、低温保持工程Ｓ２１３における保持温度は、５９０℃以上７５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、低温保持工程Ｓ２１３における保持時間は、６０分以上３時間以下の範囲内とすることが好ましい。

　この低温保持工程Ｓ２１３においては、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上に温度を保持することから、図１５に示すように、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４中のＡｇと、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板２１１とＴｉとの反応によって生じたＡｌとが共晶反応して液相２３８が発生する。この液相２３８中において、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４中のＴｉとセラミックス基板２１１中のＯ（酸素）とが反応してＴｉＯ_２が生成する。これにより、セラミックス基板２１１の表面が侵食される形で、ＴｉＯ_２からなるＴｉ化合物層２３１が形成される。

　低温保持工程Ｓ２１３の後、銅板２２２及びセラミックス基板２１１を加圧した状態で、これらを真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を溶融する（加熱工程Ｓ２１４）。このとき、銅板２２２から、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４へとＣｕが供給され、ＡｇとＣｕの共晶反応により融点が低下し、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４の溶融が促進される。ここで、加熱工程Ｓ２１４における加熱温度は、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上とされており、具体的には７９０℃以上８３０℃以下の範囲内とされている。また、加熱工程Ｓ２１４における保持時間は、５分以上６０分以下の範囲内とされている。なお、加熱工程Ｓ２１４における加熱温度は、８００℃以上８２０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱工程Ｓ２１４における保持時間は、１０分以上３０分以下の範囲内とすることが好ましい。

　そして、加熱工程Ｓ２１４の後、冷却を行うことにより、溶融したＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を凝固させる（冷却工程Ｓ２１５）。なお、この冷却工程Ｓ２１５における冷却速度は、特に限定はないが、２℃／ｍｉｎ以上１０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。

　このようにして、セラミックス部材であるセラミックス基板２１１と銅部材である銅板２２２とが接合され、本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。
　そして、ＴｉＯ_２からなるＴｉ化合物層２３１内に、Ａｇ粒子２３５が分散される。

　以上のような構成とされた本実施形態のＣｕ／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板２１０）によれば、第２の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
　また、本実施形態では、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４をセラミックス基板２１１の一方の面に塗布するろう材ペースト塗布工程Ｓ２１１と、銅板２２２とセラミックス基板２１１とを、塗布したＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を介して積層する積層工程Ｓ２１２と、積層した銅板２２２とセラミックス基板２１１を積層方向に押圧した状態で、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程Ｓ２１３と、低温保持工程Ｓ２１３後に、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上に加熱してＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を溶融する加熱工程Ｓ２１４と、加熱工程Ｓ２１４の後、冷却を行うことによって溶融したＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を凝固させる冷却工程Ｓ２１５と、を備えている。その結果、銅板２２２とセラミックス基板２１１とを確実に接合することができる。

　すなわち、低温保持工程Ｓ２１３において、銅板２２２とセラミックス基板２１１との界面にＡｌとＡｇの共晶反応による液相２３８が生じ、この液相２３８中においてＴｉとＯが反応することで、セラミックス基板２１１の界面にＴｉ化合物層２３１が形成される。なお、この過程において、Ｔｉ化合物層２３１内にＡｇ粒子２３５が分散される。これにより、加熱工程Ｓ２１４における加熱温度を比較的低温に設定した場合であっても、銅板２２２とセラミックス基板２１１とを確実に接合することができる。

　ここで、本実施形態では、加熱工程Ｓ２１４における加熱温度が７９０℃以上８３０℃以下の範囲内と比較的低温に設定されているので、接合時におけるセラミックス基板２１１への熱負荷を軽減でき、セラミックス基板２１１の劣化を抑制することができる。また、上述のように、低温保持工程Ｓ２１３を有しているので、加熱工程Ｓ２１４における加熱温度が比較的低温であっても、セラミックス基板２１１と銅板２２２とを確実に接合することができる。

　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。
　例えば、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅又はタフピッチ銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。

　また、第１の実施形態において、金属層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９ｍａｓｓ％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。

　さらに、本実施形態では、界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．３原子％以上とされたものとして説明したが、これに限定されることはない。
　また、本実施形態では、Ｔｉ化合物層に分散されるＡｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされているものとして説明したが、これ以外のサイズのＡｇ粒子が分散していてもよい。

