WO2015122446A1 - Copper/ceramic bond and power module substrate - Google Patents

Copper/ceramic bond and power module substrate Download PDF

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伸幸 寺▲崎▼
長友　義幸
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    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates

Definitions

  • the present invention relates to a copper / ceramic bonded body formed by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member, and a power module substrate formed of the copper / ceramic bonded body.
  • This application is filed with Japanese Patent Application No. 2014-024410 filed in Japan on February 12, 2014, Japanese Patent Application No. 2014-052594 filed in Japan on March 14, 2014, and July 2, 2014. Furthermore, priority is claimed based on Japanese Patent Application No. 2014-136567 filed in Japan, the contents of which are incorporated herein.
  • the active element oxide layer may contain P.
  • the active element oxide layer containing P is easily formed on the surface of the ceramic member by bonding with the active element and reacting with oxygen. Therefore, the copper member and the ceramic member can be reliably bonded even under low temperature conditions. Thereby, it becomes possible to suppress the thermal deterioration of the ceramic member at the time of joining.
  • a Cu—Al eutectic layer may be formed between the active element oxide layer and the copper member.
  • the copper member and the ceramic member can be reliably bonded even under low temperature conditions.
  • the reaction between Al and Cu results in the formation of a Cu—Al eutectic layer between the active element oxide layer and the copper member.
  • the thickness t of the active element oxide layer 30 is determined by observing the bonding interface at a magnification of 200,000 times using a transmission electron microscope, and oxidizing the active element at a location where the active element concentration is in the range of 35 at% to 70 at%. It is regarded as the physical layer 30 and is obtained by measuring its thickness.
  • the concentration (at%) of the active element is measured with an EDS (energy dispersive X-ray spectrometer) attached to the transmission electron microscope, and the active element concentration when the sum of the P concentration, the active element concentration, and the O concentration is 100 is used. Concentration.
  • the thickness of the active element oxide layer was an average value of five fields of view.
  • the heat sink 51 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the power module substrate 10 (heat sink bonding step S04).
  • the power module substrate 10 and the heat sink 51 are laminated via the brazing material 28, pressurized in the laminating direction, and inserted into a vacuum furnace for brazing.
  • the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the top plate portion 52 of the heat sink 51 are joined.
  • the brazing material 28 for example, an Al—Si based brazing foil having a thickness of 20 to 110 ⁇ m (for example, Al-10 mass% Si brazing foil) can be used, and the brazing temperature is set in the heat treatment step S03. Set to a lower temperature than the temperature condition in.
  • the ceramic substrate 11 made of AlN and the copper plate 22 are held at a high temperature with Ti interposed (for example, 790 ° C. to 850 ° C.), nitrogen in the ceramic substrate 11 reacts with Ti, and TiN becomes Although it is formed, in the first embodiment, the low temperature condition (in the range of 600 ° C. or more and 650 ° C. or less) is used in the heat treatment step S03, so that TiN is not formed and the active element oxide layer 30 is formed. (Ti—O layer) is formed.
  • the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are joined using a Cu—Al based brazing material containing Al, and the Al in the Cu—Al based brazing material is Cu.
  • a liquid phase is generated under a low temperature condition, and the above-described Cu—Al eutectic layer 131 is formed.
  • the thickness t e of the Cu-Al eutectic layer 131 is equal to or greater than 10 [mu] m, the liquid phase is sufficiently formed as described above, to reliably bond the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 Can do. Further, since the thickness t e of the Cu-Al eutectic layer 131 is a 60 ⁇ m or less, it is possible to suppress the bonding interface area becomes brittle, it is possible to ensure a high thermal cycle reliability.
  • the active element oxide layer 230 can be reliably formed, and the ceramic substrate 211 and the circuit layer 12 can be reliably bonded. Further, since the P content is 10 mass% or less, the active element oxide layer 230 is not excessively hardened, and for example, the load on the ceramic substrate due to the thermal stress at the time of a cold cycle load can be reduced. It is possible to prevent the reliability of the interface from decreasing.
  • the concentration and thickness of the active element of the active element oxide layer 230 and the P content are measured by the same method as the concentration and thickness of the active element and the P content of the active element oxide layer 30 of the first embodiment. Is done.
  • the heat sink 51 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the power module substrate 210 (heat sink bonding step S04).
  • the power module substrate 210 and the heat sink 51 are laminated through the brazing material 28, pressurized in the laminating direction, and inserted into a vacuum furnace for brazing.
  • the metal layer 13 of the power module substrate 210 and the top plate portion 52 of the heat sink 51 are joined.
  • the brazing material 28 for example, an Al—Si based brazing foil having a thickness of 20 to 110 ⁇ m (for example, Al-10 mass% Si brazing foil) can be used, and the brazing temperature is set in the heat treatment step S03. Set to a lower temperature than the temperature condition in.
  • alumina Al 2 O 3 purity of 98 mass% or more
  • 92% alumina Al 2 O 3 purity of 92 mass% or more
  • Other aluminas such as 96% alumina (Al 2 O 3 purity 96 mass% or more) and zirconia reinforced alumina may be applied.
  • Ti has been described as an example of the active element, the present invention is not limited to this, and other active elements such as Zr and Hf may be applied.
  • the heat sink is not limited to those exemplified in the third embodiment, and the structure of the heat sink is not particularly limited. Further, a buffer layer made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) may be provided between the top plate portion of the heat sink or the heat radiating plate and the metal layer.
  • a buffer layer made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) may be provided between the top plate portion of the heat sink or the heat radiating plate and the metal layer.
  • FIG. 6 shows the interface observation results and element mapping of Example A1 of the present invention.
  • the bonding interface is observed at a magnification of 200,000 times, and the portion where the concentration of the active element is in the range of 35 at% to 70 at% is regarded as the active element oxide layer. It was measured.
  • the active element concentration (at%) was determined by measuring the P concentration (at%), the active element concentration (at%), and the O concentration (at%) with an EDS attached to a transmission electron microscope. The concentration of the active element when the sum of the concentration and the O concentration was 100 was used.
  • the thermal cycle test uses TSB-51, a thermal shock tester, Espec Corp., and -40 ° C x 5 minutes ⁇ ⁇ 150 ° C x 5 minutes 2000 cycles in the liquid phase (Fluorinert) for the power module substrate Carried out.
  • the bonding interface between the circuit layer (copper plate) and the ceramic substrate was observed, and the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle were evaluated.
  • the evaluation method was the same as in Example 1.
  • the thickness of the active element oxide layer, the thickness of the Cu—Al eutectic layer, and the composition analysis were performed using an EDS attached to a transmission electron microscope.
  • the Cu—Al eutectic layer is considered to be a Cu—Al eutectic layer where the Cu concentration is 60 at% to 90 at% when the composition is 100 at% of the combined Cu concentration and Al concentration, and the thickness is measured. did.
  • the composition of the Cu—Al eutectic layer was measured at 5 points and the average value thereof.
  • the observation results are shown in FIG.
  • the evaluation results are shown in Table 4.
  • a copper / ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of nitride ceramics are securely bonded even under low temperature conditions. It was confirmed that it was possible to provide.
  • a power module substrate was prepared.
  • Table 6 shows the conditions for the heat treatment step.
  • sample B4 a paste made of Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni powder and Ti powder was used as a brazing material and an active element.
  • the paste coating thickness was 80 ⁇ m.
  • the present invention example B1 to the present invention example B11 in which the thickness of the active element oxide layer is 5 nm or more and 220 nm or less has a high initial bonding rate even under relatively low temperature conditions. And the copper plate were securely joined.
  • examples B1-B6 and B9-B11 in which the phosphorus concentration in the active element oxide layer is in the range of 1.5 mass% to 10 mass% the bonding rate after the thermal cycle is as high as 90% or more, Bonding reliability was improved.
  • a copper / ceramic bonded body (power module substrate) in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are reliably bonded even at a low temperature. It was confirmed that it was possible.

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Abstract

A copper/ceramic bond formed by bonding a copper member (22) comprising copper or copper alloy to a ceramic member (11) comprising nitride ceramic, wherein in a bonded interface of the copper member (22) and ceramic member (11) an active element oxide layer (30) containing an active element and oxygen is formed, and the active element oxide layer (30) has a thickness (t) in the range of 5 to 220 nm.

Description

銅／セラミックス接合体、及び、パワーモジュール用基板Copper / ceramic bonding body and power module substrate
　本発明は、銅又は銅合金からなる銅部材とセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体、この銅／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、２０１４年２月１２日に、日本に出願された特願２０１４－０２４４１０号、２０１４年３月１４日に、日本に出願された特願２０１４－０５２５９４号、及び２０１４年７月２日に、日本に出願された特願２０１４－１３６５６７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。 The present invention relates to a copper / ceramic bonded body formed by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member, and a power module substrate formed of the copper / ceramic bonded body.
This application is filed with Japanese Patent Application No. 2014-024410 filed in Japan on February 12, 2014, Japanese Patent Application No. 2014-052594 filed in Japan on March 14, 2014, and July 2, 2014. Furthermore, priority is claimed based on Japanese Patent Application No. 2014-136567 filed in Japan, the contents of which are incorporated herein.
　ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、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とされている。
　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においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（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したものも提供されている。 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.
In power semiconductor elements for large power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., the amount of heat generated is large, and for example, AlN (aluminum nitride), Al 2. Description of the Related Art Conventionally, a power module substrate including a ceramic substrate made of 2 O 3 (alumina) or the like and a circuit layer formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate has been widely used. It is used. As the power joule substrate, a substrate in which a metal layer is formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate is also provided.
　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（Direct Bonding Copper）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法においては、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。 For example, Patent Document 1 discloses a power module in which a first metal plate and a second metal plate constituting a circuit layer and a metal layer are copper plates, and the copper plates are directly bonded to a ceramic substrate by a DBC (Direct Bonding Copper) method. Substrates have been proposed. In this DBC method, by utilizing a eutectic reaction between copper and copper oxide, a liquid phase is generated at the interface between the copper plate and the ceramic substrate, and the copper plate and the ceramic substrate are joined.
　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においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている（いわゆる活性金属ろう付け法）。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるＴｉが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合されることになる。 Patent Document 2 proposes a power module substrate in which a circuit layer and a metal layer are formed by bonding a copper plate to one surface and the other surface of a ceramic substrate. In this power module substrate, a copper plate is disposed on one surface and the other surface of the ceramic substrate with an Ag—Cu—Ti brazing material interposed therebetween, and heat treatment is performed to bond the copper plate ( So-called active metal brazing). In this active metal brazing method, since a brazing material containing Ti, which is an active metal, is used, the wettability between the molten brazing material and the ceramic substrate is improved, and the ceramic substrate and the copper plate are bonded well. It will be.
特開平０４－１６２７５６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-162756 特許第３２１１８５６号公報Japanese Patent No. 3211856
　しかしながら、特許文献１に開示されているように、ＤＢＣ法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を１０６５℃以上（銅と銅酸化物との共晶点温度以上）にする必要があることから、接合時にセラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。
　また、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、接合温度が９００℃と比較的高温とされていることから、やはり、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くなる。
　さらに、活性金属ろう付け法では、セラミックス基板と銅板との接合界面にＴｉＮ層が形成される。このＴｉＮ層は硬く脆いため、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。 However, as disclosed in Patent Document 1, when the ceramic substrate and the copper plate are bonded by the DBC method, the bonding temperature is set to 1065 ° C. or higher (eutectic point temperature of copper and copper oxide or higher). Since it is necessary, the ceramic substrate may be deteriorated during bonding.
Further, as disclosed in Patent Document 2, when the ceramic substrate and the copper plate are bonded by the active metal brazing method, the bonding temperature is relatively high, 900 ° C. There was a problem that the substrate deteriorated. Here, when the bonding temperature is lowered, the brazing material does not sufficiently react with the ceramic substrate, the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the copper plate is lowered, and a highly reliable power module substrate is provided. I can't do that.
Furthermore, in the active metal brazing method, a TiN layer is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate. Since this TiN layer is hard and brittle, there is a possibility that cracks may occur in the ceramic substrate when a thermal cycle is applied.
　さらに、活性金属ろう付け法によって、アルミナからなるセラミックス基板と銅板とを接合した場合には、セラミックス基板と銅板との接合界面にＴｉ酸化物層が厚く形成される。このＴｉ酸化物層は硬く脆いため、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。 Furthermore, when the ceramic substrate made of alumina and the copper plate are joined by the active metal brazing method, a thick Ti oxide layer is formed at the joint interface between the ceramic substrate and the copper plate. Since this Ti oxide layer is hard and brittle, there is a possibility that cracks may occur in the ceramic substrate when a thermal cycle is applied.
