WO2017090422A1 - セラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、パワーモジュール、ｌｅｄモジュール、熱電モジュール - Google Patents

セラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、パワーモジュール、ｌｅｄモジュール、熱電モジュール Download PDF

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伸幸 寺▲崎▼
長友　義幸
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Definitions

  • the present invention relates to a ceramic / aluminum joined body obtained by joining a ceramic member and an aluminum member made of aluminum or an aluminum alloy, an insulating circuit board, and a power module, an LED module, and a thermoelectric module including the ceramic circuit board.
  • the power module, the LED module, and the thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are bonded on a circuit layer made of a conductive material.
  • a power semiconductor element for high power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc. generate a large amount of heat during operation.
  • a circuit layer is formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of such a ceramic substrate (insulating layer), and a metal layer having excellent heat dissipation is bonded and integrated to the other surface.
  • An insulated circuit board (power module board) is also provided.
  • the power module shown in Patent Document 1 is an insulating circuit board (power module board) in which a circuit layer made of an aluminum plate and a metal layer made of an aluminum plate are formed on one surface and the other surface of a ceramic substrate, The semiconductor device is joined to the circuit layer via a solder material.
  • a heat sink is bonded to the metal layer side of the insulated circuit board (power module board), and the heat transferred from the semiconductor element to the insulated circuit board (power module board) side is transferred to the outside through the heat sink. It is configured to dissipate.
  • insulating circuit board In the above-described insulating circuit board (power module board), an example in which an Al—Si brazing material or the like is used for joining the ceramic substrate and the aluminum plate is shown.
  • silicon nitride Si 3 N 4
  • the joining strength could not be kept sufficiently due to the influence of the sintering aid of the ceramic substrate.
  • a ceramic substrate insulating layer
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and includes a ceramic / aluminum joined body in which an aluminum member is joined to a ceramic member made of silicon nitride while maintaining high joining reliability, an insulating circuit board, and the same.
  • An object is to provide a power module, an LED module, and a thermoelectric module.
  • the joined body of the present invention is a ceramic / aluminum joined body in which a ceramic member and an aluminum member made of aluminum or an aluminum alloy are joined, and the ceramic member contains magnesium. It is made of silicon nitride, and a bonding layer containing magnesium in a compound of aluminum, silicon, oxygen, and nitrogen is formed at the bonding interface between the ceramic member and the aluminum member. .
  • the joining layer containing magnesium formed at the joining interface between the ceramic member and the aluminum member has an inner portion in the thickness direction of the ceramic member as compared with the case where magnesium is hardly present at the joining interface. Deeper. In other words, due to the presence of magnesium, a compound containing magnesium in a sialon (SiAlON) structure is formed up to a deeper region inside the ceramic member. As a result, the bonding strength between the ceramic member and the aluminum member is increased, and the bonding reliability of the bonded body can be improved.
  • SiAlON sialon
  • the composition ratio of the bonding layer is preferably 10 at% to 18 at% for silicon, 20 at% to 35 at% for oxygen, 25 at% to 40 at% for nitrogen, 3 at% to 8 at% for magnesium, and the balance for aluminum.
  • a compound containing magnesium is formed in the sialon structure constituting the bonding layer up to a deeper region inside the ceramic member, and the bonding between the ceramic member and the aluminum member is performed.
  • Strength can be increased.
  • the magnesium concentration of the bonding layer is less than 3 at%, the generation of the bonding layer becomes non-uniform and the bonding property may be deteriorated.
  • the magnesium concentration exceeds 8 at% magnesium is excessively present, so that the bonding layer becomes brittle and the bonding reliability may be lowered.
  • the copper concentration is preferably 1.2 mass% or less and the iron concentration is 0.6 mass% or less at a position 10 ⁇ m away from the surface of the ceramic member toward the aluminum member. .
  • the copper concentration in the vicinity of the bonding interface is 1.2 mass% or less and the iron concentration is 0.6 mass% or less, the vicinity of the bonding interface with the ceramic member of the aluminum member becomes excessively hard. It can suppress that a crack etc. arise in a ceramic member.
  • the insulated circuit board of the present invention is an insulated circuit board formed by bonding a ceramic substrate and an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy, and the ceramic substrate is made of silicon nitride containing magnesium, A bonding layer containing magnesium in a compound of aluminum, silicon, oxygen, and nitrogen is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum plate.
  • the bonding layer containing magnesium generated at the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy has a ceramic substrate as compared with the case where magnesium hardly exists at the bonding interface. It is formed deeper in the thickness direction. In other words, due to the presence of magnesium, a compound containing magnesium in the sialon structure is formed up to a deeper region inside the ceramic substrate. As a result, the bonding strength between the ceramic substrate and the aluminum plate is increased, and the bonding reliability of the insulated circuit board can be improved.
  • the composition ratio of the bonding layer is preferably 10 at% to 18 at% for silicon, 20 at% to 35 at% for oxygen, 25 at% to 40 at% for nitrogen, 3 at% to 8 at% for magnesium, and the balance for aluminum.
  • a compound containing magnesium is formed in the sialon structure constituting the bonding layer up to a deeper region inside the ceramic substrate, and the bonding between the ceramic substrate and the aluminum plate is performed.
  • Strength can be increased.
  • the magnesium concentration of the bonding layer is less than 3 at%, the generation of the bonding layer becomes non-uniform and the bonding property may be deteriorated.
  • the magnesium concentration exceeds 8 at% magnesium is excessively present, so that the bonding layer becomes brittle and the bonding reliability may be lowered.
  • the copper concentration is 1.2 mass% or less and the iron concentration is 0.6 mass% or less at a position 10 ⁇ m away from the surface of the ceramic substrate toward the aluminum plate.
  • the copper concentration in the vicinity of the bonding interface is 1.2 mass% or less and the iron concentration is 0.6 mass% or less, so that the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate of the aluminum plate is excessively hard. It is possible to suppress the occurrence of cracks and the like in the ceramic substrate.
  • the power module of the present invention includes the above-described insulating circuit board and a power semiconductor element mounted on the insulating circuit board.
  • the LED module of the present invention includes the above-described insulating circuit board and an LED element mounted on the insulating circuit board.
  • thermoelectric module of the present invention includes the above-described insulating circuit board and a thermoelectric element mounted on the insulating circuit board.
  • the bonding layer containing magnesium generated at the bonding interface between the ceramic substrate and the aluminum plate made of aluminum or aluminum alloy is compared with the case where magnesium is hardly present at the bonding interface.
  • it is formed deeper in the thickness direction of the ceramic substrate.
  • a compound containing magnesium in the sialon structure is formed up to a deeper region inside the ceramic substrate.
  • the bonding strength between the ceramic substrate and the aluminum plate is increased, and the bonding reliability of the power module, the LED module, and the thermoelectric module can be improved.
  • a ceramic / aluminum joined body, an insulating circuit board, and a power module, an LED module, and a thermoelectric module having the aluminum member joined to a ceramic member made of silicon nitride while maintaining high joining reliability. can do.