　さらに、ヒートシンクや放熱板は、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
　また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けてもよい。

　さらに、第３の実施形態では、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストを用いてセラミックス基板と銅板とを接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ペーストを用いてもよい。この場合、第３の実施形態では、第１の実施形態と同様の界面構造を有する。
　また、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストをセラミックス基板に塗布するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板にＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト等を塗布してもよい。
　さらに、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストをスクリーン印刷によって塗布するものとして説明したが、塗布方法に限定はない。
　また、積層工程（Ｓ２１２）の前に、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストの乾燥を行う工程を設けても良い。

　さらに、第３の実施形態では、Ａｇ及びＴｉを含む粉末成分として、ＡｇとＴｉとの合金粉末を使用したが、これに限らず、Ａｇ粉末とＴｉ粉末との混合粉末を用いることができる。この場合、用いるＡｇ粉末の粒径は４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下であるとよい。
　また、Ｔｉ粉末の代わりにＴｉＨ_２粉末を用いることもできる。ＴｉＨ_２粉末を用いた場合、粉末成分の組成は、ＴｉＨ_２の含有量が０．４質量％以上５０質量％以下され、残部がＡｇ及び不可避不純物とすると良い。用いられるＴｉＨ_２粉末の粒径は１５μｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ以下であるとよい。また、ＴｉＨ_２粉末を用いたペーストの場合、塗布されたペーストの厚さは、乾燥後で２０μｍ以上３００μｍ以下とすると良い。
　また、Ａｇ粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｔｉ粉末又はＴｉＨ_２粉末との混合粉末からなるペーストを用いることもできる。

　また、上記実施形態に記載したＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材やＡｇ－Ｔｉ系ろう材にＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の元素を添加させることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
　さらに、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストとして、ＴｉとＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の元素と、残部がＡｇ及び不可避不純物からなるペーストを用いることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
　また、第２の実施形態において、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材の箔の代わりに第３の実施形態で記載したＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストを用いることもできる。

　本発明に係る実施形態の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
　表１に示すセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、Ｃｕ／セラミックス接合体を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の片面に、厚さ２０μｍのＡｇ及びＴｉを含むろう材箔を用いて、表１に示す条件で、３８ｍｍ角の厚さ０．６ｍｍの銅板を接合し、Ｃｕ／セラミックス接合体を形成した。また、ろう材として、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉの場合にはＡｇ－２８ｍａｓｓ％Ｃｕ－３ｍａｓｓ％Ｔｉのろう材を、Ａｇ－Ｔｉの場合にはＡｇ－１０ｍａｓｓ％Ｔｉのろう材を用いた。また、積層方向への加圧力（荷重）は１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２とした。

　また、表２に示すセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、Ｃｕ／セラミックス接合体を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の片面に、Ａｇ及びＴｉを含むろう材ペーストを用いて、表２に示す条件で、３８ｍｍ角の厚さ０．６ｍｍの銅板を接合し、Ｃｕ／セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力（荷重）は１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２とした。
　なお、ろう材ペーストとして、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉの場合には、粉末成分の組成がＡｇ－２８ｍａｓｓ％Ｃｕ－３ｍａｓｓ％Ｔｉのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストとし、塗布厚さは表２に記載した値とした。

　Ａｇ－Ｔｉの場合には、粉末成分の組成がＡｇ－１０ｍａｓｓ％Ｔｉのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを用い、塗布厚さは表２に記載した値とした。
　Ａｇ－ＴｉＨ_２の場合には、Ａｇ粉末（粒径５μｍ）とＴｉＨ_２粉末（粒径５μｍ）からなる混合粉末と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを用いた。混合粉末の組成は、ＴｉＨ_２：２０質量％、残部：Ａｇ及び不可避不純物とし、塗布厚さは表２に記載した値とした。
　Ａｇ－Ｃｕ－ＴｉＨ_２の場合にはＡｇ粉末（粒径５μｍ）とＣｕ粉末（粒径２．５μｍ）とＴｉＨ_２粉末（粒径５μｍ）からなる混合粉末と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを用いた。混合粉末の組成は、Ｃｕ：２７質量％、ＴｉＨ_２：３質量％、残部：Ａｇ及び不可避不純物とし、塗布厚さは表２に記載した値とした。
　なお、本実施例においてはペースト塗布後に１５０℃で乾燥を行った。表２記載の塗布厚さは乾燥後の値とした。