　本発明の第１の態様は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体、及び、この銅／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。 The first aspect of the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is a copper / ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of nitride ceramics are securely bonded. And it aims at providing the board | substrate for power modules which consists of this copper / ceramics joined body.
　本発明の第２の態様は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体、及び、この銅／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。 A second aspect of the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a copper / ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are securely bonded, and An object of the present invention is to provide a power module substrate made of this copper / ceramic bonding body.
［第１の態様］
　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１の態様の銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、活性元素と酸素を含有する活性元素酸化物層が形成されており、この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。 [First embodiment]
In order to solve such problems and achieve the above object, the copper / ceramic bonded body according to the first aspect of the present invention includes a copper member made of copper or a copper alloy, and a ceramic member made of nitride ceramics. An active element oxide layer containing an active element and oxygen is formed at the bonding interface between the copper member and the ceramic member, and the active element oxide. The thickness of the layer is in the range of 5 nm to 220 nm.
　この構成の銅／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窒化物セラミックスからなるセラミックス部材との接合界面に、活性元素と酸素を含有する活性元素酸化物層が形成された構造とされている。そして、第１の態様では、この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上とされているので、セラミックス部材と銅部材とが確実に接合され、接合強度を確保することが可能となる。一方、活性元素酸化物層の厚さが２２０ｎｍ以下とされているので、比較的硬くて脆い活性元素酸化物層の厚さが薄く、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス部材に割れが生じることを抑制できる。 In the copper / ceramic bonded body having this structure, an active element oxide layer containing an active element and oxygen is formed at the bonding interface between a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of nitride ceramics. It is said that. In the first aspect, since the thickness of the active element oxide layer is 5 nm or more, the ceramic member and the copper member are reliably bonded, and the bonding strength can be ensured. On the other hand, since the thickness of the active element oxide layer is 220 nm or less, the thickness of the active element oxide layer that is relatively hard and brittle is thin, and, for example, cracks occur in the ceramic member due to thermal stress during a cold cycle load. This can be suppressed.
　ここで、活性元素を介在させて銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とを高温保持の条件で接合した場合、活性元素と窒化物セラミックスの窒素とが反応し、窒化物層が形成されることになる。第１の態様では、低温の条件で銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とを接合することにより、窒化物層の代わりに活性元素酸化物層を形成することが可能となる。また、上述の活性元素酸化物層は、銅部材とセラミックス部材との間に介在する活性元素と、銅部材やセラミックス部材の表面に形成された酸化物や接合材に含まれる酸素と、が反応することによって形成される。
　なお、第１の態様においては、活性元素として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ等を用いることができる。さらに、窒化物セラミックスとして、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等を用いることができる。 Here, when a copper member and a ceramic member made of nitride ceramics are joined under the condition of maintaining a high temperature with an active element interposed, the active element and nitrogen of the nitride ceramic react to form a nitride layer. It will be. In the first aspect, the active element oxide layer can be formed instead of the nitride layer by bonding the copper member and the ceramic member made of the nitride ceramic under a low temperature condition. The active element oxide layer described above reacts with the active element interposed between the copper member and the ceramic member and the oxygen contained in the oxide or bonding material formed on the surface of the copper member or ceramic member. It is formed by doing.
In the first embodiment, Ti, Zr, Hf, Nb or the like can be used as the active element. Further, AlN, Si 3 N 4 or the like can be used as the nitride ceramic.
　第１の態様の銅／セラミックス接合体においては、前記活性元素酸化物層は、Ｐを含有していてもよい。
　この場合、接合界面にＰを介在させると、このＰが活性元素と結合するとともに酸素と反応することにより、セラミックス部材の表面にＰを含有する前記活性元素酸化物層が形成されやすくなる。よって、低温の条件でも、銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。これにより、接合時におけるセラミックス部材の熱劣化等を抑制することが可能となる。 In the copper / ceramic bonding article of the first aspect, the active element oxide layer may contain P.
In this case, when P is interposed at the bonding interface, the active element oxide layer containing P is easily formed on the surface of the ceramic member by bonding with the active element and reacting with oxygen. Therefore, the copper member and the ceramic member can be reliably bonded even under low temperature conditions. Thereby, it becomes possible to suppress the thermal deterioration of the ceramic member at the time of joining.
　また、第１の態様の銅／セラミックス接合体においては、前記活性元素酸化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕ－Ａｌ共晶層が形成されていてもよい。
　この場合、接合界面にＡｌを介在させることにより、低温の条件でも銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。このとき、ＡｌとＣｕとが反応することで、上述の活性元素酸化物層と銅部材との間にＣｕ－Ａｌ共晶層が形成されることになる。 In the copper / ceramic bonding article of the first aspect, a Cu—Al eutectic layer may be formed between the active element oxide layer and the copper member.
In this case, by interposing Al at the bonding interface, the copper member and the ceramic member can be reliably bonded even under low temperature conditions. At this time, the reaction between Al and Cu results in the formation of a Cu—Al eutectic layer between the active element oxide layer and the copper member.
　第１の態様のパワーモジュール用基板は、窒化物セラミックス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、上述の銅／セラミックス接合体で構成されていることを特徴としている。
　この構成のパワーモジュール用基板によれば、上述の銅／セラミックス接合体で構成されているので、低温の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、低温の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が確実に接合しており、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。 The power module substrate according to the first aspect is a power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of nitride ceramics, and is composed of the above-described copper / ceramic bonded body. It is characterized by being.
According to the power module substrate having this configuration, the above-described copper / ceramic bonding body is used, so that the thermal load on the ceramic substrate can be reduced by bonding under low temperature conditions, and deterioration of the ceramic substrate is suppressed. be able to. Moreover, even if it joins on low temperature conditions, the ceramic substrate and the copper plate have joined reliably, and joining reliability can be ensured. In addition, the copper plate joined to the surface of the ceramic substrate is used as a circuit layer or a metal layer.
［第２の態様］
　上記課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の第２の態様の銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミナからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、活性元素と酸素と燐とを含有する活性元素酸化物層が形成されており、この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。 [Second embodiment]
In order to solve the above problems and achieve the above object, the copper / ceramic bonded body of the second aspect of the present invention is obtained by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina. An active element oxide layer containing an active element, oxygen and phosphorus is formed at a bonding interface between the copper member and the ceramic member, and the active element oxide layer. Is characterized in that the thickness is in the range of 5 nm to 220 nm.
　この構成の銅／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アルミナからなるセラミックス部材との接合界面に、活性元素と酸素と燐とを含有する活性元素酸化物層が形成された構造とされている。そして、第２の態様では、この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上とされているので、セラミックス部材と銅部材とが確実に接合され、接合強度を確保することが可能となる。一方、活性元素酸化物層の厚さが２２０ｎｍ以下とされているので、比較的硬くて脆い活性元素酸化物層の厚さが薄く、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス部材に割れが生じることを抑制できる。 In the copper / ceramic bonded body having this configuration, an active element oxide layer containing an active element, oxygen, and phosphorus is formed at the bonding interface between a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina. It is structured. And in the 2nd aspect, since the thickness of this active element oxide layer shall be 5 nm or more, it becomes possible to join a ceramic member and a copper member reliably, and to ensure joining strength. On the other hand, since the thickness of the active element oxide layer is 220 nm or less, the thickness of the active element oxide layer that is relatively hard and brittle is thin, and, for example, cracks occur in the ceramic member due to thermal stress during a cold cycle load. This can be suppressed.
　ここで、活性元素を介在させて銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とを高温保持の条件で接合した場合、活性元素とアルミナの酸素とが反応し、厚い酸化物層が形成されることになる。第２の態様では、低温の条件で銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とを接合することにより、活性元素酸化物層を比較的薄く形成することが可能となる。
　また、接合界面に燐（Ｐ）を介在させると、この燐（Ｐ）が活性元素と結合するとともに酸素と反応することにより、セラミックス部材の表面に燐（Ｐ）を含有する前記活性元素酸化物層が形成されやすくなる。よって、低温の条件でも、銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。これにより、接合時におけるセラミックス部材の熱劣化等を抑制することが可能となる。
　なお、第２の態様においては、活性金属として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等を用いることができる。さらに、アルミナとして、９２％アルミナ（Ａｌ２Ｏ３純度９２ｍａｓｓ％以上）、９６％アルミナ（Ａｌ２Ｏ３純度９６ｍａｓｓ％以上）、９８％アルミナ（Ａｌ２Ｏ３純度９８ｍａｓｓ％以上）、ジルコニア強化アルミナ等を用いることができる。 Here, when an active element is interposed and a ceramic member made of alumina and a ceramic member made of alumina are bonded together under the condition of maintaining a high temperature, the active element and oxygen of alumina react to form a thick oxide layer. . In the second aspect, the active element oxide layer can be formed relatively thin by bonding a copper member and a ceramic member made of alumina under low temperature conditions.
Further, when phosphorus (P) is interposed at the bonding interface, the phosphorus (P) is bonded to the active element and reacts with oxygen, whereby the active element oxide containing phosphorus (P) on the surface of the ceramic member. A layer is easily formed. Therefore, the copper member and the ceramic member can be reliably bonded even under low temperature conditions. Thereby, it becomes possible to suppress the thermal deterioration of the ceramic member at the time of joining.
In the second embodiment, Ti, Zr, Hf, etc. can be used as the active metal. Furthermore, as alumina, 92% alumina (Al 2 O 3 purity of 92 mass% or more), 96% alumina (Al 2 O 3 purity of 96 mass% or more), 98% alumina (Al 2 O 3 purity of 98 mass% or more), zirconia reinforced alumina Etc. can be used.
　第２の態様の銅／セラミックス接合体においては、前記活性元素酸化物層における燐濃度が、１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていてもよい。
　この場合、前記活性元素酸化物層における燐濃度（Ｐ濃度）が、１．５ｍａｓｓ％以上とされているので、低温の条件でも確実に前記活性元素酸化物層を形成でき、銅部材とセラミックス部材とを強固に接合することが可能となる。また、前記活性元素酸化物層における燐濃度（Ｐ濃度）が、１０ｍａｓｓ％以下とされているので、前記活性元素酸化物層が過剰に硬くなることがなく、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス部材に割れが生じることを抑制できる。 In the copper / ceramic bonding article of the second aspect, the phosphorus concentration in the active element oxide layer may be in the range of 1.5 mass% or more and 10 mass% or less.
In this case, since the phosphorus concentration (P concentration) in the active element oxide layer is 1.5 mass% or more, the active element oxide layer can be reliably formed even under low temperature conditions, and a copper member and a ceramic member. Can be firmly joined. In addition, since the phosphorus concentration (P concentration) in the active element oxide layer is set to 10 mass% or less, the active element oxide layer is not excessively hardened, for example, due to thermal stress during a cooling cycle load. It can suppress that a ceramic member is cracked.
　第２の態様のパワーモジュール用基板は、アルミナ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、上述の銅／セラミックス接合体で構成されていることを特徴としている。
　この構成のパワーモジュール用基板によれば、上述の銅／セラミックス接合体で構成されているので、低温の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、低温の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が確実に接合しており、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。 The power module substrate of the second aspect is a power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of alumina, and is composed of the above-described copper / ceramic bonded body. It is characterized by being.
According to the power module substrate having this configuration, the above-described copper / ceramic bonding body is used, so that the thermal load on the ceramic substrate can be reduced by bonding under low temperature conditions, and deterioration of the ceramic substrate is suppressed. be able to. Moreover, even if it joins on low temperature conditions, the ceramic substrate and the copper plate have joined reliably, and joining reliability can be ensured. In addition, the copper plate joined to the surface of the ceramic substrate is used as a circuit layer or a metal layer.
　本発明の第１の態様によれば、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体、及び、この銅／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。 According to the first aspect of the present invention, a copper / ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of nitride ceramics are securely bonded, and the copper / ceramic bonded body are formed. A power module substrate can be provided.
　本発明の第２の態様によれば、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体、及び、この銅／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。 According to the second aspect of the present invention, a copper / ceramic joined body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are securely joined, and a power module made of the copper / ceramic joined body. It is possible to provide a substrate for use.