  • FIG. 6 It is sectional drawing which shows the ceramic / aluminum joined body of 1st embodiment, and a power module. It is a principal part expanded sectional view which shows the vicinity of the joining interface of the ceramic / aluminum joined body of 1st embodiment. It is a principal part expanded sectional view which shows the vicinity of the joining interface of the ceramic / aluminum joined body of 2nd embodiment. It is a principal part expanded sectional view of the aluminum nitride layer in FIG. 6 is a graph showing an example of measuring the thickness of an aluminum nitride layer in Example 2.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a ceramic / aluminum bonded body and an insulated circuit board according to the first embodiment.
  • the ceramic / aluminum bonded body according to the present embodiment includes a ceramic substrate 11 as a ceramic member, a circuit layer 12 in which an aluminum plate is bonded as an aluminum member, and a metal layer 13 in which an aluminum plate is bonded as an aluminum member.
  • the circuit board 10 is used.
  • the power module 30 of the present embodiment is formed by mounting a semiconductor element 24 such as a power semiconductor element on the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 via a solder layer 23.
  • the cooler 14 is formed in the surface on the opposite side to the ceramic substrate 11 of the metal layer 13, and it is set as the insulated circuit board 20 with a cooler.
  • the ceramic substrate (ceramic member) 11 is made of a ceramic material containing magnesium (Mg) on at least the surface of Si 3 N 4 (silicon nitride) excellent in insulation and heat dissipation.
  • the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, for example, and is set to 0.32 mm in this embodiment.
  • the circuit layer 12 is formed by bonding an aluminum or aluminum alloy plate (aluminum member) to one surface (the upper surface in FIGS. 1 and 2) of the ceramic substrate 11.
  • the aluminum or aluminum alloy plate (aluminum member) is, for example, a rolled plate of aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more, aluminum having a purity of 99.9% by mass or more, and aluminum having a purity of 99.99% by mass or more. Formed from. In this embodiment, aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more is used.
  • the thickness of the circuit layer 12 is set, for example, within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum or aluminum alloy plate (aluminum member) to the other surface (the lower surface in FIGS. 1 and 2) of the ceramic substrate 11.
  • the aluminum or aluminum alloy plate (aluminum member) is, for example, a rolled plate of aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more, aluminum having a purity of 99.9% by mass or more, and aluminum having a purity of 99.99% by mass or more. Formed from. In this embodiment, aluminum (2N aluminum) having a purity of 99% by mass or more is used.
  • the thickness of the metal layer 13 is set, for example, within a range of 0.1 mm to 3.0 mm, and is set to 2.1 mm in the present embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a region including a bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13.
  • the ceramic substrate (ceramic member) 11, the circuit layer (aluminum member, aluminum plate) 12 and the metal layer (aluminum member, aluminum plate) 13 constituting the insulating circuit substrate (ceramic / aluminum bonded body) 10 are respectively Al— It joins using Si system brazing material.
  • the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 contains magnesium (Mg) in a compound of aluminum (Al), silicon (Si), oxygen (O), and nitrogen (N). Each bonding layer 21 is formed.
  • the bonding layer 21 is formed by bonding one surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 and the other of the ceramic substrate 11 when the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13 are bonded to each other by an Al—Si brazing material. These layers are formed at the bonding interface between the surface of the metal layer 13 and the metal layer 13, respectively.
  • Such a bonding layer 21 is made of a SiAlON compound containing Mg in a predetermined concentration range.
  • the SiAlON compound referred to here is a compound in which an aluminum atom is substituted for a part of a silicon atom and an oxygen atom is substituted for a part of a nitrogen atom to form a sialon structure.
  • Part of the structure contains magnesium.
  • Magnesium is included in a form in which a part of the elements constituting the sialon structure is substituted with magnesium, or in which magnesium is further added to the sialon structure.
  • Magnesium contained in the bonding layer 21 is derived from a ceramic substrate (ceramic member) 11 made of Si 3 N 4 (silicon nitride) containing magnesium.
  • the element composition ratio of the bonding layer 21 is 10 at% to 18 at% for silicon, 20 at% to 35 at% for oxygen, 25 at% to 40 at% for nitrogen, 3 at% to 8 at% for magnesium, and the balance for aluminum. ing.
  • the preferred composition ratio of the bonding layer 21 is 12 at% to 16 at% for silicon, 24 at% to 32 at% for oxygen, 28 at% to 36 at% for nitrogen, 4.0 at% to 7.5 at% for magnesium (more preferably 4% .8 at% to 6.9 at%), and the balance is aluminum, but is not limited thereto.
  • An example of the composition ratio of the bonding layer 21 is silicon: 14.1 at%, oxygen: 29.1 at%, nitrogen: 32.9 at%, magnesium: 6.3 at%, and aluminum: 17.7 at%.
  • the thickness of the bonding layer 21 is preferably 1.0 nm or more and 10 nm or less, more preferably 1.0 nm or more and 7 nm or less, but is not limited thereto.
  • the bonding layer 21 is formed deeper in the thickness direction (inside) of the ceramic substrate 11 than when magnesium is hardly present at the bonding interface between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13. That is, due to the presence of magnesium, a compound containing magnesium in the sialon structure is formed up to a deeper region inside the ceramic substrate 11. As a result, the bonding strength between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13 is increased, and the bonding reliability is improved.
  • the circuit layer (aluminum member) 12 and the metal layer (aluminum member) 13 the circuit layer (aluminum member) 12 from the surface of the ceramic substrate (ceramic member) 11.
  • the copper concentration at a position 10 ⁇ m apart on the metal layer (aluminum member) 13 side is preferably 1.2 mass% or less and the iron concentration is 0.6 mass% or less. Since the copper concentration is 1.2 mass% or less and the iron concentration is 0.6 mass% or less, the vicinity of the bonding interface with the ceramic substrate 11 in the circuit layer 12 and the metal layer 13 is excessively hard. Can be suppressed. Thereby, it can suppress that a crack and a crack arise in the ceramic substrate 11.
  • the lower limit of the copper concentration is preferably 0 mass%, and the lower limit of the iron concentration is preferably 0 mass%.
  • the copper concentration is 0 mass% or more and 0.1 mass% or less, and the iron concentration is 0 mass% or more and 0.1 mass%. More preferably, the copper concentration is 0 mass% or more and 0.02 mass% or less, and the iron concentration is more preferably 0 mass% or more and 0.02 mass% or less, but it is not limited thereto.
  • 0 mass% shall include the value below the measurement limit value of a measuring apparatus.
  • the cooler 14 is for efficiently dissipating the heat of the insulated circuit board 10.
  • the cooler 14 is made of, for example, an aluminum alloy, and is made of A6063 in this embodiment.
  • the cooler 14 and the metal layer 13 are directly joined by, for example, an Al—Si brazing material.