　このようにして得られたＣｕ／セラミックス接合体について、Ｔｉ化合物層中のＡｇ粒子及びＣｕ粒子の有無、Ｔｉ化合物層中の界面近傍領域のＡｇ濃度、銅板とセラミックス基板との接合率を評価した。

（Ｔｉ化合物層中のＡｇ粒子及びＣｕ粒子の有無）
　銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）を用いて、倍率１５０００倍（測定範囲：６μｍ×８μｍ）、視野数５で観察を行い、Ｔｉ化合物層中のＡｇ粒子及びＣｕ粒子の有無を確認した。

（Ｔｉ化合物層中の界面近傍領域のＡｇ濃度）
　銅板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）を、エネルギー分散型Ｘ線検出器（ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製ＳＤＤ検出器およびＮｏｒｔｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｉｘ）を用いて、ライン分析を行い、Ｔｉ化合物層中の界面近傍領域のＡｇ濃度を測定した。

（接合率）
　銅板とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて以下の式を用いて求めた。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る銅板の面積（３８ｍｍ角）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

　評価結果を表３，４に示す。また、本発明例１の反射電子像を図１６に示す。

　従来例１では、ＡｌＮからなるセラミックス基板にＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を用いてＯＦＣからなる銅板を接合する際に、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上ＡｇとＣｕとの共晶点温度以下の温度範囲で保持する低温保持工程を実施しなかった。このような従来例１においては、セラミックス基板と銅板との界面にＴｉＮからなるＴｉ化合物層が確認されたものの、このＴｉ化合物層の内部にＡｇ粒子、Ｃｕ粒子は確認されなかった。また、セラミックス基板とＴｉ化合物層との界面近傍領域におけるＡｇ濃度も０．００ａｔ％であった。このような従来例１においては、接合率が８３．７％であった。

　これに対して、本発明例２－７では、ＡｌＮからなるセラミックス基板にＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を用いてＯＦＣからなる銅板を接合する際に、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上ＡｇとＣｕとの共晶点温度以下の温度範囲で保持する低温保持工程を実施した。このような本発明例２－７においては、セラミックス基板と銅板との界面にＴｉＮからなるＴｉ化合物層が確認され、このＴｉ化合物層の内部にＡｇ粒子、Ｃｕ粒子が観察された。また、セラミックス基板とＴｉ化合物層との界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．１５～１２．２８ａｔ％であった。このような本発明例２－７においては、接合率が９２．１～９７．６％であり、従来例に比べて接合率の向上が認められた。

　また、本発明例１，８では、ＡｌＮからなるセラミックス基板にＡｇ－Ｔｉろう材を用いてＴＰＣ又はＯＦＣからなる銅板を接合する際に、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上ＡｇとＣｕとの共晶点温度以下の温度範囲で保持する低温保持工程を実施した。このような本発明例１，８においては、セラミックス基板と銅板との界面にＴｉＮからなるＴｉ化合物層が確認され、このＴｉ化合物層の内部にＡｇ粒子が観察された。また、セラミックス基板とＴｉ化合物層との界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．１３ａｔ％、１０．５６ａｔ％であった。このような本発明例１，８においても、接合率が９３．３％、９８．０％であり、従来例に比べて接合率の向上が認められた。

　さらに、本発明例９，１０、１３－１６では、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板にＡｇ－Ｔｉろう材を用いてＯＦＣからなる銅板を接合する際に、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上ＡｇとＣｕとの共晶点温度以下の温度範囲で保持する低温保持工程を実施した。このような本発明例９，１０、１３－１６においては、セラミックス基板と銅板との界面にＴｉＯ_２からなるＴｉ化合物層が確認され、このＴｉ化合物層の内部にＡｇ粒子が観察された。また、セラミックス基板とＴｉ化合物層との界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．２１～１１．１２ａｔ％であった。このような本発明例９，１０、１３－１６においても、接合率が９１．１～９８．８％であり、従来例に比べて接合率の向上が認められた。