本発明の第一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。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is 1st embodiment of this invention. 本発明の第一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。It is a schematic diagram of the joining interface of the circuit layer (copper member) of the board | substrate for power modules which is 1st embodiment of this invention, and a ceramic substrate (ceramics member). 本発明の第一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。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is 1st embodiment of this invention. 本発明の第一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。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is 1st embodiment of this invention. 本発明の第二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。It is a schematic diagram of the joining interface of the circuit layer (copper member) of the board | substrate for power modules which is 2nd embodiment of this invention, and a ceramic substrate (ceramics member). 本発明例Ａ１の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）における接合界面の観察写真である。It is an observation photograph of the joining interface in the copper / ceramic bonding body (substrate for power module) of Invention Example A1. 本発明例Ａ１３の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）における接合界面の観察写真である。It is an observation photograph of the joining interface in the copper / ceramic bonding body (substrate for power module) of Invention Example A13. 本発明の第三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。It is a schematic explanatory drawing of the power module using the board | substrate for power modules which is 3rd embodiment of this invention. 本発明の第三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。It is a schematic diagram of the joining interface of the circuit layer (copper member) of the board | substrate for power modules which is 3rd embodiment of this invention, and a ceramic substrate (ceramics member). 本発明の第三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。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the board | substrate for power modules which is 3rd embodiment of this invention. 本発明例Ｂ２の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）における接合界面の観察写真である。It is an observation photograph of the joining interface in the copper / ceramic bonding body (substrate for power module) of Invention Example B2.
［第１の態様］
　［第一の実施形態］
　以下に、本発明の第１の態様に係る、第一の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
　本発明の第一の実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板１１と、銅または銅合金からなる銅部材としての銅板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とされている。
　図１に、本発明の第一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。 [First embodiment]
[First embodiment]
Hereinafter, a first embodiment according to a first aspect of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The copper / ceramic bonding body according to the first embodiment of the present invention includes a ceramic substrate 11 as a ceramic member made of nitride ceramics and a copper plate 22 (circuit layer 12) as a copper member made of copper or a copper alloy. The power module substrate 10 is configured by bonding.
FIG. 1 shows a power module substrate 10 according to a first embodiment of the present invention and a power module 1 using the power module substrate 10.
　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）の面にはんだ層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。 The power module 1 includes a power module substrate 10, a semiconductor element 3 bonded to a surface on one side (the upper side in FIG. 1) of the power module substrate 10 via a solder layer 2, and the power module substrate 10. And a heat sink 51 disposed on the other side (lower side in FIG. 1).
Here, the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
　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、第一の実施形態のセラミックス基板１１は、窒化物セラミックスの１種であるＡｌＮ（窒化アルミニウム）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いることが好ましく、第一の実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。 The power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and the ceramic substrate 11 of the first embodiment is an AlN (aluminum nitride) which is a kind of nitride ceramics. ). Here, the thickness of the ceramic substrate 11 is preferably set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in the first embodiment.
　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。第一の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いることが好ましく、第一の実施形態では０．６ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 4, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 11. In the first embodiment, an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate 22 constituting the circuit layer 12. A circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted. Here, the thickness of the circuit layer 12 is preferably 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 first embodiment.
　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。第一の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／ｍｍ２以下とされていることが好ましい。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いることが好ましく、第一の実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 4, the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11. In the first embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 11.
The aluminum plate 23 preferably has a 0.2% proof stress of 30 N / mm 2 or less. Here, the thickness of the metal layer 13 (aluminum plate 23) is preferably set within a range of 0.5 mm or more and 6 mm or less, and is set to 2.0 mm in the first embodiment.
　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、第一の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、第一の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。 The heat sink 51 is for cooling the power module substrate 10 described above, and includes a top plate portion 52 joined to the power module substrate 10 and a flow path 53 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). It has. The heat sink 51 (top plate portion 52) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the first embodiment.
In the first embodiment, the heat sink 51 (top plate portion 52) is directly joined to the metal layer 13 of the power module substrate 10 by brazing.
　ここで、図２に示すように、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、活性元素と酸素とを含む活性元素酸化物層３０が形成されている。第一の実施形態では、この活性元素酸化物層３０の厚さｔが、５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされている。活性元素酸化物層３０の厚さｔは１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であると好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であるとより好ましい。なお、活性元素酸化物層３０における活性元素の濃度は３５ａｔ％～７０ａｔ％の範囲内とされている。なお、ここでの活性元素の濃度は活性元素とＰとＯの合計量を１００とした時の濃度である。
　第一の実施形態においては、活性元素としてＴｉを有しており、上述の活性元素酸化物層３０は、Ｔｉと酸素とを含むＴｉ－Ｏ層とされている。
　また、第一の実施形態においては、後述するように、Ｐを含むＣｕ－Ｐ系ろう材２４を用いてセラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）とを接合していることから、活性元素酸化物層３０にはＰが含有されている。なお、第一の実施形態では、活性元素酸化物層３０におけるＰの含有量が１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていることが好ましく、より好ましくは３ｍａｓｓ％以上８ｍａｓｓ％以下の範囲内である。なお、ここでのＰの含有量はＴｉとＰとＯの合計量を１００とした時の含有量である。
　Ｐの含有量が１．５ｍａｓｓ％以上とされているので、確実に活性元素酸化物層３０を形成することができ、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％以下とされているので、活性元素酸化物層３０が過剰に硬くなることがなく、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によるセラミックス基板への負荷を低減でき、接合界面の信頼性低下を防ぐことができる。
　なお、Ｐを含むＣｕ－Ｐ系ろう材２４を用いずにセラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）とを接合する場合は、ろう材２４として、後述するＣｕ－Ａｌろう材等を用いることが出来る。
　活性元素酸化物層３０の厚さｔは、透過型電子顕微鏡を用い、倍率２０万倍で接合界面を観察し、活性元素の濃度が３５ａｔ％～７０ａｔ％の範囲内にある箇所を活性元素酸化物層３０とみなし、その厚さを測定して得る。活性元素の濃度（ａｔ％）は、透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳ（エネルギー分散形X線分光器）で測定し、Ｐ濃度、活性元素濃度及びＯ濃度の合計を１００とした時の活性元素の濃度とした。活性元素酸化物層の厚さは、５視野の平均値とした。
　活性元素酸化物層３０のＰの含有量（ｍａｓｓ％）は、活性元素酸化物層３０中のＰ濃度（ｍａｓｓ％）、Ｔｉ濃度（ｍａｓｓ％）及びＯ濃度（ｍａｓｓ％）を透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳで測定し、Ｐ濃度、Ｔｉ濃度及びＯ濃度の合計を１００とした時のＰ濃度（ｍａｓｓ％）を算出して得る。Ｐの含有量（ｍａｓｓ％）については、測定点を５点とし、その平均値とした。 Here, as shown in FIG. 2, an active element oxide layer 30 containing an active element and oxygen is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22). In the first embodiment, the thickness t of the active element oxide layer 30 is in the range of 5 nm to 220 nm. The thickness t of the active element oxide layer 30 is preferably 10 nm or more and 220 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 50 nm or less. The active element concentration in the active element oxide layer 30 is in the range of 35 at% to 70 at%. Here, the concentration of the active element is a concentration when the total amount of the active element, P and O is 100.
In the first embodiment, Ti is used as an active element, and the above active element oxide layer 30 is a Ti—O layer containing Ti and oxygen.
In the first embodiment, as will be described later, since the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22) are joined using a Cu—P brazing material 24 containing P, the active element The oxide layer 30 contains P. In the first embodiment, the P content in the active element oxide layer 30 is preferably in the range of 1.5 mass% to 10 mass%, more preferably 3 mass% to 8 mass%. Within range. In addition, content of P here is content when the total amount of Ti, P, and O is set to 100.
Since the P content is 1.5 mass% or more, the active element oxide layer 30 can be reliably formed, and the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 can be reliably bonded. In addition, since the P content is 10 mass% or less, the active element oxide layer 30 is not excessively hardened, and for example, the load on the ceramic substrate due to the thermal stress during the thermal cycle load can be reduced. It is possible to prevent the reliability of the interface from being lowered.
When the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22) are joined without using the Cu—P brazing material 24 containing P, a Cu—Al brazing material, which will be described later, is used as the brazing material 24. I can do it.
The thickness t of the active element oxide layer 30 is determined by observing the bonding interface at a magnification of 200,000 times using a transmission electron microscope, and oxidizing the active element at a location where the active element concentration is in the range of 35 at% to 70 at%. It is regarded as the physical layer 30 and is obtained by measuring its thickness. The concentration (at%) of the active element is measured with an EDS (energy dispersive X-ray spectrometer) attached to the transmission electron microscope, and the active element concentration when the sum of the P concentration, the active element concentration, and the O concentration is 100 is used. Concentration. The thickness of the active element oxide layer was an average value of five fields of view.
The P content (mass%) of the active element oxide layer 30 is determined by measuring the P concentration (mass%), Ti concentration (mass%), and O concentration (mass%) in the active element oxide layer 30 with a transmission electron microscope. Measured with the attached EDS and obtained by calculating the P concentration (mass%) when the total of the P concentration, Ti concentration and O concentration is 100. About content (mass%) of P, the measurement point was made into five points and it was set as the average value.
　次に、上述した第一の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及び図４を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the power module substrate 10 according to the first embodiment described above will be described with reference to FIGS.
　まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４、Ｔｉ材２５（活性元素材）、及び回路層１２となる銅板２２を順に積層する（第１積層工程Ｓ０１）とともに、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に、接合材２７を介して金属層１３となるＡｌ板２３を順に積層する（第２積層工程Ｓ０２）。 First, as shown in FIG. 4, a Cu—P brazing material 24, a Ti material 25 (active material) and a copper plate 22 to be the circuit layer 12 are formed on one surface (the upper surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11. In addition to sequentially laminating (first laminating step S01), an Al plate 23 to be the metal layer 13 is sequentially laminated on the other surface (lower surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 via a bonding material 27 (second laminating step). S02).
　ここで、第一の実施形態では、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４として、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、かつ、低融点元素であるＳｎを７ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、さらに、Ｎｉを２ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲で含むＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材を用いることが好ましい。さらに、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
　Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４としては、他にＣｕ－Ｐ－Ｚｎろう材等を用いることが出来る。 In the first embodiment, the Cu—P brazing material 24 includes P in a range of 3 mass% to 10 mass%, and Sn, which is a low melting point element, in a range of 7 mass% to 50 mass%. Further, it is preferable to use a Cu—P—Sn—Ni brazing material containing Ni in a range of 2 mass% to 15 mass%. Furthermore, the thickness of the Cu—P brazing material 24 is preferably in the range of 5 μm to 50 μm.
As the Cu—P brazing material 24, a Cu—P—Zn brazing material or the like can be used.
　また、第一の実施形態では、Ｔｉ材２５の厚さは、０．１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされることが好ましく、第一の実施形態では厚さ１２μｍのＴｉ箔を用いている。なお、Ｔｉ材２５は、厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下の場合には蒸着やスパッタによって成膜することが好ましく、厚さが０．５μｍ以上の場合には箔材を用いることが好ましい。
　さらに、第一の実施形態では、アルミニウム板２３をセラミックス基板１１に接合する接合材２７として、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系ろう材（例えばＡｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材）を用いることが好ましい。
　接合材２７としては、他にＡｌ－Ｃｕろう材やＣｕ等を用いることが出来る。接合材２７としてＣｕ（例えば、固着量としては０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下）を用いた場合、いわゆる過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｂｏｎｄｉｎｇ、ＴＬＰ）によって接合することが出来る。 In the first embodiment, the thickness of the Ti material 25 is preferably in the range of 0.1 μm to 25 μm. In the first embodiment, a Ti foil having a thickness of 12 μm is used. The Ti material 25 is preferably formed by vapor deposition or sputtering when the thickness is 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, and when the thickness is 0.5 μm or more, a foil material is used. preferable.
Furthermore, in the first embodiment, as the bonding material 27 for bonding the aluminum plate 23 to the ceramic substrate 11, an Al—Si based brazing material containing Si as a melting point lowering element (for example, Al—7.5 mass% Si brazing material). ) Is preferably used.
As the bonding material 27, Al—Cu brazing material, Cu, or the like can be used. When Cu is used as the bonding material 27 (for example, the adhesion amount is 0.08 mg / cm 2 or more and 2.7 mg / cm 2 or less), bonding is performed by a so-called transient liquid phase bonding (TLP) method. I can do it.