  • Si 3 N 4 silicon nitride containing magnesium at least on the surface is used as the ceramic substrate (ceramic member) 11.
  • Mg of a predetermined concentration range is included in the SiAlON compound, the bonding reliability between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13 is improved.
  • the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13 It is possible to reliably prevent cracks and peeling at the bonding interface.
  • the circuit layer (aluminum member, aluminum plate) 12 is formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate (ceramic member) 11.
  • Each of the metal layers (aluminum member, aluminum plate) 13 is formed, but the insulated circuit board of the present invention is formed on at least one surface of a ceramic substrate (ceramic member) made of Si 3 N 4 containing Mg. What is necessary is just the structure by which the aluminum plate (aluminum member) was joined via the joining layer which has the SiAlON structure containing Mg.
  • the circuit layer of the first embodiment described above is composed of a Cu plate, and an aluminum plate (aluminum member) is bonded to only the other surface side of the ceramic substrate via a bonding layer having a SiAlON structure containing Mg. It is also possible to adopt the configuration described above. On the other hand, an aluminum plate (aluminum member) is bonded to only one surface side of the ceramic substrate via a bonding layer having a SiAlON structure containing Mg, and the other surface side of the ceramic substrate is Cu or the like. It can also be set as the metal layer which consists of.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a ceramic / aluminum bonded body and an insulating circuit board according to the second embodiment.
  • the ceramic / aluminum bonded body according to this embodiment includes a ceramic substrate (ceramic member) 11 made of a material containing magnesium (Mg) in Si 3 N 4 (silicon nitride), and one surface of the ceramic substrate 11 (FIG. 3). Insulation provided with a circuit layer (aluminum plate, aluminum member) 12 provided on the upper surface in FIG.
  • a circuit board (power module board) 10 is provided. Further, the power module 30 of the present embodiment is formed by mounting a semiconductor element 24 such as a power semiconductor element on the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 via a solder layer 23.
  • the cooler 14 is formed on the surface of the metal layer 13 opposite to the ceramic substrate 11 to form the insulated circuit board 20 with a cooler.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a region including a bonding interface between a ceramic substrate, a circuit layer, and a metal layer.
  • the ceramic substrate (ceramic member) 11 and the aluminum plate (aluminum member) are bonded using an Al—Si—Mg brazing material.
  • Al—Si—Mg-based brazing foil is disposed between a ceramic substrate (ceramic member) 11, an aluminum plate (aluminum member) serving as the circuit layer 12, and an aluminum plate (aluminum member) serving as the metal layer 13. Then, the respective interfaces are joined by heating.
  • the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is a bonding in which magnesium (Mg) is contained in a compound of aluminum (Al), silicon (Si), oxygen (O), and nitrogen (N). Each layer 21 is formed.
  • the bonding layer 21 is connected to one surface of the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the ceramic substrate.
  • 11 is a layer generated at the bonding interface between the other surface of 11 and the metal layer 13.
  • Such a bonding layer 21 is a SiAlON compound containing Mg in a predetermined concentration range.
  • an aluminum nitride layer 22 is formed between the bonding layer 21 and the circuit layer 12 and between the bonding layer 21 and the metal layer 13.
  • the aluminum nitride layer 22 is produced by the decomposition of Al and Si 3 N 4 constituting the ceramic substrate 11 when the ceramic substrate 11 and the aluminum plate constituting the circuit layer 12 and the metal layer 13 are joined. Is formed by the reaction.
  • the aluminum nitride layer 22 formed between the bonding layer 21 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 has a high nitrogen concentration in order from the bonding layer 21 side, as shown in FIG.
  • a first aluminum nitride layer 22a having a nitrogen concentration gradient in the thickness direction and a second aluminum nitride layer 22b having a constant nitrogen concentration are provided.
  • the N concentration in the first aluminum nitride layer 22a is in the range of 50 at% to 80 at%, and the N concentration on the bonding layer 21 side is higher than the circuit layer 12 and metal layer 13 side.
  • the N concentration in the second aluminum nitride layer 22b is in the range of 30 at% or more and less than 50 at%.
  • the aluminum nitride layer 22 may contain Mg. Further, as shown in FIG. 4, a third aluminum nitride layer 22c made of AlN containing oxygen (O) exists between the second aluminum nitride layer 22b, the circuit layer 12 and the metal layer 13 (aluminum member). There is also a case.
  • the third aluminum nitride layer 22c may contain Mg.
  • the thickness of the aluminum nitride layer 22 is preferably in the range of 4 nm to 100 nm.
  • the thickness of the aluminum nitride layer 22 is preferably in the range of 4 nm to 100 nm.
  • the lower limit of the thickness of the aluminum nitride layer 22 is preferably 5 nm, and is preferably 15 nm. More preferably.
  • the upper limit of the thickness of the aluminum nitride layer 22 is preferably 80 nm, and more preferably 60 nm.
  • the insulated circuit board (ceramic / aluminum bonded body) 10 having the above-described configuration, Si 3 N 4 (silicon nitride) containing magnesium is used as the ceramic substrate 11, and one surface of the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12, Further, by forming a bonding layer 21 in which a SiAlON compound contains Mg in a predetermined concentration range at each bonding interface between the other surface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 13, the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are formed. In addition, the bonding reliability with the metal layer 13 is improved.
  • the ceramic substrate 11 and the circuit layer can be used even in an environment where repeated cooling cycles are applied between a high temperature state due to heat generation of the semiconductor element 24 constituting the power module 30 and a low temperature state during non-operation.
  • 12 and the metal layer 13 can be reliably prevented from being cracked or peeled off.
  • the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the ceramic substrate are formed. 11 and the metal layer 13 can be further improved in bonding reliability.
  • the circuit layer and the metal layer can be configured by joining an aluminum plate and a copper plate.
  • a circuit layer or a metal layer can be formed by solid phase diffusion bonding of an oxygen-free copper rolled plate and an aluminum plate.
  • the ceramic substrate 11 made of Si 3 N 4 (silicon nitride) containing magnesium.
  • a magnesium revealing treatment is performed to reveal a magnesium compound such as magnesium oxide (MgO).
  • one surface side and the other surface side of the ceramic substrate 11 are first cleaned by a honing process.
  • the honing treatment include dry honing using an abrasive or wet honing using a polishing liquid containing abrasive particles. By such a honing process, impurities present on the surface of the ceramic substrate 11 are removed and cleaned.
  • an etching process using an alkaline solution is performed on the ceramic substrate 11 subjected to the honing process.
  • impurities such as alumina (Al 2 O 3 ) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) existing on one surface side and the other surface side of the ceramic substrate 11 are dissolved and removed, and the alkali solution is removed.
  • a magnesium compound such as magnesium oxide (MgO) having etching resistance is selectively left.
  • the magnesium compound on one surface side or the other surface side of the ceramic substrate 11 is revealed.
  • the concentration of the magnesium compound on the surface of the ceramic substrate 11 is increased.