　また、本発明例１１，１２では、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板にＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を用いてＯＦＣからなる銅板を接合する際に、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上ＡｇとＣｕとの共晶点温度以下の温度範囲で保持する低温保持工程を実施した。このような本発明例１１，１２においては、セラミックス基板と銅板との界面にＴｉＯ_２からなるＴｉ化合物層が確認され、このＴｉ化合物層の内部にＡｇ粒子、Ｃｕ粒子が観察された。また、セラミックス基板とＴｉ化合物層との界面近傍領域におけるＡｇ濃度が９．０８ａｔ％、１１．３６ａｔ％であった。このような本発明例１１，１２においても、接合率が９７．５％、９８．７％であり、従来例に比べて接合率の向上が認められた。

　また、表２及び表４に示すように、Ａｇ－Ｔｉ系ペースト、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ペースト及びＡｇ－ＴｉＨ_２系ペーストを用いた場合でも、ろう材箔を用いた場合と同様に、従来例に比べて接合率の向上が認められる結果となった。

　本発明によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されたＣｕ／セラミックス接合体、このＣｕ／セラミックス接合体の製造方法、及び、このＣｕ／セラミックス接合体からなる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Ｃｕ／セラミックス接合体、及びパワーモジュール用基板は、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子に好適である。

１０、１１０、２１０　パワーモジュール用基板
１１、１１１，２１１　セラミックス基板
１２、１１２、２１２　回路層
１３、１１３　金属層
２２、１２２、１２３、２２２　銅板
２４　Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材
３１、１３１、２３１　Ｔｉ化合物層
３１Ａ、１３１Ａ、２３１Ａ　界面近傍領域
３５、１３５、２３５　Ａｇ粒子
３６　Ｃｕ粒子
１２４　Ａｇ－Ｔｉ系ろう材
２２４　Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト

Claims (8)

1. 　銅又は銅合金からなる銅部材と、ＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス部材とが、Ａｇ及びＴｉを含む接合材を用いて接合されたＣｕ／セラミックス接合体であって、
   　前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、Ｔｉ窒化物又はＴｉ酸化物からなるＴｉ化合物層が形成されており、
   　このＴｉ化合物層内にＡｇ粒子が分散されているＣｕ／セラミックス接合体。
2. 　前記Ｔｉ化合物層のうち前記セラミックス部材との界面から５００ｎｍまでの界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．３原子％以上とされている請求項１に記載のＣｕ／セラミックス接合体。
3. 　前記Ｔｉ化合物層内に分散する前記Ａｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている請求項１又は請求項２に記載のＣｕ／セラミックス接合体。
4. 　前記接合材はさらにＣｕを含有しており、前記Ｔｉ化合物層内にＣｕ粒子が分散されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＣｕ／セラミックス接合体。
5. 　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたＣｕ／セラミックス接合体を製造するＣｕ／セラミックス接合体の製造方法であって、
   　前記銅部材と前記セラミックス部材との間にＡｇ及びＴｉを含む接合材を介在させた状態で、ＡｇとＡｌの共晶点温度以上、ＡｇとＣｕの共晶点温度未満の温度範囲で保持する低温保持工程と、
   　前記低温保持工程の後に、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上の温度に加熱して前記接合材を溶融する加熱工程と、
   　前記加熱工程の後に、冷却を行って溶融した前記接合材を凝固させて前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する冷却工程と、を備えているＣｕ／セラミックス接合体の製造方法。
6. 　前記低温保持工程における保持時間が３０分以上５時間以下の範囲内とされている請求項５に記載のＣｕ／セラミックス接合体の製造方法。
7. 　前記加熱工程における加熱温度が７９０℃以上８３０℃以下の範囲内とされている請求項５又は請求項６に記載のＣｕ／セラミックス接合体の製造方法。
8. 　ＡｌＮ又はＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されたパワーモジュール用基板であって、
   　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のＣｕ／セラミックス接合体で構成されているパワーモジュール用基板。

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