　次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４、Ｔｉ箔２５、銅板２２、接合材２７、Ａｌ板２３を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２）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Ｓ０３）。第一の実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、保持時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
　以上の工程Ｓ０１～Ｓ０３により、第一の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。 Next, the ceramic substrate 11, the Cu—P brazing material 24, the Ti foil 25, the copper plate 22, the bonding material 27, and the Al plate 23 are heated in a vacuum while being pressurized (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ) in the stacking direction. The furnace is charged and heated (heat treatment step S03). In the first embodiment, 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., and the holding time is 30 minutes to 360 It is set within the range of minutes.
Through the above steps S01 to S03, the power module substrate 10 according to the first embodiment is manufactured.
　次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、ヒートシンク５１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
　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２８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２８としては、例えば、厚さ２０～１１０μｍのＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔（例えばＡｌ－１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔）を用いることができ、ろう付け温度は、加熱処理工程Ｓ０３における温度条件よりも低温に設定する。 Next, the heat sink 51 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the power module substrate 10 (heat sink bonding step S04).
The power module substrate 10 and the heat sink 51 are laminated via the brazing material 28, pressurized in the laminating direction, and inserted into a vacuum furnace for brazing. As a result, the metal layer 13 of the power module substrate 10 and the top plate portion 52 of the heat sink 51 are joined. At this time, as the brazing material 28, for example, an Al—Si based brazing foil having a thickness of 20 to 110 μm (for example, Al-10 mass% Si brazing foil) can be used, and the brazing temperature is set in the heat treatment step S03. Set to a lower temperature than the temperature condition in.
　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Ｓ０５）。
　以上の工程Ｓ０１～Ｓ０５により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。 Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the power module substrate 10 by soldering (semiconductor element mounting step S05).
Through the above steps S01 to S05, the power module 1 shown in FIG. 1 is manufactured.
　ここで、加熱処理工程Ｓ０３においては、セラミックス基板１１と銅板２２との接合界面において、Ｔｉ箔２５のＴｉと、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４のＰと、セラミックス基板１１やＣｕ－Ｐ系ろう材２４等に存在する酸素と、が反応し、Ｐを含む活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｏ層）が形成される。なお、セラミックス基板１１やＣｕ－Ｐ系ろう材２４等に存在する酸素としては、例えばセラミックス基板１１の表面に存在する酸化物、Ｔｉ箔２５やＣｕ－Ｐ系ろう材２４に含まれる酸化物等が挙げられる。 Here, in the heat treatment step S03, at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22, Ti of the Ti foil 25, P of the Cu—P brazing material 24, and the ceramic substrate 11 or the Cu—P brazing material. The oxygen present in 24 and the like reacts to form an active element oxide layer 30 (Ti—O layer) containing P. Examples of oxygen present in the ceramic substrate 11 and the Cu—P brazing material 24 are oxides present on the surface of the ceramic substrate 11, oxides contained in the Ti foil 25 and the Cu—P brazing material 24, and the like. Is mentioned.
　以上のような構成とされた第一の実施形態の銅／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、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４及びＴｉ箔２５を介して接合されており、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面に、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｏ層）が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２とが強固に接合されることになる。 According to the copper / ceramic bonding body (power module substrate 10) of the first embodiment configured as described above, the copper plate 22 (circuit layer 12) made of oxygen-free copper and the ceramic substrate 11 made of AlN; Are bonded via a Cu-P brazing filler metal 24 and a Ti foil 25, and an active element oxide layer 30 (Ti-O layer) is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12). Thus, the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are firmly bonded.
　第一の実施形態では、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｏ層）の厚さｔが５ｎｍ以上とされているので、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）とが確実に接合され、これらの接合強度を確保することが可能となる。一方、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｏ層）の厚さｔが２２０ｎｍ以下とされているので、冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。
　なお、上述の作用効果を奏するためには、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｏ層）の厚さｔを１０ｎｍ以上、２２０ｎｍ以下とすることが好ましい。
　また、活性元素酸化物層３０における活性元素（第一の実施形態ではＴｉ）の濃度は３５ａｔ％～７０ａｔ％の範囲内とされている。なお、ここでの活性元素の濃度は活性元素（第一の実施形態ではＴｉ）とＰとＯの合計量を１００とした時の濃度である。 In the first embodiment, since the thickness t of the active element oxide layer 30 (Ti—O layer) is 5 nm or more, the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12) are reliably bonded, It is possible to ensure these bonding strengths. On the other hand, since the thickness t of the active element oxide layer 30 (Ti—O layer) is set to 220 nm or less, it is possible to suppress the ceramic substrate 11 from being cracked by the thermal stress during the cooling cycle load.
In order to achieve the above-described effects, the thickness t of the active element oxide layer 30 (Ti—O layer) is preferably 10 nm or more and 220 nm or less.
The concentration of the active element (Ti in the first embodiment) in the active element oxide layer 30 is in the range of 35 at% to 70 at%. Here, the concentration of the active element is a concentration when the total amount of the active element (Ti in the first embodiment), P, and O is 100.
　さらに、第一の実施形態では、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４を用いて接合しているので、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４のＰとＴｉ箔２５のＴｉとが反応し、さらに酸素と反応することによって、Ｐを含有する活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｏ層）が確実に形成されることになる。これにより、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）とを確実に接合することが可能となる。すなわち、活性元素であるＴｉと反応しやすく、かつ、酸素とも反応しやすい元素であるＰを界面に介在させることで、上述の活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｏ層）の形成が促進され、低温の条件でもセラミックス基板１１と銅板２２とが確実に接合されるのである。 Furthermore, in the first embodiment, since bonding is performed using the Cu—P based brazing material 24, P of the Cu—P based brazing material 24 and Ti of the Ti foil 25 react, and further react with oxygen. Thus, the active element oxide layer 30 (Ti—O layer) containing P is surely formed. Thereby, it becomes possible to join the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12) reliably. That is, the formation of the active element oxide layer 30 (Ti—O layer) is promoted by interposing P, which is an element that easily reacts with the active element Ti and also with oxygen, at the interface. The ceramic substrate 11 and the copper plate 22 are reliably bonded even under low temperature conditions.
　また、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と銅板２２とを、Ｔｉを介在させて高温保持した場合には（例えば、７９０℃～８５０℃）、セラミックス基板１１中の窒素とＴｉとが反応し、ＴｉＮが形成されることになるが、第一の実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３において低温の条件（６００℃以上６５０℃以下の範囲）としていることから、ＴｉＮが形成されず、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｏ層）が形成されるのである。 Further, when the ceramic substrate 11 made of AlN and the copper plate 22 are held at a high temperature with Ti interposed (for example, 790 ° C. to 850 ° C.), nitrogen in the ceramic substrate 11 reacts with Ti, and TiN becomes Although it is formed, in the first embodiment, the low temperature condition (in the range of 600 ° C. or more and 650 ° C. or less) is used in the heat treatment step S03, so that TiN is not formed and the active element oxide layer 30 is formed. (Ti—O layer) is formed.
　さらに、第一の実施形態では、上述のように、セラミックス基板１１と銅板２２とを低温の条件で接合可能であることから、第一の実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３において、セラミックス基板１１と銅板２２、及び、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３を同時に接合している。よって、パワーモジュール用基板１０の製造効率を大幅に向上させ、製造コストを削減することができる。また、セラミックス基板１１の両面に同時に銅板２２及びアルミニウム板２３を接合するので、接合時におけるセラミックス基板１１の反りの発生を抑制することができる。 Furthermore, in the first embodiment, as described above, the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 can be bonded under low temperature conditions. Therefore, in the first embodiment, in the heat treatment step S03, The copper plate 22 and the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are bonded simultaneously. Therefore, the manufacturing efficiency of the power module substrate 10 can be greatly improved, and the manufacturing cost can be reduced. Further, since the copper plate 22 and the aluminum plate 23 are simultaneously bonded to both surfaces of the ceramic substrate 11, the occurrence of warpage of the ceramic substrate 11 at the time of bonding can be suppressed.
　［第二の実施形態］
　次に、本発明の第１の態様に係る、第二の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
　本発明の第二の実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、第一の実施形態と同様に、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板１１と、銅または銅合金からなる銅部材としての銅板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とされており、図１に示すパワーモジュール用基板のうちセラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面の構造が異なっている。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment according to the first aspect of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As in the first embodiment, the copper / ceramic bonded body according to the second embodiment of the present invention is a ceramic substrate 11 as a ceramic member made of nitride ceramics and a copper member made of copper or a copper alloy. It is set as the board | substrate for power modules comprised by joining the copper plate 22 (circuit layer 12), and it joins the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12) among the board | substrates for power modules shown in FIG. The interface structure is different.
　図５に、本発明の第二の実施形態におけるセラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面の構造を示す。
　第二の実施形態においては、図５に示すように、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、活性元素と酸素とを含む活性元素酸化物層１３０と、Ｃｕ－Ａｌ共晶層１３１と、が積層配置されている。すなわち、活性元素酸化物層１３０と銅板２２（回路層１２）との間にＣｕ－Ａｌ共晶層１３１が形成されているのである。 FIG. 5 shows the structure of the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12) in the second embodiment of the present invention.
In the second embodiment, as shown in FIG. 5, at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22), an active element oxide layer 130 containing an active element and oxygen, Cu— The Al eutectic layer 131 is laminated. That is, the Cu—Al eutectic layer 131 is formed between the active element oxide layer 130 and the copper plate 22 (circuit layer 12).
　ここで、第二の実施形態では、活性元素酸化物層１３０の厚さｔが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされており、１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内であると好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内であるとより好ましい。また、第二の実施形態においては、活性元素としてＴｉを有しており、上述の活性元素酸化物層１３０は、Ｔｉと酸素とを含むＴｉ－Ｏ層とされている。
　また、第二の実施形態では、Ｃｕ－Ａｌ共晶層１３１の厚さｔｅが１０μｍ以上６０μｍ以下の範囲内であることが好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であるとより好ましい。なお、Ｃｕ－Ａｌ共晶層１３１においては、活性元素酸化物層１３０側に活性元素（第二の実施形態ではＴｉ）が濃化した活性元素濃化層１３１ａを備えていてもよい。
　活性元素酸化物層１３０における活性元素の濃度は３５ａｔ％～７０ａｔ％の範囲内とされている。
　Ｃｕ－Ａｌ共晶層は、組成がＣｕ濃度とＡｌ濃度を合わせて１００ａｔ％としたときのＣｕ濃度が６０ａｔ％～９０ａｔ％である箇所をいう。
　活性元素濃化層１３１ａにおける活性元素の濃度は４０ａｔ％～６０ａｔ％の範囲内であることが好ましく、５０ａｔ％～６０ａｔ％の範囲内であることがより好ましい。活性元素濃化層１３１ａはその厚みが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内であると好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内であるとより好ましい。
　活性元素酸化物層１３０の活性元素の濃度及び厚みは、第一の実施形態の活性元素酸化物層３０の活性元素の濃度及び厚みと同様の方法で測定される。
　Ｃｕ－Ａｌ共晶層の厚みは、透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳを用い、組成がＣｕ濃度とＡｌ濃度を合わせて１００ａｔ％としたときのＣｕ濃度が６０ａｔ％～９０ａｔ％である箇所の厚さを５か所測定し、その平均値を求める。
　活性元素濃化層１３１ａの組成は、透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳを用いて測定する。 Here, in the second embodiment, the thickness t of the active element oxide layer 130 is in the range of 5 nm to 220 nm, preferably 10 nm to 220 nm, and preferably 10 nm to 50 nm. More preferably within the range. In the second embodiment, Ti is included as an active element, and the above active element oxide layer 130 is a Ti—O layer containing Ti and oxygen.
Further, in the second embodiment, it is preferable that the thickness t e of the Cu-Al eutectic layer 131 is in the range of 10μm or 60μm or less, and more preferably in the range of from 10μm or more 30μm or less. Note that the Cu—Al eutectic layer 131 may include an active element concentrated layer 131a in which an active element (Ti in the second embodiment) is concentrated on the active element oxide layer 130 side.
The concentration of the active element in the active element oxide layer 130 is in the range of 35 at% to 70 at%.
The Cu—Al eutectic layer refers to a portion where the Cu concentration is 60 at% to 90 at% when the composition is 100 at% in which the Cu concentration and the Al concentration are combined.
The concentration of the active element in the active element concentrated layer 131a is preferably in the range of 40 at% to 60 at%, and more preferably in the range of 50 at% to 60 at%. The thickness of the active element concentrated layer 131a is preferably in the range of 10 nm to 200 nm, and more preferably in the range of 10 nm to 50 nm.
The concentration and thickness of the active element in the active element oxide layer 130 are measured by the same method as the concentration and thickness of the active element in the active element oxide layer 30 of the first embodiment.