  • the magnesium concentration on the surface of the ceramic substrate 11 is preferably 0.4 at% or more and 1.4 at% or less, more preferably 0.5 at% or more and 1.2 at% or less, and further preferably 0.62 at% or more. Although it is 01 at% or less, it is not limited to this.
  • an aqueous solution of sodium hydroxide, aqueous ammonia, organic amines, or an aqueous solution thereof can be used for the etching treatment with an alkaline solution.
  • an aqueous sodium hydroxide solution having a pH of 12 to 14 can be used.
  • the etching treatment time can be in the range of 5 minutes to 30 minutes, preferably in the range of 10 minutes to 20 minutes.
  • the etching treatment can be performed within a range of 70 ° C. to 90 ° C.
  • the magnesium compound on one surface side of the ceramic substrate 11 and the surface on the other surface side can be revealed, and the ceramic substrate 11 with the alkali solution can be made visible. It is possible to prevent degranulation, increase in surface roughness, and the like, and it is possible to prevent a decrease in bondability and bonding reliability.
  • brazing material foil it is good to use the foil material in the range whose thickness is 5 micrometers or more and 30 micrometers or less.
  • the metal component may be applied so that the converted thickness of the metal component is in the range of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the metal component equivalent thickness refers to the weight (metal component weight) obtained by excluding the weight of the organic component calculated from the blending ratio of the brazing material paste from the coating weight of the brazing material paste, and the aluminum alloy Al used in the brazing material paste. : Converted to thickness per unit area using Si ratio. Then, an aluminum plate (aluminum member) is stacked on the brazing material foil or the brazing material paste. And in the state which pressurized the laminated body mentioned above in the lamination direction, it inserts in a heating furnace and heats.
  • the pressurizing pressure is preferably 0.098 MPa or more and 3.43 MPa or less.
  • the brazing material and a part of the aluminum plate are melted, and a molten metal region is formed at the interface between the aluminum plate and the ceramic substrate.
  • the conditions of this heating process are as follows: the atmosphere is a vacuum atmosphere (10 ⁇ 4 Pa or more and 10 ⁇ 3 Pa or less) or a nitrogen atmosphere where the oxygen partial pressure is 500 vol ppm or less, the bonding temperature is within the range of 580 ° C. or more and 650 ° C. or less, It is within the range of 1 minute or more and 180 minutes or less.
  • the bonding layer 21 containing Mg in SiAlON is formed up to the deep part of the ceramic substrate 11.
  • the composition ratio of the bonding layer 21 thus obtained is 10 at% to 18 at% for silicon, 20 at% to 35 at% for oxygen, 25 at% to 40 at% for nitrogen, 3 at% to 8 at% for magnesium, and the balance for aluminum. Yes.
  • An example of the composition ratio of the bonding layer 21 is silicon: 11.7 at%, oxygen: 25.4 at%, nitrogen: 36.5 at%, magnesium: 3.9 at%, and aluminum: 22.5 at%.
  • the circuit layer 12 side and metal layer from the surface of the ceramic substrate (ceramic member) 11 It is preferable that the copper concentration at a position 10 ⁇ m apart on the 13th side is 1.2 mass% or less and the iron concentration is 0.6 mass% or less.
  • the insulated circuit board (ceramic / aluminum bonded body) 10 according to the first embodiment thus obtained has a sialon up to a deeper region inside the ceramic substrate 11 compared to the case where a ceramic substrate not containing magnesium is used. A compound containing magnesium in the structure is formed. As a result, the bonding strength between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is increased, and the bonding reliability is improved.
  • the circuit layer 12 and the metal layer 13 copper at a position 10 ⁇ m away from the surface of the ceramic substrate (ceramic member) 11 toward the circuit layer 12 side and the metal layer 13 side.
  • the metal layer 13 is superimposed on the surface opposite to the ceramic board 11.
  • the cooler 14 made of aluminum or aluminum alloy is joined using, for example, an Al—Si brazing material. Thereby, the insulated circuit board 20 with a cooler can be manufactured.
  • the method for manufacturing an insulating circuit board shown in the second embodiment is the same as the method for manufacturing an insulating circuit board shown in the first embodiment described above, and uses an Al—Si—Mg-based brazing material for bonding the ceramic substrate and the aluminum plate. It is different in using.
  • a brazing material foil or brazing material paste made of an aluminum alloy containing Si in a range of 1 mass% to 12 mass% and Mg in a range of more than 0 mass% to 0.20 mass%. Can be used.
  • brazing material foil it is good to use the foil material in the range whose thickness is 5 micrometers or more and 30 micrometers or less.
  • the metal component may be applied so that the converted thickness of the metal component is in the range of 5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • a ceramic substrate and an aluminum plate are joined together, so that silicon is 10 at% to 18 at%, oxygen is 20 at% to 35 at%, and nitrogen is 25 at% to 40 at%.
  • a bonding layer 21 made of 3 at% to 8 at% of magnesium and the balance of aluminum is formed, and an aluminum nitride layer 22 is formed between the bonding layer 21 and the circuit layer 12 and between the bonding layer 21 and the metal layer 13. Is formed.
  • the power module is configured by mounting the power semiconductor element on the insulating circuit board.
  • an LED module may be configured by mounting LED elements on a circuit layer of an insulated circuit board
  • a thermoelectric module may be configured by mounting thermoelectric elements on a circuit layer of an insulated circuit board.
  • the thermoelectric element for example, magnesium silicide, manganese silicide, Bi 2 Te 3 , PbTe, CoSb 3 , SiGe or the like can be used.
  • the present invention is not limited to this.
  • An aluminum plate may be joined to only one surface of the substrate to form a circuit layer, and the metal layer may not be formed, or the metal layer may be composed of another metal or the like.
  • an aluminum plate may be joined only to the other surface of the ceramic substrate to form a metal layer, and the circuit layer may be made of another metal or the like.
  • Example 1 First, a silicon nitride substrate (40 mm ⁇ 40 mm ⁇ thickness 0.32 mm) was produced by the method described in the above embodiment so that the Mg concentration on the surface of the silicon nitride substrate was as shown in Table 1.
  • the Mg concentration was determined by surface EPMA (Electron Probe Microanalyzer) analysis.
  • FE-EPMA JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd. was used, 10 points were measured (point analysis) under the conditions of an acceleration voltage of 15 kV and a beam current of 50 nA, and the average value was defined as the Mg concentration.
  • an Al plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.6 mm) made of the Al plate material described in Table 1 serving as a circuit layer is formed on one surface of each obtained silicon nitride, and a metal layer is formed on the other surface.
  • An Al plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 1.6 mm) made of the described Al plate material was laminated via a brazing material foil (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.015 mm) described in Table 1. Then, these were heated while being pressurized in the stacking direction at 5 kgf / cm 2 , thereby joining the Al plate and the ceramic substrate to produce each insulated circuit board. The heating temperature, heating time, and atmosphere were as shown in Table 1.
  • a heat sink (A6063, 50 mm ⁇ 60 mm ⁇ thickness 5 mm) was joined to the obtained metal layer of each insulating circuit board using an Al—Si brazing material.
  • the bonding was performed at a load in the stacking direction: 3.0 kgf / cm 2 , a vacuum, and a heating temperature of 610 ° C.
  • the presence or absence of a bonding layer, the Mg concentration in the bonding layer, the Cu and Fe concentrations at the interface, and the bonding rate (initial and after the thermal cycle) were measured.
  • the insulated circuit board is mechanically cut in the stacking direction (thickness direction), and the obtained cross section is mechanically polished to a thickness of about 50 ⁇ m to obtain a cross section sample. Thereafter, argon ions of 4 kV are incident near the bonding interface at an angle of 4 degrees from the top and bottom (surface perpendicular to the stacking direction), and the wafer is thinned until a hole is formed in the cross-sectional sample by sputtering.
  • the edge of the hole becomes an edge and becomes a thickness of about 0.1 ⁇ m through which the electron beam can be transmitted, this portion is observed with a TEM (transmission electron microscope) and EDS (energy dispersive X-ray spectrometer), The presence or absence of the bonding layer was determined, and the elemental concentrations of the bonding layer and the interface were measured. Measurement by TEM and EDS was performed using an FEI Titan ChemiSTEM (with EDS detector) at an acceleration voltage of 200 kV and a magnification of 450,000 to 910,000 times. As for the bonding layer, a region where Mg, Si, Al, O, and N overlap was determined as the bonding layer in the mapping in the vicinity of the interface.
  • Mg concentration in the bonding layer was obtained by EDS (beam diameter 1 nm).
  • EDS beam diameter 1 nm.
  • Cu and Fe the cross section of the bonding interface of the insulating circuit board was observed using EPMA (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd., magnification 1000 times), and the circuit layer (Al The density at a position 10 ⁇ m apart on the (plate) side was measured. The measurement was performed at five locations, and the average values were taken as Cu concentration and Fe concentration.
  • the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the metal layer is evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.), and the bonding rate is calculated from the following formula. Calculated.
  • the initial bonding area is an area to be bonded before bonding, and in this example, the area of the metal layer (37 mm ⁇ 37 mm) was used.
  • (Bonding rate) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area)
  • the peeling is indicated by the white portion in the joint portion. Therefore, the area of the white portion is defined as the peeling area.
  • Example 2 A silicon nitride substrate (40 mm ⁇ 40 mm ⁇ thickness 0.32 mm) was produced by the method described in the above embodiment so that the Mg concentration on the surface of the silicon nitride substrate (Si 3 N 4 substrate) was as shown in Table 2. .
  • the Mg concentration on the surface of the silicon nitride substrate was measured by the same method as in Example 1.
  • An Al plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 0.6 mm) serving as a circuit layer is formed on one surface of each obtained silicon nitride substrate, and an Al plate (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ thickness 1. mm serving as a metal layer on the other surface. 6 mm) was laminated via a brazing filler metal foil.
  • the brazing material (37 mm ⁇ 37 mm ⁇ 0.010 mm thickness) was Al-7.5 mass% Si, and a brazing material containing no Mg was used.
  • the thickness of the aluminum nitride layer is determined from the line analysis using a transmission electron microscope (Titan ChemiSTEM manufactured by FEI) for the cross section of the bonding interface between the silicon nitride substrate and the metal layer, and Al, Si, O, N, Mg.
  • Tian ChemiSTEM manufactured by FEI
  • the total area is 100 at%
  • the area of Al: 15 at% to 60 at% and N: 30 at% to 80 at% is used as the aluminum nitride layer, and the thickness is measured.
  • the region between the line A and the line B is an aluminum nitride layer.
  • Example 5 is the content (at%) of Al or N when the total of Al, Si, O, N, and Mg is 100 at% in the line analysis, and the horizontal axis is the thickness direction. Position (nm).
  • the Mg concentration in the bonding layer and the bonding rate (initial and after the thermal cycle) were evaluated by the method described in Example 1.
  • the ceramic / aluminum bonded body and the insulating circuit board of the present invention are suitable for power modules, LED modules, and thermoelectric modules because the ceramic member and the aluminum member are bonded with high bonding reliability.
  • Insulated circuit board (ceramic / aluminum joint) 11 Ceramic substrate (ceramic member) 12 Circuit layer (aluminum plate, aluminum member) 13 Metal layer (aluminum plate, aluminum member) 14 Cooler 21 Bonding layer 22 Aluminum nitride layer 24 Semiconductor element 30 Power module

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Abstract

本発明の接合体は、セラミックス部材と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、前記セラミックス部材は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されている。

Description

セラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュール
　この発明は、セラミックス部材と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体、および絶縁回路基板と、これを備えたパワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールに関する。