The thickness of the Cu—Al eutectic layer is the thickness of the portion where the Cu concentration is 60 at% to 90 at% when the composition is set to 100 at% using the EDS attached to the transmission electron microscope. Is measured at five locations, and the average value is obtained.
The composition of the active element concentrated layer 131a is measured using an EDS attached to a transmission electron microscope.
　第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法は、第一の実施形態におけるパワーモジュール用基板の製造方法に対して、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２４の代わりに、Ｃｕ－Ａｌ系ろう材を用いる点で相違している。
　第二の実施形態では、Ｃｕ－Ａｌ系ろう材として、Ａｌを４５ｍａｓｓ％以上９５ｍａｓｓ％以下の範囲で含むＣｕ－Ａｌろう材を用いている。さらに、Ｃｕ－Ａｌ系ろう材の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とされていることが好ましい。
　なお、接合時の加熱温度は、５８０℃以上６５０℃以下とすることが望ましい。
　第二の実施形態においては、Ａｌを含むＣｕ－Ａｌ系ろう材を用いてセラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）とを接合しており、このＣｕ－Ａｌ系ろう材中のＡｌがＣｕと共晶反応することで、低温条件下で液相が生じ、上述のＣｕ－Ａｌ共晶層１３１が形成されることになる。 The power module substrate manufacturing method according to the second embodiment is different from the power module substrate manufacturing method according to the first embodiment in that a Cu—Al based brazing material is used instead of the Cu—P based brazing material 24. Is different in that it is used.
In the second embodiment, a Cu—Al brazing material containing Al in the range of 45 mass% to 95 mass% is used as the Cu—Al based brazing material. Furthermore, the thickness of the Cu—Al based brazing material is preferably in the range of 5 μm to 50 μm.
Note that the heating temperature at the time of bonding is preferably 580 ° C. or more and 650 ° C. or less.
In the second embodiment, the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22) are joined using a Cu—Al based brazing material containing Al, and the Al in the Cu—Al based brazing material is Cu. As a result of the eutectic reaction, a liquid phase is generated under a low temperature condition, and the above-described Cu—Al eutectic layer 131 is formed.
　以上のような構成とされた第二の実施形態の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）によれば、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面に、活性元素酸化物層１３０（Ｔｉ－Ｏ層）が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２とが強固に接合されることになる。
　また、活性元素酸化物層１３０と銅板２２（回路層１２）との間にＣｕ－Ａｌ共晶層１３１が形成されているので、共晶反応によって低温条件で液相が生じ、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。
　ここで、Ｃｕ－Ａｌ共晶層１３１の厚さｔｅが１０μｍ以上とされているので、上述のように液相が十分に形成され、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。また、Ｃｕ－Ａｌ共晶層１３１の厚さｔｅが６０μｍ以下とされているので、接合界面近傍が脆くなることを抑制でき、高い冷熱サイクル信頼性を確保することが可能となる。 According to the copper / ceramic bonding body (power module substrate) of the second embodiment configured as described above, an active element oxide is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (circuit layer 12). Since the layer 130 (Ti—O layer) is formed, the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are firmly bonded.
In addition, since the Cu—Al eutectic layer 131 is formed between the active element oxide layer 130 and the copper plate 22 (circuit layer 12), a liquid phase is generated under a low temperature condition by the eutectic reaction, and the ceramic substrate 11 The circuit layer 12 can be reliably bonded.
Here, since the thickness t e of the Cu-Al eutectic layer 131 is equal to or greater than 10 [mu] m, the liquid phase is sufficiently formed as described above, to reliably bond the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 Can do. Further, since the thickness t e of the Cu-Al eutectic layer 131 is a 60μm or less, it is possible to suppress the bonding interface area becomes brittle, it is possible to ensure a high thermal cycle reliability.
　以上、本発明の第１の態様に係る、第一及び第二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、銅部材としての銅板（回路層）とセラミックス部材としてのセラミックス基板とを接合したパワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であればよい。 The first and second embodiments according to the first aspect of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to this, and may be changed as appropriate without departing from the technical idea of the present invention. Is possible.
For example, a power module substrate in which a copper plate (circuit layer) as a copper member and a ceramic substrate as a ceramic member are joined has been described as an example, but the present invention is not limited thereto, and is made of copper or a copper alloy. Any copper / ceramic bonded body in which a copper member and a ceramic member made of nitride ceramics are bonded may be used.
　また、銅板を接合することによって回路層を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板を接合することによって金属層を形成してもよい。
　さらに、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、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、金属層は、アルミニウム板で構成したものに限定されることはなく、その他の金属で構成したものであってもよい。 Moreover, although demonstrated as what forms a circuit layer by joining a copper plate, it is not limited to this, You may form a metal layer by joining a copper plate.
Furthermore, although the copper plate was demonstrated as a rolled plate of an oxygen free copper or a tough pitch copper, it is not limited to this, You may be comprised with another copper or copper alloy.
Moreover, although the aluminum plate which comprises a metal layer was demonstrated as a rolled plate of pure aluminum of purity 99.99 mass%, it is not limited to this, Other aluminum, such as aluminum (2N aluminum) of purity 99mass% Alternatively, it may be made of an aluminum alloy.
Furthermore, a metal layer is not limited to what was comprised with the aluminum plate, and may be comprised with the other metal.
　また、窒化物セラミックスとしてＡｌＮを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他の窒化物セラミックスを適用してもよい。
　さらに、活性元素としてＴｉを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ等の他の活性元素を適用してもよい。
　また、本発明の第一及び第二の実施形態では、接合界面に形成された活性元素酸化物層にＰが含有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。 Further, although AlN has been described as an example of the nitride ceramic, the present invention is not limited thereto, and other nitride ceramics such as Si 3 N 4 may be applied.
Furthermore, although Ti has been described as an example of the active element, the present invention is not limited to this, and other active elements such as Zr, Hf, and Nb may be applied.
Moreover, in 1st and 2nd embodiment of this invention, although demonstrated as what contained P in the active element oxide layer formed in the joining interface, it is not limited to this.
　さらに、本発明の第一及び第二の実施形態では、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材及びＣｕ－Ａｌ系ろう材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、他のろう材を用いてもよい。
　また、本発明の第一及び第二の実施形態では、セラミックス基板と銅板との間にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材及びＣｕ－Ａｌ系ろう材、Ｔｉ箔を介在させるものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉペースト及びＣｕ－Ａｌペースト、Ｔｉペースト等を介在させてもよい。 Further, in the first and second embodiments of the present invention, the description has been made on the assumption that the ceramic substrate and the copper plate are bonded using the Cu—P—Sn—Ni brazing material and the Cu—Al brazing material. However, other brazing materials may be used.
In the first and second embodiments of the present invention, it has been described that a Cu—P—Sn—Ni brazing material, a Cu—Al based brazing material, and a Ti foil are interposed between the ceramic substrate and the copper plate. However, the present invention is not limited to this, and Cu—P—Sn—Ni paste, Cu—Al paste, Ti paste, or the like may be interposed.
　また、上記第一及び第二の実施形態では、Ｔｉ箔を介在させるものとして説明したが、これに限らず水素化Ｔｉを用いることができる。この場合、水素化Ｔｉの粉末を直接介在させる方法や水素化Ｔｉペーストを塗布する方法を用いることができる。また、水素化Ｔｉだけでなく、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ等の他の活性元素の水素化物を用いることができる。 In the first and second embodiments, the Ti foil is described as being interposed. However, the present invention is not limited to this, and hydrogenated Ti can be used. In this case, a method of directly interposing a hydrogenated Ti powder or a method of applying a hydrogenated Ti paste can be used. In addition to Ti hydride, hydrides of other active elements such as Zr, Hf, and Nb can be used.
　さらに、ヒートシンクは、本発明の第一及び第二の実施形態で例示した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。 Furthermore, the heat sink is not limited to those exemplified in the first and second embodiments of the present invention, and the structure of the heat sink is not particularly limited.
Further, a buffer layer made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) may be provided between the top plate portion of the heat sink or the heat radiating plate and the metal layer.
［第２の態様］
　［第三の実施形態］
　以下に、本発明の第２の態様に係る、第三の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
　第一の実施形態と同じ構成を有する部材については、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
　第三の実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、アルミナからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板２１１と、銅または銅合金からなる銅部材としての銅板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２１０とされている。
　図８に、本発明の第三の実施形態であるパワーモジュール用基板２１０及びこのパワーモジュール用基板２１０を用いたパワーモジュール２０１を示す。 [Second embodiment]
[Third embodiment]
Below, 3rd embodiment based on the 2nd aspect of this invention is described with reference to attached drawing.
About the member which has the same structure as 1st embodiment, the same code | symbol is used and detailed description is abbreviate | omitted.
The copper / ceramic bonding body according to the third embodiment is obtained by bonding a ceramic substrate 211 as a ceramic member made of alumina and a copper plate 22 (circuit layer 12) as a copper member made of copper or a copper alloy. The power module substrate 210 is configured.
FIG. 8 shows a power module substrate 210 according to a third embodiment of the present invention and a power module 201 using the power module substrate 210.
　このパワーモジュール２０１は、パワーモジュール用基板２１０と、このパワーモジュール用基板２１０の一方側（図８において上側）の面にはんだ層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２１０の他方側（図８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。
　はんだ層２では、第一の実施形態と同様のはんだ材を用いることができる。 The power module 201 includes a power module substrate 210, a semiconductor element 3 bonded to a surface on one side (the upper side in FIG. 8) of the power module substrate 210 via a solder layer 2, and the power module substrate 210. And a heat sink 51 disposed on the other side (lower side in FIG. 8).
In the solder layer 2, the same solder material as in the first embodiment can be used.
　パワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面（図８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２１１の他方の面（図８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２１１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、第三の実施形態のセラミックス基板２１１は、アルミナの１種である９８％アルミナ（Ａｌ２Ｏ３純度９８ｍａｓｓ％以上）で構成されている。ここで、セラミックス基板２１１の厚さは、０．２～１．５ｍｍの範囲内に設定されることが好ましく、第三の実施形態では、０．３８ｍｍに設定されている。 The power module substrate 210 is formed on the ceramic substrate 211, the circuit layer 12 disposed on one surface (upper surface in FIG. 8) of the ceramic substrate 211, and the other surface (lower surface in FIG. 8) of the ceramic substrate 211. And a disposed metal layer 13.
The ceramic substrate 211 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and the ceramic substrate 211 of the third embodiment is 98% alumina (Al 2) which is a kind of alumina. O 3 purity of 98 mass% or more). Here, the thickness of the ceramic substrate 211 is preferably set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.38 mm in the third embodiment.
　回路層１２は、図１０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２２が接合されることにより形成されている。第三の実施形態においては、回路層１２は、第一の実施形態の回路層１２と同様の構成（材料、使用法、厚み等）を有する。 As shown in FIG. 10, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface of a ceramic substrate 211. In the third embodiment, the circuit layer 12 has the same configuration (material, usage, thickness, etc.) as the circuit layer 12 of the first embodiment.
　金属層１３は、図１０に示すように、セラミックス基板２１１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。第三の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２１１に接合されることで形成されている。
　なお、この第三の実施形態のアルミニウム板２３は、第一の実施形態のアルミニウム板２３と同様の構成（耐力、厚み等）を有する。 As shown in FIG. 10, the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 211. In the third embodiment, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to a ceramic substrate 211.
The aluminum plate 23 of the third embodiment has the same configuration (proof strength, thickness, etc.) as the aluminum plate 23 of the first embodiment.
　ヒートシンク５１は、前述のパワーモジュール用基板２１０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がパワーモジュール用基板２１０であることを除いて、第一の実施形態のヒートシンク５１と同様の構成（構造、材料、パワーモジュール用基板の金属層１３への接合方法等）を有する。 The heat sink 51 is for cooling the power module substrate 210 described above, and has the same configuration as the heat sink 51 of the first embodiment except that the power module substrate 10 is the power module substrate 210. (Structure, material, method of joining the power module substrate to the metal layer 13, etc.).
　ここで、図９に示すように、セラミックス基板２１１と回路層１２（銅板２２）との接合界面には、活性元素と酸素と燐とを含む活性元素酸化物層２３０が形成されている。第三の実施形態では、この活性元素酸化物層２３０の厚さｔが、５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされている。活性元素酸化物層２３０の厚さｔは１０ｎｍ以上２２０ｎｍ以下であると好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であるとより好ましい。
　第三の実施形態においては、活性元素としてＴｉを有しており、上述の活性元素酸化物層２３０は、Ｔｉと酸素（Ｏ）と燐（Ｐ）とを含むＴｉ－Ｐ－Ｏ層とされている。
　なお、活性元素としてＺｒを用いた場合には、活性元素酸化物層２３０はＺｒ－Ｐ－Ｏ層とされ、Ｎｂを用いた場合にはＮｂ－Ｐ－Ｏ層とされ、Ｈｆを用いた場合にはＨｆ－Ｐ－Ｏ層とされている。
　活性元素酸化物層２３０における活性元素の濃度は３５ａｔ％～７０ａｔ％の範囲内とされている。なお、ここでの活性元素の濃度は活性元素とＰとＯの合計量を１００とした時の濃度である。
　また、第三の実施形態においては、活性元素酸化物層２３０におけるＰの含有量が１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていることが好ましく、より好ましくは３ｍａｓｓ％以上８ｍａｓｓ％以下の範囲内である。なお、ここでのＰの含有量は活性金属とＰとＯの合計量を１００とした含有量である。
　Ｐの含有量が１．５ｍａｓｓ％以上とされているので、確実に活性元素酸化物層２３０を形成することができ、セラミックス基板２１１と回路層１２とを確実に接合することができる。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％以下とされているので、活性元素酸化物層２３０が過剰に硬くなることがなく、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によるセラミックス基板への負荷を低減でき、接合界面の信頼性低下を防ぐことができる。
　活性元素酸化物層２３０の活性元素の濃度及び厚み、並びにＰ含有量は、第一の実施形態の活性元素酸化物層３０の活性元素の濃度及び厚み、並びにＰ含有量と同様の方法で測定される。 Here, as shown in FIG. 9, an active element oxide layer 230 containing an active element, oxygen, and phosphorus is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 211 and the circuit layer 12 (copper plate 22). In the third embodiment, the thickness t of the active element oxide layer 230 is in the range of 5 nm to 220 nm. The thickness t of the active element oxide layer 230 is preferably 10 nm or more and 220 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 50 nm or less.
In the third embodiment, Ti is used as an active element, and the active element oxide layer 230 is a Ti—PO layer containing Ti, oxygen (O), and phosphorus (P). ing.
When Zr is used as the active element, the active element oxide layer 230 is a Zr—PO layer, and when Nb is used, the active element oxide layer 230 is an Nb—PO layer, and when Hf is used. Is an Hf—PO layer.
The concentration of the active element in the active element oxide layer 230 is in the range of 35 at% to 70 at%. Here, the concentration of the active element is a concentration when the total amount of the active element, P and O is 100.
In the third embodiment, the P content in the active element oxide layer 230 is preferably in the range of 1.5 mass% to 10 mass%, more preferably 3 mass% to 8 mass%. Is within the range. In addition, content of P here is content which made the total amount of an active metal, P, and O 100. FIG.
Since the P content is 1.5 mass% or more, the active element oxide layer 230 can be reliably formed, and the ceramic substrate 211 and the circuit layer 12 can be reliably bonded. Further, since the P content is 10 mass% or less, the active element oxide layer 230 is not excessively hardened, and for example, the load on the ceramic substrate due to the thermal stress at the time of a cold cycle load can be reduced. It is possible to prevent the reliability of the interface from decreasing.
The concentration and thickness of the active element of the active element oxide layer 230 and the P content are measured by the same method as the concentration and thickness of the active element and the P content of the active element oxide layer 30 of the first embodiment. Is done.
　次に、上述した第三の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３及び図１０を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the power module substrate 210 according to the third embodiment described above will be described with reference to FIGS.
　まず、図１０に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面（図１０において上面）に、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４、Ｔｉ箔２２５、及び回路層１２となる銅板２２を順に積層する（第１積層工程Ｓ０１）とともに、セラミックス基板２１１の他方の面（図１０において下面）に、接合材２７を介して金属層１３となるＡｌ板２３を順に積層する（第２積層工程Ｓ０２）。 First, as shown in FIG. 10, the Cu—P brazing material 224, the Ti foil 225, and the copper plate 22 to be the circuit layer 12 are sequentially laminated on one surface (the upper surface in FIG. 10) of the ceramic substrate 211 (the first layer). Along with the one laminating step S01), the Al plate 23 to be the metal layer 13 is sequentially laminated on the other surface (the lower surface in FIG. 10) of the ceramic substrate 211 via the bonding material 27 (second laminating step S02).
ここで、第三の実施形態では、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４として、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、かつ、低融点元素であるＳｎを７ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、さらに、Ｎｉを２ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲で含むＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉろう材を用いることが好ましい。さらに、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。
　Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４としては、他にＣｕ－Ｐ－Ｚｎろう材等を用いることが出来る。 Here, in the third embodiment, the Cu—P brazing material 224 includes P in a range of 3 mass% to 10 mass%, and Sn, which is a low melting point element, in a range of 7 mass% to 50 mass%. Further, it is preferable to use a Cu—P—Sn—Ni brazing material containing Ni in a range of 2 mass% to 15 mass%. Further, the thickness of the Cu—P brazing material 224 is preferably in the range of 5 μm to 50 μm.
As the Cu—P brazing material 224, a Cu—P—Zn brazing material or the like can be used.
　また、第三の実施形態では、Ｔｉ箔２２５の厚さは、０．５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされることが好ましく、第三の実施形態では厚さ１２μｍのＴｉ箔を用いている。
　さらに、第三の実施形態では、アルミニウム板２３をセラミックス基板２１１に接合する接合材２７として、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系ろう材（例えばＡｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材）を用いることが好ましい。接合材２７としては、他に第一の実施形態で挙げたろう材と同じものを用いることが出来る。 In the third embodiment, the thickness of the Ti foil 225 is preferably in the range of 0.5 μm to 25 μm. In the third embodiment, a Ti foil having a thickness of 12 μm is used.
Further, in the third embodiment, as the bonding material 27 for bonding the aluminum plate 23 to the ceramic substrate 211, an Al—Si based brazing material containing Si as a melting point lowering element (for example, Al-7.5 mass% Si brazing material). ) Is preferably used. As the bonding material 27, the same brazing material as that described in the first embodiment can be used.
　次に、セラミックス基板２１１、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４、Ｔｉ箔２２５、銅板２２、接合材２７、Ａｌ板２３を積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２）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Ｓ０３）。第三の実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、保持時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
　以上の工程Ｓ０１～Ｓ０３により、第三の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。 Next, vacuum heating is performed in a state where the ceramic substrate 211, the Cu—P brazing material 224, the Ti foil 225, the copper plate 22, the bonding material 27, and the Al plate 23 are pressed in the stacking direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 ). The furnace is charged and heated (heat treatment step S03). In the third embodiment, 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., and the holding time is 30 minutes to 360 It is set within the range of minutes.
Through the steps S01 to S03, the power module substrate 210 according to the third embodiment is manufactured.
　次に、パワーモジュール用基板２１０の金属層１３の他方の面側に、ヒートシンク５１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
　パワーモジュール用基板２１０とヒートシンク５１とを、ろう材２８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２１０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２８としては、例えば、厚さ２０～１１０μｍのＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔（例えばＡｌ－１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔）を用いることができ、ろう付け温度は、加熱処理工程Ｓ０３における温度条件よりも低温に設定する。 Next, the heat sink 51 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the power module substrate 210 (heat sink bonding step S04).
The power module substrate 210 and the heat sink 51 are laminated through the brazing material 28, pressurized in the laminating direction, and inserted into a vacuum furnace for brazing. Thus, the metal layer 13 of the power module substrate 210 and the top plate portion 52 of the heat sink 51 are joined. At this time, as the brazing material 28, for example, an Al—Si based brazing foil having a thickness of 20 to 110 μm (for example, Al-10 mass% Si brazing foil) can be used, and the brazing temperature is set in the heat treatment step S03. Set to a lower temperature than the temperature condition in.
　次に、パワーモジュール用基板２１０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Ｓ０５）。
　以上の工程Ｓ０１～Ｓ０５により、図８に示すパワーモジュール２０１が製出される。 Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the power module substrate 210 by soldering (semiconductor element mounting step S05).
Through the above steps S01 to S05, the power module 201 shown in FIG. 8 is manufactured.
　ここで、加熱処理工程Ｓ０３においては、セラミックス基板２１１と銅板２２との接合界面において、Ｔｉ箔２２５のＴｉと、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４のＰと、セラミックス基板２１１やＣｕ－Ｐ系ろう材２２４等に存在する酸素と、が反応し、Ｐを含む活性元素酸化物層３０（Ｔｉ－Ｐ－Ｏ層）が形成される。セラミックス基板２１１やＣｕ－Ｐ系ろう材２２４等に存在する酸素としては、例えばセラミックス基板２１１の表面に存在する酸化物、Ｔｉ箔２２５やＣｕ－Ｐ系ろう材２２４に含まれる酸化物等が挙げられる。なお、第三の実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３が低温の条件で実施されていることから、セラミックス基板２１１を構成するアルミナの分解が抑制され、アルミナからの酸素の供給が抑えられ、活性元素酸化物層２３０を薄く形成することが可能となる。 Here, in the heat treatment step S03, at the bonding interface between the ceramic substrate 211 and the copper plate 22, Ti of the Ti foil 225, P of the Cu—P brazing material 224, and the ceramic substrate 211 or the Cu—P brazing material are used. Oxygen present in 224 and the like reacts to form an active element oxide layer 30 (Ti—PO layer) containing P. Examples of oxygen present in the ceramic substrate 211 and the Cu—P brazing material 224 include oxides present on the surface of the ceramic substrate 211, oxides contained in the Ti foil 225 and the Cu—P brazing material 224, and the like. It is done. In the third embodiment, since the heat treatment step S03 is performed under a low temperature condition, decomposition of alumina constituting the ceramic substrate 211 is suppressed, supply of oxygen from alumina is suppressed, and the active element The oxide layer 230 can be formed thin.
　以上のような構成とされた第三の実施形態の銅／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、無酸素銅からなる銅板２２（回路層１２）とアルミナからなるセラミックス基板２１１とが、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４及びＴｉ箔２２５を介して接合されており、セラミックス基板２１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面に、活性元素酸化物層２３０（Ｔｉ－Ｐ－Ｏ層）が形成されているので、セラミックス基板２１１と回路層１２とが強固に接合されることになる。 According to the copper / ceramic bonding body (power module substrate 210) of the third embodiment configured as described above, the copper plate 22 (circuit layer 12) made of oxygen-free copper and the ceramic substrate 211 made of alumina, Are joined via a Cu—P brazing material 224 and a Ti foil 225, and an active element oxide layer 230 (Ti—PO—O) is formed at the joining interface between the ceramic substrate 211 and the copper plate 22 (circuit layer 12). Therefore, the ceramic substrate 211 and the circuit layer 12 are firmly bonded.
　第三の実施形態では、活性元素酸化物層２３０（Ｔｉ－Ｐ－Ｏ層）の厚さｔが５ｎｍ以上とされているので、セラミックス基板２１１と銅板２２（回路層１２）とが確実に接合され、これらの接合強度を確保することが可能となる。一方、活性元素酸化物層２３０（Ｔｉ－Ｐ－Ｏ層）の厚さｔが２２０ｎｍ以下とされているので、冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス基板２１１に割れが生じることを抑制できる。
　なお、上述の作用効果を奏するためには、活性元素酸化物層２３０（Ｔｉ－Ｐ－Ｏ層）の厚さｔを１０ｎｍ以上、２２０ｎｍ以下とすることが好ましい。 In the third embodiment, since the thickness t of the active element oxide layer 230 (Ti—PO layer) is 5 nm or more, the ceramic substrate 211 and the copper plate 22 (circuit layer 12) are reliably bonded. Thus, it is possible to ensure the bonding strength. On the other hand, since the thickness t of the active element oxide layer 230 (Ti—PO layer) is set to 220 nm or less, it is possible to suppress the ceramic substrate 211 from being cracked due to thermal stress during a cold cycle load.
In order to achieve the above-described effects, it is preferable that the thickness t of the active element oxide layer 230 (Ti—PO layer) be 10 nm or more and 220 nm or less.