　本願は、２０１５年１１月２６日に日本に出願された特願２０１５－２３１０４０号、及び２０１６年９月１３日に日本に出願された特願２０１６－１７８５３０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールは、導電材料からなる回路層の上にパワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
　例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子には、動作時に発熱量が多いことから、これを搭載する基板として、耐熱性、絶縁性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板（絶縁層）が広く用いられている。
　こうしたセラミックス基板（絶縁層）の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して回路層を形成し、また、他方の面に放熱性に優れた金属層を接合して一体化させた絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）も提供されている。
　例えば、特許文献１に示すパワーモジュールは、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板からなる回路層及びアルミニウム板からなる金属層が形成された絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
　そして、絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）の金属層側にはヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
特許第３１７１２３４号公報
　上述した絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）においては、セラミックス基板とアルミニウム板との接合にＡｌ－Ｓｉ系ろう材などを用いた例が示されているが、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板（絶縁層）と、アルミニウム板との接合においては、セラミックス基板の焼結助剤などの影響によって、接合強度を十分に保つことができなかった。
　特に、パワー半導体素子の動作時の発熱による高温状態と、非動作時の低温状態との間で繰り返し冷熱サイクルが加わる絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）にあっては、セラミックス基板（絶縁層）と金属層との間で接合信頼性が低下しやすいという課題があった。
　この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、窒化ケイ素からなるセラミックス部材にアルミニウム部材を高い接合信頼性を保って接合したセラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、およびこれを備えたパワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の接合体は、セラミックス部材と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、前記セラミックス部材は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されていることを特徴とする。
　本発明の接合体によれば、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合界面に形成されたマグネシウムを含む接合層が、接合界面にマグネシウムがほとんど存在しない場合と比較して、セラミックス部材の厚み方向の内部により深く形成される。即ち、マグネシウムの存在によって、セラミックス部材の内部のより深い領域まで、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合強度が高められ、接合体の接合信頼性を向上させることを可能にする。
　前記接合層の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％～１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％～３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％～４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％～８ａｔ％、残部がアルミニウムであることが好ましい。
　接合層の組成割合を上述した範囲にすることで、セラミックス部材の内部のより深い領域まで、接合層を構成するサイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成され、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合強度を高めることができる。
　接合層のマグネシウム濃度が３ａｔ％未満の場合、接合層の生成が不均一になり、接合性が低下するおそれがある。また、マグネシウム濃度が８ａｔ％を超えると、マグネシウムが過剰に存在することにより、接合層が脆くなり、接合信頼性が低下するおそれがある。
　また、本発明の接合体は、前記セラミックス部材の表面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置において、銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
　この場合、接合界面近傍における、銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であるので、アルミニウム部材のうちセラミックス部材との接合界面の近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス部材に亀裂等が生じることを抑制できる。
　本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板とが接合されてなる絶縁回路基板であって、前記セラミックス基板は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されていることを特徴とする。
　本発明の絶縁回路基板によれば、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板との接合界面に生じるマグネシウムを含む接合層が、接合界面にマグネシウムがほとんど存在しない場合と比較して、セラミックス基板の厚み方向の内部により深く形成される。即ち、マグネシウムの存在によって、セラミックス基板の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス基板とアルミニウム板との接合強度が高められ、絶縁回路基板の接合信頼性を向上させることを可能にする。
　前記接合層の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％～１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％～３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％～４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％～８ａｔ％、残部がアルミニウムであることが好ましい。
　接合層の組成割合を上述した範囲にすることで、セラミックス基板の内部のより深い領域まで、接合層を構成するサイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成され、セラミックス基板とアルミニウム板との接合強度を高めることができる。
　接合層のマグネシウム濃度が３ａｔ％未満の場合、接合層の生成が不均一になり、接合性が低下するおそれがある。また、マグネシウム濃度が８ａｔ％を超えると、マグネシウムが過剰に存在することにより、接合層が脆くなり、接合信頼性が低下するおそれがある。
　また、本発明の絶縁回路基板は、前記セラミックス基板の表面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置において、銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
　この場合、接合界面近傍における、銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であるので、アルミニウム板のうちセラミックス基板との接合界面の近傍が、過剰に硬くなることを抑制でき、セラミックス基板に亀裂等が生じることを抑制できる。
　本発明のパワーモジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とする。
　本発明のＬＥＤモジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴とする。
　本発明の熱電モジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載された熱電素子と、を備えていることを特徴とする。
　本発明のパワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールによれば、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板との接合界面に生じるマグネシウムを含む接合層が、接合界面にマグネシウムがほとんど存在しない場合と比較して、セラミックス基板の厚み方向の内部により深く形成される。即ち、マグネシウムの存在によって、セラミックス基板の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス基板とアルミニウム板との接合強度が高められ、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールの接合信頼性を向上させることを可能にする。
　本発明によれば、窒化ケイ素からなるセラミックス部材にアルミニウム部材を高い接合信頼性を保って接合したセラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板、およびこれを備えたパワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールを提供することができる。
第一実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体、およびパワーモジュールを示す断面図である。 第一実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体の接合界面の近傍を示す要部拡大断面図である。 第二実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体の接合界面の近傍を示す要部拡大断面図である。 図３における窒化アルミニウム層の要部拡大断面図である。 実施例２における窒化アルミニウム層の厚さの測定例を示すグラフである。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において、「ろう材（ｂｒａｚｉｎｇ　ｆｉｌｌｅｒ　ｍａｔｅｒｉａｌ）」は必ずしも鉛を含む材料に限定されない。
　以下に、本発明の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。
（第一実施形態）
　図１は、第一実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板を示す断面図である。
　本実施形態であるセラミックス／アルミニウム接合体は、セラミックス部材としてセラミックス基板１１、アルミニウム部材としてアルミニウム板が接合されてなる回路層１２、アルミニウム部材としてアルミニウム板が接合されてなる金属層１３を備えた絶縁回路基板１０とされている。