　さらに、第三の実施形態では、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４を用いて接合しているので、Ｃｕ－Ｐ系ろう材２２４のＰとＴｉ箔２２５のＴｉとが反応し、さらに酸素と反応することによって、Ｐを含有する活性元素酸化物層２３０（Ｔｉ－Ｐ－Ｏ層）が確実に形成されることになる。
　これにより、セラミックス基板２１１と銅板２２（回路層１２）とを確実に接合することが可能となる。すなわち、活性元素であるＴｉと反応しやすく、かつ、酸素とも反応しやすい元素であるＰを界面に介在させることで、上述の活性元素酸化物層２３０（Ｔｉ－Ｐ－Ｏ層）の形成が促進され、低温の条件でもセラミックス基板２１１と銅板２２とが確実に接合されるのである。 Furthermore, in the third embodiment, since bonding is performed using the Cu—P based brazing material 224, P of the Cu—P based brazing material 224 reacts with Ti of the Ti foil 225, and further reacts with oxygen. As a result, the active element oxide layer 230 containing Ti (Ti—PO layer) is reliably formed.
Thereby, the ceramic substrate 211 and the copper plate 22 (circuit layer 12) can be reliably bonded. That is, the active element oxide layer 230 (Ti—PO layer) is formed by interposing P, which is an element that easily reacts with Ti as an active element and also easily reacts with oxygen, at the interface. This facilitates the bonding of the ceramic substrate 211 and the copper plate 22 even under low temperature conditions.
　また、アルミナからなるセラミックス基板２１１と銅板２２とを、Ｔｉを介在させて高温保持した場合には（例えば７９０℃～８５０℃）、セラミックス基板２１１中の酸素とＴｉとが反応し、厚いＴｉ酸化物層が形成されることになるが、第三の実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３において低温の条件（６００℃以上６５０℃以下の範囲）としていることから、上述の活性元素酸化物層２３０（Ｔｉ－Ｐ－Ｏ層）が比較的薄く形成されるのである。 Further, when the ceramic substrate 211 made of alumina and the copper plate 22 are held at a high temperature with Ti interposed (for example, 790 ° C. to 850 ° C.), oxygen in the ceramic substrate 211 reacts with Ti to cause thick Ti oxidation. In the third embodiment, the low temperature condition (in the range of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower) is used in the heat treatment step S03. Therefore, the active element oxide layer 230 ( Ti-PO layer) is formed relatively thin.
　さらに、第三の実施形態では、上述のように、セラミックス基板２１１と銅板２２とを低温の条件で接合可能であることから、第三の実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３において、セラミックス基板２１１と銅板２２、及び、セラミックス基板２１１とアルミニウム板２３を同時に接合している。よって、パワーモジュール用基板２１０の製造効率を大幅に向上させ、製造コストを削減することができる。また、セラミックス基板２１１の両面に同時に銅板２２及びアルミニウム板２３を接合するので、接合時におけるセラミックス基板２１１の反りの発生を抑制することができる。 Furthermore, in the third embodiment, as described above, the ceramic substrate 211 and the copper plate 22 can be bonded under low temperature conditions. Therefore, in the third embodiment, in the heat treatment step S03, the ceramic substrate 211 and The copper plate 22 and the ceramic substrate 211 and the aluminum plate 23 are bonded simultaneously. Therefore, the manufacturing efficiency of the power module substrate 210 can be greatly improved, and the manufacturing cost can be reduced. In addition, since the copper plate 22 and the aluminum plate 23 are simultaneously bonded to both surfaces of the ceramic substrate 211, it is possible to suppress the warpage of the ceramic substrate 211 during bonding.
　以上、本発明の第三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、銅部材としての銅板（回路層）とセラミックス部材としてのセラミックス基板とを接合したパワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミナからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であればよい。 As mentioned above, although 3rd embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the technical idea of the invention, it can change suitably.
For example, a power module substrate in which a copper plate (circuit layer) as a copper member and a ceramic substrate as a ceramic member are joined has been described as an example, but the present invention is not limited thereto, and is made of copper or a copper alloy. Any copper / ceramic bonded body in which a copper member and a ceramic member made of alumina are bonded may be used.
　また、銅板を接合することによって回路層を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板を接合することによって金属層を形成してもよい。
　さらに、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、金属層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上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％以上のアルミニウム（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、金属層は、アルミニウム板で構成したものに限定されることはなく、その他の金属で構成したものであってもよい。 Moreover, although demonstrated as what forms a circuit layer by joining a copper plate, it is not limited to this, You may form a metal layer by joining a copper plate.
Furthermore, although the copper plate was demonstrated as a rolled plate of an oxygen free copper or a tough pitch copper, it is not limited to this, You may be comprised with another copper or copper alloy.
Moreover, although the aluminum plate which comprises a metal layer was demonstrated as a rolled plate of pure aluminum of purity 99.99 mass% or more, it is not limited to this, Aluminum (2N aluminum) of purity 99 mass% or more, etc. It may be composed of aluminum or an aluminum alloy.
Furthermore, a metal layer is not limited to what was comprised with the aluminum plate, and may be comprised with the other metal.
　また、窒化物セラミックスとして９８％アルミナ（Ａｌ２Ｏ３純度９８ｍａｓｓ％以上）を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、９２％アルミナ（Ａｌ２Ｏ３純度９２ｍａｓｓ％以上）、９６％アルミナ（Ａｌ２Ｏ３純度９６ｍａｓｓ％以上）、ジルコニア強化アルミナ等の他のアルミナを適用してもよい。
　さらに、活性元素としてＴｉを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｚｒ，Ｈｆ等の他の活性元素を適用してもよい。 Further, although 98% alumina (Al 2 O 3 purity of 98 mass% or more) has been described as an example of the nitride ceramic, the present invention is not limited to this, and 92% alumina (Al 2 O 3 purity of 92 mass% or more) is used. Other aluminas such as 96% alumina (Al 2 O 3 purity 96 mass% or more) and zirconia reinforced alumina may be applied.
Furthermore, although Ti has been described as an example of the active element, the present invention is not limited to this, and other active elements such as Zr and Hf may be applied.
　さらに、第三の実施形態では、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材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、他のろう材を用いてもよい。
　また、第三の実施形態では、セラミックス基板と銅板との間にＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材、Ｔｉ箔を介在させるものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉペースト、Ｔｉペースト等を介在させてもよい。 Further, in the third embodiment, the Cu—P—Sn—Ni-based brazing material has been described as joining the ceramic substrate and the copper plate. However, the present invention is not limited to this, and other brazing materials may be used. It may be used.
In the third embodiment, the Cu—P—Sn—Ni brazing material and the Ti foil are interposed between the ceramic substrate and the copper plate. However, the present invention is not limited to this. P-Sn-Ni paste, Ti paste or the like may be interposed.
　さらに、ヒートシンクは、第三の実施形態で例示した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。 Furthermore, the heat sink is not limited to those exemplified in the third embodiment, and the structure of the heat sink is not particularly limited.
Further, a buffer layer made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) may be provided between the top plate portion of the heat sink or the heat radiating plate and the metal layer.
　本発明の第一の実施形態及び第二の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。 A confirmation experiment performed to confirm the effectiveness of the first embodiment and the second embodiment of the present invention will be described.
＜実施例１＞
　表１に示すセラミックス基板、ろう材、活性元素、銅板を用いて、銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）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一方の面及び他方の面に、表１に示すろう材及び活性元素を介在させて、３８ｍｍ角の厚さ０．３ｍｍの銅板（無酸素銅の圧延板）を積層し、これらを積層方向に圧力６ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内（真空度５×１０－４Ｐａ）に装入し、加熱することによってパワーモジュール用基板を作製した。なお、加熱処理工程の条件を表２に示す。
　なお、本発明例Ａ４については、Ｃｕ－７ｍａｓｓ％Ｐ－１５ｍａｓｓ％Ｓｎ－１０ｍａｓｓ％Ｎｉ粉末とＴｉ粉末からなるペーストをろう材及び活性元素として用いた。なお、ペーストの塗布厚は８５μｍとした。 <Example 1>
Using the ceramic substrate, brazing material, active element, and copper plate shown in Table 1, a copper / ceramic bonded body (power module substrate) was formed.
More specifically, a 40 mm square, 0.635 mm thick ceramic substrate having a 38 mm square 0.3 mm thick copper plate with one side and the other side of the brazing material and active elements shown in Table 1 interposed therebetween. An oxygen-free copper rolled sheet) is stacked, charged in a stacking direction at a pressure of 6 kgf / cm 2 , charged in a vacuum heating furnace (vacuum degree 5 × 10 −4 Pa), and heated. A power module substrate was prepared. Table 2 shows the conditions of the heat treatment process.
For Invention Example A4, a paste comprising Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni powder and Ti powder was used as the brazing filler metal and the active element. The paste coating thickness was 85 μm.
　このようにして得られたパワーモジュール用基板について、回路層（銅板）とセラミックス基板との接合界面の観察を行うとともに、初期接合率、冷熱サイクル後の接合率を評価した。 For the power module substrate thus obtained, the bonding interface between the circuit layer (copper plate) and the ceramic substrate was observed, and the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle were evaluated.
（接合界面観察）
　銅板とセラミックス基板との接合界面を、透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製ＪＥＭ－２０１０Ｆ）を用いて観察した。
　本発明例Ａ１の界面観察結果、及び、元素マッピングを図６に示す。
　活性元素酸化物層の厚さは、倍率２０万倍で接合界面を観察し、活性元素の濃度が３５ａｔ％～７０ａｔ％の範囲内にある箇所を活性元素酸化物層とみなし、その厚さを測定した。なお、活性元素の濃度（ａｔ％）は、Ｐ濃度（ａｔ％）、活性元素濃度（ａｔ％）及びＯ濃度（ａｔ％）を透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳで測定し、Ｐ濃度、活性元素濃度及びＯ濃度の合計を１００とした時の活性元素の濃度とした。活性元素酸化物層の厚さは、５視野の平均値とした。
　Ｐ濃度（ｍａｓｓ％）は、活性元素酸化物層中のＰ濃度（ｍａｓｓ％）、Ｔｉ濃度（ｍａｓｓ％）及びＯ濃度（ｍａｓｓ％）を透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳで測定し、Ｐ濃度、Ｔｉ濃度及びＯ濃度の合計を１００とした時のＰ濃度を算出し、活性元素酸化物層中のＰ濃度とした。また、Ｐ濃度については、測定点を５点とし、その平均値とした。
　結果を表２に示す。 (Joint interface observation)
The bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was observed using a transmission electron microscope (JEM-2010F manufactured by JEOL Ltd.).
FIG. 6 shows the interface observation results and element mapping of Example A1 of the present invention.
As for the thickness of the active element oxide layer, the bonding interface is observed at a magnification of 200,000 times, and the portion where the concentration of the active element is in the range of 35 at% to 70 at% is regarded as the active element oxide layer. It was measured. The active element concentration (at%) was determined by measuring the P concentration (at%), the active element concentration (at%), and the O concentration (at%) with an EDS attached to a transmission electron microscope. The concentration of the active element when the sum of the concentration and the O concentration was 100 was used. The thickness of the active element oxide layer was an average value of five fields of view.
P concentration (mass%) is measured by EDS attached to a transmission electron microscope by measuring P concentration (mass%), Ti concentration (mass%) and O concentration (mass%) in the active element oxide layer. The P concentration when the total of the Ti concentration and the O concentration was set to 100 was calculated and used as the P concentration in the active element oxide layer. Moreover, about P density | concentration, the measurement point was made into 5 points | pieces and it was set as the average value.
The results are shown in Table 2.
（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℃×５分←→１５０℃×５分の２０００サイクルを実施した。 (Cooling cycle test)
The thermal cycle test uses TSB-51, a thermal shock tester, Espec Corp., and -40 ° C x 5 minutes ← → 150 ° C x 5 minutes 2000 cycles in the liquid phase (Fluorinert) for the power module substrate Carried out.
（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、すなわち銅板の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
　　（接合率）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積） (Joining rate)
The bonding rate between the copper plate and the ceramic substrate was determined using the following equation using an ultrasonic flaw detector. Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the copper plate. In the ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
(Bonding rate) = {(initial bonding area) − (peeling area)} / (initial bonding area)
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
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　銅板とセラミックス基板とを、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を用いて低温条件で接合した従来例Ａ１では、接合されなかった。 In the conventional example A1 in which the copper plate and the ceramic substrate were joined at a low temperature using an Ag—Cu—Ti brazing material, it was not joined.
　活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ未満とされた比較例Ａ１では、初期接合率が低く、接合が不十分であった。
　活性元素酸化物層の厚さが２２０ｎｍを超える比較例Ａ２では、冷熱サイクル後にセラミックス基板に割れが生じた。接合界面に活性元素酸化物層が厚く形成されたためにセラミックス基板にかかる熱応力が増加したためと推測される。 In Comparative Example A1 in which the thickness of the active element oxide layer was less than 5 nm, the initial bonding rate was low and bonding was insufficient.
In Comparative Example A2 where the thickness of the active element oxide layer exceeded 220 nm, the ceramic substrate was cracked after the cooling and heating cycle. It is presumed that the thermal stress applied to the ceramic substrate increased because the active element oxide layer was formed thick at the bonding interface.
　これに対して、活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下とされた本発明例Ａ１－本発明例Ａ１３においては、比較的低温の条件であっても初期接合率が高く、セラミックス基板と銅板とが確実に接合されていた。また、冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性が向上していた。 On the other hand, the present invention example A1 to the present invention example A13 in which the thickness of the active element oxide layer is 5 nm or more and 220 nm or less has a high initial bonding rate even under relatively low temperature conditions. And the copper plate were securely joined. Moreover, the joining rate after a thermal cycle was high, and the joining reliability was improving.
＜実施例２＞
　表３に示すセラミックス基板、ろう材、活性元素、銅板を用いて、銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）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一方の面及び他方の面に、表１に示すろう材及び活性元素を介在させて、３８ｍｍ角の厚さ０．３ｍｍの銅板（無酸素銅の圧延板）を積層し、これらを積層方向に圧力６ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内（真空度５×１０－４Ｐａ）に装入し、加熱することによってパワーモジュール用基板を作製した。なお、加熱処理工程の条件を表４に示す。 <Example 2>
Using the ceramic substrate, brazing material, active element, and copper plate shown in Table 3, a copper / ceramic bonded body (power module substrate) was formed.
More specifically, a 40 mm square, 0.635 mm thick ceramic substrate having a 38 mm square 0.3 mm thick copper plate with one side and the other side of the brazing material and active elements shown in Table 1 interposed therebetween. An oxygen-free copper rolled sheet) is stacked, charged in a stacking direction at a pressure of 6 kgf / cm 2 , charged in a vacuum heating furnace (vacuum degree 5 × 10 −4 Pa), and heated. A power module substrate was prepared. Table 4 shows the conditions of the heat treatment process.
　このようにして得られたパワーモジュール用基板について、回路層（銅板）とセラミックス基板との接合界面の観察を行うとともに、初期接合率、冷熱サイクル後の接合率を評価した。評価方法は実施例１と同様とした。
　なお、接合界面観察では、活性元素酸化物層の厚さと、Ｃｕ－Ａｌ共晶層の厚さ及び組成分析を、透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳを用いて実施した。
　Ｃｕ－Ａｌ共晶層は、組成がＣｕ濃度とＡｌ濃度を合わせて１００ａｔ％としたときのＣｕ濃度が６０ａｔ％～９０ａｔ％である箇所をＣｕ－Ａｌ共晶層とみなし、その厚さを測定した。
　なお、Ｃｕ－Ａｌ共晶層の組成は、測定点を５点とし、その平均値とした。観察結果を図７に示す。また、評価結果を表４に示す。 For the power module substrate thus obtained, the bonding interface between the circuit layer (copper plate) and the ceramic substrate was observed, and the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle were evaluated. The evaluation method was the same as in Example 1.
In the bonding interface observation, the thickness of the active element oxide layer, the thickness of the Cu—Al eutectic layer, and the composition analysis were performed using an EDS attached to a transmission electron microscope.
The Cu—Al eutectic layer is considered to be a Cu—Al eutectic layer where the Cu concentration is 60 at% to 90 at% when the composition is 100 at% of the combined Cu concentration and Al concentration, and the thickness is measured. did.
Note that the composition of the Cu—Al eutectic layer was measured at 5 points and the average value thereof. The observation results are shown in FIG. The evaluation results are shown in Table 4.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　Ｃｕ－Ａｌ系ろう材を用い、活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下とされた本発明例Ａ１４－本発明例Ａ２２においては、比較的低温の条件であっても初期接合率が高く、セラミックス基板と銅板とが確実に接合されていた。特に、Ｃｕ－Ａｌ共晶層の厚さが１０μｍ以上６０μｍ以下とされた本発明例Ａ１５－本発明例Ａ１７及び本発明例Ａ１９－本発明例Ａ２２では、冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板が得られた。 In Invention Example A14-Invention Example A22, in which a Cu—Al-based brazing material is used and the thickness of the active element oxide layer is set to 5 nm to 220 nm, the initial bonding rate is low even under relatively low temperature conditions. The ceramic substrate and the copper plate were reliably bonded to each other. In particular, Inventive Example A15-Inventive Example A17 and Inventive Example A19-Inventive Example A22, in which the thickness of the Cu—Al eutectic layer is 10 μm or more and 60 μm or less, has a high joining rate after the thermal cycle. A highly reliable power module substrate was obtained.
　以上の結果から、本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが低温の条件でも確実に接合された銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）を提供することが可能であることが確認された。 From the above results, according to the present invention, a copper / ceramic bonded body (power module substrate) in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of nitride ceramics are securely bonded even under low temperature conditions. It was confirmed that it was possible to provide.
＜実施例３＞
　本発明の第三の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５に示すセラミックス基板（株式会社ＭＡＲＵＷＡ社製）、ろう材、活性元素、銅板を用いて、銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）を形成した。
　詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．３８ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表５に示すろう材及び活性元素を介在させて、３８ｍｍ角の厚さ０．３ｍｍの銅板（無酸素銅の圧延板）を積層し、これらを積層方向に圧力７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内（真空度５×１０－４Ｐａ）に装入し、加熱することによってパワーモジュール用基板を作製した。なお、加熱処理工程の条件を表６に示す。
　なお、本発明例Ｂ４については、Ｃｕ－７ｍａｓｓ％Ｐ－１５ｍａｓｓ％Ｓｎ－１０ｍａｓｓ％Ｎｉ粉末とＴｉ粉末からなるペーストをろう材及び活性元素として用いた。なお、ペーストの塗布厚は８０μｍとした。 <Example 3>
A confirmation experiment performed to confirm the effectiveness of the third embodiment of the present invention will be described.
A copper / ceramic bonding body (power module substrate) was formed using a ceramic substrate (manufactured by MARUWA Co., Ltd.), a brazing material, an active element, and a copper plate shown in Table 5.
More specifically, a 40 mm square, 0.38 mm thick ceramic substrate with a brazing material and active elements shown in Table 5 interposed between one side and the other side, a 38 mm square 0.3 mm thick copper plate ( An oxygen-free copper rolled sheet) is stacked, charged in a stacking direction at a pressure of 7 kgf / cm 2 , charged in a vacuum heating furnace (vacuum degree 5 × 10 −4 Pa), and heated. A power module substrate was prepared. Table 6 shows the conditions for the heat treatment step.
In the invention sample B4, a paste made of Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni powder and Ti powder was used as a brazing material and an active element. The paste coating thickness was 80 μm.
　このようにして得られたパワーモジュール用基板について、回路層（銅板）とセラミックス基板との接合界面の観察を行うとともに、初期接合率、冷熱サイクル後の接合率を評価した。表６の接合界面で示す各層は、活性元素酸化物層である。評価方法は実施例１と同様とした。
　評価結果を表６に示す。本発明例Ｂ２の界面観察結果を図１１に示す。 For the power module substrate thus obtained, the bonding interface between the circuit layer (copper plate) and the ceramic substrate was observed, and the initial bonding rate and the bonding rate after the thermal cycle were evaluated. Each layer shown at the bonding interface in Table 6 is an active element oxide layer. The evaluation method was the same as in Example 1.
The evaluation results are shown in Table 6. FIG. 11 shows the interface observation result of Example B2.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
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Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
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　銅板とセラミックス基板とを、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を用いて低温の条件で接合した従来例Ｂ１では、接合されなかった。 In the conventional example B1 in which the copper plate and the ceramic substrate were joined at low temperature using an Ag—Cu—Ti brazing material, the joining was not performed.
　活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ未満とされた比較例Ｂ１では、初期接合率が低く、接合が不十分であった。
　活性元素酸化物層の厚さが２２０ｎｍを超える比較例Ｂ２では、冷熱サイクル後にセラミックス基板に割れが生じた。接合界面に活性元素酸化物層が厚く形成されたためにセラミックス基板にかかる熱応力が増加したためと推測される。 In Comparative Example B1 in which the thickness of the active element oxide layer was less than 5 nm, the initial bonding rate was low and bonding was insufficient.
In Comparative Example B2 where the thickness of the active element oxide layer exceeds 220 nm, the ceramic substrate was cracked after the cooling and heating cycle. It is presumed that the thermal stress applied to the ceramic substrate increased because the active element oxide layer was formed thick at the bonding interface.
　これに対して、活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下とされた本発明例Ｂ１－本発明例Ｂ１１においては、比較的低温の条件であっても初期接合率が高く、セラミックス基板と銅板とが確実に接合されていた。また、活性元素酸化物層における燐濃度が、１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内である本発明例Ｂ１－Ｂ６及びＢ９－Ｂ１１では、冷熱サイクル後の接合率が９０％以上と高く、接合信頼性が向上していた。 On the other hand, the present invention example B1 to the present invention example B11 in which the thickness of the active element oxide layer is 5 nm or more and 220 nm or less has a high initial bonding rate even under relatively low temperature conditions. And the copper plate were securely joined. Further, in the present invention examples B1-B6 and B9-B11 in which the phosphorus concentration in the active element oxide layer is in the range of 1.5 mass% to 10 mass%, the bonding rate after the thermal cycle is as high as 90% or more, Bonding reliability was improved.
　以上の結果から、本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナからなるセラミックス部材とが低温の条件でも確実に接合された銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）を提供することが可能であることが確認された。 From the above results, according to the present invention, there is provided a copper / ceramic bonded body (power module substrate) in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are reliably bonded even at a low temperature. It was confirmed that it was possible.
１０、２１０　パワーモジュール用基板
１１、２１１　セラミックス基板
１２　回路層
１３　金属層
２２　銅板
２４、２２４　Ｃｕ－Ｐ系ろう材
２５、２２５　Ｔｉ箔
３０、１３０、２３０　活性元素酸化物層
１３１　Ｃｕ－Ａｌ共晶層 10, 210 Power module substrate 11, 211 Ceramic substrate 12 Circuit layer 13 Metal layer 22 Copper plate 24, 224 Cu— P brazing material 25, 225 Ti foil 30, 130, 230 Active element oxide layer 131 Cu—Al eutectic layer

Claims (7)

  1. 　銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であって、
    　前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、活性元素と酸素を含有する活性元素酸化物層が形成されており、
    　この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする銅／セラミックス接合体。     A copper / ceramic bonding body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of nitride ceramics are joined,
    An active element oxide layer containing an active element and oxygen is formed at the bonding interface between the copper member and the ceramic member,
    A copper / ceramic bonding article, wherein the active element oxide layer has a thickness in a range of 5 nm to 220 nm.
  2. 　前記活性元素酸化物層は、Ｐを含有していることを特徴とする請求項１に記載の銅／セラミックス接合体。 The copper / ceramic bonding article according to claim 1, wherein the active element oxide layer contains P.
  3. 　前記活性元素酸化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕ－Ａｌ共晶層が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。 3. The copper / ceramic bonding article according to claim 1, wherein a Cu—Al eutectic layer is formed between the active element oxide layer and the copper member.
  4. 　窒化物セラミックス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３のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体で構成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。     A power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of nitride ceramics,
    A power module substrate comprising the copper / ceramic bonding article according to any one of claims 1 to 3.
  5. 　銅又は銅合金からなる銅部材と、アルミナからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であって、
    　前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、活性元素と酸素と燐とを含有する活性元素酸化物層が形成されており、
    　この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２２０ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする銅／セラミックス接合体。     A copper / ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of alumina are bonded,
    An active element oxide layer containing an active element, oxygen and phosphorus is formed at the bonding interface between the copper member and the ceramic member,
    A copper / ceramic bonding article, wherein the active element oxide layer has a thickness in a range of 5 nm to 220 nm.
  6. 　前記活性元素酸化物層における燐濃度が、１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項５に記載の銅／セラミックス接合体。 The copper / ceramic bonding article according to claim 5, wherein a phosphorus concentration in the active element oxide layer is in a range of 1.5 mass% to 10 mass%.
  7. 　アルミナ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５または請求項６に記載の銅／セラミックス接合体で構成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。     A power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of alumina,
    A power module substrate comprising the copper / ceramic bonding article according to claim 5.
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