　また、本実施形態のパワーモジュール３０は、絶縁回路基板１０の回路層１２に、はんだ層２３を介してパワー半導体素子等の半導体素子２４を実装してなる。
　また、本実施形態では、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に冷却器１４を形成し、冷却器付き絶縁回路基板２０としている。
　セラミックス基板（セラミックス部材）１１は、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）の少なくとも表面にマグネシウム（Ｍｇ）を含むセラミックス材料から構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２～１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
　回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図１及び図２において上面）にアルミニウム又はアルミニウム合金板（アルミニウム部材）が接合されることで形成されている。アルミニウム又はアルミニウム合金板（アルミニウム部材）は、例えば、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度９９．９質量％以上のアルミニウムや純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム等の圧延板から形成されている。本実施形態では、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）を用いている。なお、回路層１２の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
　金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１及び図２において下面）にアルミニウム又はアルミニウム合金板（アルミニウム部材）が接合されることで形成されている。アルミニウム又はアルミニウム合金板（アルミニウム部材）は、例えば、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）や純度９９．９質量％以上のアルミニウムや純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム等の圧延板から形成されている。本実施形態では、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）を用いている。なお、金属層１３の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．１ｍｍに設定されている。
　図２は、セラミックス基板１１と、回路層１２および金属層１３との接合界面を含む領域を示す要部拡大断面図である。
　絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０を構成するセラミックス基板（セラミックス部材）１１と、回路層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１２および金属層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１３とは、それぞれＡｌ－Ｓｉ系ろう材を用いて接合されている。そして、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面には、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、および窒素（Ｎ）の化合物にマグネシウム（Ｍｇ）が含まれた接合層２１がそれぞれ形成されている。
　接合層２１は、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材によってセラミックス基板１１と、回路層１２および金属層１３とをそれぞれ接合した際に、セラミックス基板１１の一方の面と回路層１２、およびセラミックス基板１１の他方の面と金属層１３との接合界面にそれぞれ生じる層である。こうした接合層２１は、所定の濃度範囲のＭｇが含まれたＳｉＡｌＯＮ化合物から構成されている。
　なお、ここでいうＳｉＡｌＯＮ化合物とは、ケイ素原子の一部にアルミニウム原子が置換し、窒素原子の一部に酸素原子が置換してサイアロン構造を成すものであり、接合層２１には、このサイアロン構造の一部にマグネシウムが含まれている。マグネシウムが含まれる形態は、サイアロン構造を成す元素の一部がマグネシウムに置換されたものや、サイアロン構造にさらにマグネシウムが付加されたものなどである。接合層２１に含まれるマグネシウムは、マグネシウムが含まれたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板（セラミックス部材）１１に由来する。
　このような接合層２１の元素の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％～１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％～３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％～４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％～８ａｔ％、残部がアルミニウムとされている。接合層２１の好ましい組成割合は、ケイ素が１２ａｔ％～１６ａｔ％、酸素が２４ａｔ％～３２ａｔ％、窒素が２８ａｔ％～３６ａｔ％、マグネシウムが４．０ａｔ％～７．５ａｔ％（さらに好ましくは、４．８ａｔ％～６．９ａｔ％）、残部がアルミニウムであるが、これに限定されない。接合層２１の組成割合の一例が、ケイ素：１４．１ａｔ％、酸素：２９．１ａｔ％、窒素：３２．９ａｔ％、マグネシウム：６．３ａｔ％、アルミニウム：１７．７ａｔ％である。
　また、接合層２１の厚さは、好ましくは１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下、より好ましくは１．０ｎｍ以上７ｎｍ以下であるが、これに限定されない。
　接合層２１は、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面にマグネシウムがほとんど存在しない場合と比較して、セラミックス基板１１の厚み方向（内部）に、より深く形成される。即ち、マグネシウムの存在によって、セラミックス基板１１の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合強度が高められ、接合信頼性が向上する。
　また、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、回路層（アルミニウム部材）１２および金属層（アルミニウム部材）１３との接合界面においては、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の表面から回路層（アルミニウム部材）１２および金属層（アルミニウム部材）１３側に１０μｍ離間した位置の銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
　銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることから、回路層１２および金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面の近傍が、過剰に硬くなることを抑制できる。これにより、セラミックス基板１１に亀裂や割れが生じることを抑制することができる。なお、この銅の濃度の下限は０ｍａｓｓ％、鉄の濃度の下限は０ｍａｓｓ％であることが好ましく、銅の濃度が０ｍａｓｓ％以上０．１ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０ｍａｓｓ％以上０．１ｍａｓｓ％以下であることがより好ましく、銅の濃度が０ｍａｓｓ％以上０．０２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０ｍａｓｓ％以上０．０２ｍａｓｓ％以下であることがさらに好ましいが、これに限定されない。なお、０ｍａｓｓ％は、測定装置の測定限界値以下の値を含むものとする。
　冷却器１４は、絶縁回路基板１０の熱を効率よく放散させるためのものであり、本実施形態の冷却器付き絶縁回路基板２０では、図１に示すように、冷却媒体が流通する複数の流路１５が設けられている。この冷却器１４は、例えば、アルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、Ａ６０６３で構成されている。冷却器１４と金属層１３とは、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材によって直接接合されている。
　以上のような構成の絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０、およびパワーモジュール３０によれば、少なくとも表面にマグネシウムを含むＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）をセラミックス基板（セラミックス部材）１１として用い、セラミックス基板１１の一方の面と回路層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１２との接合界面、およびセラミックス基板１１の他方の面と金属層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１３との接合界面に、それぞれＳｉＡｌＯＮ化合物に所定の濃度範囲のＭｇが含まれてなる接合層２１を形成することによって、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合信頼性が高められる。
　これにより、例えば、半導体素子２４の発熱による高温状態と、非動作時の低温状態との間で繰り返し冷熱サイクルが加わるような環境であっても、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面で亀裂や剥離が生じることを確実に防止できる。
　なお、上述した第一実施形態の絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０では、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の一方の面と他方の面に、回路層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１２、金属層（アルミニウム部材、アルミニウム板）１３をそれぞれ形成しているが、本発明の絶縁回路基板は、Ｍｇを含むＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板（セラミックス部材）の少なくともいずれか一方の面に、Ｍｇを含むＳｉＡｌＯＮ構造をもつ接合層を介してアルミニウム板（アルミニウム部材）が接合された構成であればよい。
　具体的には、上述した第一実施形態の回路層をＣｕ板から構成し、セラミックス基板の他方の面側のみ、Ｍｇを含むＳｉＡｌＯＮ構造をもつ接合層を介してアルミニウム板（アルミニウム部材）を接合した構成にすることもできる。
　また、これとは逆に、セラミックス基板の一方の面側のみ、Ｍｇを含むＳｉＡｌＯＮ構造をもつ接合層を介してアルミニウム板（アルミニウム部材）を接合し、セラミックス基板の他方の面側は、Ｃｕなどからなる金属層とした構成にすることもできる。
（第二実施形態）
　図３は、第二実施形態のセラミックス／アルミニウム接合体、絶縁回路基板を示す断面図である。
　なお、第一実施形態と同様の構成には同一の番号を付し、その詳細な説明を省略する。
　本実施形態であるセラミックス／アルミニウム接合体は、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）にマグネシウム（Ｍｇ）を含む材料から構成されるセラミックス基板（セラミックス部材）１１、セラミックス基板１１の一方の面（図３において上面）に設けられた回路層（アルミニウム板、アルミニウム部材）１２、およびセラミックス基板１１の他方の面（図３において下面）に接合された金属層（アルミニウム板、アルミニウム部材）１３を備えた絶縁回路基板（パワーモジュール用基板）１０とされている。
　また、本実施形態のパワーモジュール３０は、絶縁回路基板１０の回路層１２に、はんだ層２３を介してパワー半導体素子等の半導体素子２４を実装してなる。
　また、本実施形態では、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に冷却器１４を重ねて形成し、冷却器付き絶縁回路基板２０としている。
　図３は、セラミックス基板と、回路層および金属層との接合界面を含む領域を示す要部拡大断面図である。
　本実施形態においては、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、アルミニウム板（アルミニウム部材）は、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材を用いて接合されている。例えば、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材箔をセラミックス基板（セラミックス部材）１１と、回路層１２となるアルミニウム板（アルミニウム部材）および金属層１３となるアルミニウム板（アルミニウム部材）との間にそれぞれ配して加熱することで、それぞれの界面を接合する。
　セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面には、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、および窒素（Ｎ）の化合物にマグネシウム（Ｍｇ）が含まれた接合層２１がそれぞれ形成されている。
　接合層２１は、Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材によってセラミックス基板１１と、回路層１２、および金属層１３とをそれぞれ接合した際に、セラミックス基板１１の一方の面と回路層１２、およびセラミックス基板１１の他方の面と金属層１３との接合界面にそれぞれ生じる層である。こうした接合層２１は、所定の濃度範囲のＭｇが含まれたＳｉＡｌＯＮ化合物である。
　そして、本実施形態においては、接合層２１と回路層１２との間及び接合層２１と金属層１３との間に、窒化アルミニウム層２２が形成されている。窒化アルミニウム層２２は、セラミックス基板１１と、回路層１２および金属層１３を構成するアルミニウム板との接合の際に、Ａｌと、セラミックス基板１１を構成するＳｉ３Ｎ４が分解して生成したＮとが反応して形成されたものである。
　ここで、接合層２１と回路層１２及び金属層１３（アルミニウム部材）との間に形成された窒化アルミニウム層２２は、図４に示すように、接合層２１側から順に、窒素濃度が高く、かつ、厚さ方向に窒素の濃度傾斜を有する第１窒化アルミニウム層２２ａと、窒素濃度が一定とされた第２窒化アルミニウム層２２ｂと、を備えている。第１窒化アルミニウム層２２ａにおけるＮ濃度は５０ａｔ％以上８０ａｔ％以下の範囲内とされており、回路層１２及び金属層１３側よりも接合層２１側のＮ濃度が高くなっている。第２窒化アルミニウム層２２ｂにおけるＮ濃度は３０ａｔ％以上５０ａｔ％未満の範囲内とされている。なお、この窒化アルミニウム層２２は、Ｍｇを含むこともある。
　また、図４に示すように、第２窒化アルミニウム層２２ｂと回路層１２及び金属層１３（アルミニウム部材）との間に、酸素（Ｏ）を含有するＡｌＮからなる第３窒化アルミニウム層２２ｃが存在する場合もある。なお、この第３窒化アルミニウム層２２ｃは、Ｍｇを含むこともある。
　上述の窒化アルミニウム層２２の厚さは４ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とするとよい。窒化アルミニウム層２２の厚さを４ｎｍ以上とすることにより、接合界面近傍のＳｉ３Ｎ４が確実に分解されることになり、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３（アルミニウム部材）との接合信頼性をより向上させることができる。一方、窒化アルミニウム層２２の厚さを１００ｎｍ以下とすることにより、熱膨張係数の差によって窒化アルミニウム層２２に割れが生じることを抑制することができる。
　なお、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３（アルミニウム部材）との接合信頼性をさらに向上させるためには、窒化アルミニウム層２２の厚さの下限を５ｎｍとすることが好ましく、１５ｎｍとすることがさらに好ましい。一方、窒化アルミニウム層２２における割れの発生をさらに抑制するためには、窒化アルミニウム層２２の厚さの上限を８０ｎｍとすることが好ましく、６０ｎｍとすることがさらに好ましい。
　以上のような構成の絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０においても、マグネシウムを含むＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）をセラミックス基板１１として用い、セラミックス基板１１の一方の面と回路層１２、およびセラミックス基板１１の他方の面と金属層１３とのそれぞれの接合界面に、ＳｉＡｌＯＮ化合物に所定の濃度範囲のＭｇが含まれてなる接合層２１を形成することによって、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合信頼性が高められる。
　これにより、例えば、パワーモジュール３０を構成する半導体素子２４の発熱による高温状態と、非動作時の低温状態との間で繰り返し冷熱サイクルが加わるような環境であっても、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面で亀裂や剥離が生じることを確実に防止できる。
　また、本実施形態においては、接合層２１と回路層１２の間及び接合層２１と金属層１３の間に、窒化アルミニウム層２２が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２及びセラミックス基板１１と金属層１３との接合信頼性をより向上させることができる。
　なお、上述した実施形態以外にも、例えば、回路層や金属層をアルミニウム板と銅板とが接合されたものから構成することもできる。この場合、例えば、無酸素銅の圧延板とアルミニウム板とを固相拡散接合することで、回路層や金属層を形成することができる。
（第一実施形態に示した絶縁回路基板の製造方法）
　次に、第一実施形態に示した絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）の製造方法の一例について説明する。
　図１に示す絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）を製造する際には、まず、マグネシウムが含まれたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板（セラミックス部材）１１を用意する。
　次に、このマグネシウムを含有するＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板１１の一方の面側（回路層を接合させる面側）および他方の面側（金属層を接合させる面側）に、それぞれ、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等のマグネシウム化合物を顕在化させるマグネシウム顕在化処理を行う。具体的には、例えば、まず、セラミックス基板１１の一方の面側および他方の面側をホーニング処理により清浄化する。
　ホーニング処理としては、研磨具を用いたドライホーニング、あるいは、研磨粒子を含む研磨液を用いたウエットホーニングなどが挙げられる。こうしたホーニング処理によって、セラミックス基板１１の表面に存在する不純物を取り除き、清浄化する。
　次に、ホーニング処理を行ったセラミックス基板１１に対して、アルカリ液によるエッチング処理を行う。このエッチング処理では、セラミックス基板１１の一方の面側や他方の面側に存在するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）などの不純物を溶解除去し、アルカリ液に対して耐エッチング性のある酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等のマグネシウム化合物を選択的に残留させる。
　こうしたマグネシウム顕在化処理を行うことによって、セラミックス基板１１の一方の面側や他方の面側のマグネシウム化合物が顕在化される。例えば、セラミックス基板１１の表面のマグネシウム化合物の濃度が高められる。なお、セラミックス基板１１の表面におけるマグネシウムの濃度は、好ましくは０．４ａｔ％以上１．４ａｔ％以下、より好ましくは０．５ａｔ％以上１．２ａｔ％以下、さらに好ましくは０．６２ａｔ％以上１．０１ａｔ％以下であるが、これに限定されない。
　なお、アルカリ液によるエッチング処理には、水酸化ナトリウム水溶液やアンモニア水、有機アミン類やその水溶液等を用いることができる。例えば、水酸化ナトリウム水溶液を用いる場合、ｐＨが１２～１４の水酸化ナトリウム水溶液を用いることができる。エッチング処理時間は５分～３０分の範囲内、望ましくは１０分～２０分の範囲内とすることができる。また、エッチング処理は、７０℃～９０℃の範囲内で行うことができる。
　これらの範囲内で、アルカリ液によるエッチング処理を行うことで、セラミックス基板１１の一方の面側や他方の面側の表面のマグネシウム化合物を顕在化させることができるとともに、アルカリ液によるセラミックス基板１１の脱粒や表面粗さの増加などが防止でき、接合性や接合信頼性の低下を防ぐことができる。
　次に、このマグネシウム化合物を顕在化させたセラミックス基板１１の一方の面側、および他方の面側に、Ｓｉを１ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有するアルミニウム合金からなるろう材箔又はろう材ペーストを配置する。ろう材箔を用いる場合は、厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内の箔材を用いるとよい。ろう材ペーストを用いる場合は、金属成分の換算厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内となるよう塗布するとよい。なお、金属成分の換算厚さとは、ろう材ペースト配合比から算出される有機成分重量をろう材ペーストの塗布重量から除外した重量（金属成分重量）と、ろう材ペーストに用いたアルミニウム合金のＡｌ：Ｓｉ比を用いて単位面積当たりの厚さに換算したものである。そして、ろう材箔又はろう材ペースト上にアルミニウム板（アルミニウム部材）を重ねる。そして上述した積層体を積層方向に加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱する。加圧圧力は、好ましくは０．０９８ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下とする。
　すると、ろう材とアルミニウム板の一部とが溶融し、アルミニウム板とセラミックス基板との界面にそれぞれ溶融金属領域が形成される。この加熱工程の条件は、雰囲気は真空雰囲気（１０－４Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下）または酸素分圧が５００ｖｏｌｐｐｍ以下の窒素雰囲気、接合温度は５８０℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱時間は１分以上１８０分以下の範囲内とされている。この加熱工程によって、セラミックス基板１１の深部までＳｉＡｌＯＮにＭｇが含まれた接合層２１が形成される。
　こうして得られた接合層２１の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％～１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％～３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％～４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％～８ａｔ％、残部がアルミニウムとされている。接合層２１の組成割合の一例が、ケイ素：１１．７ａｔ％、酸素：２５．４ａｔ％、窒素：３６．５ａｔ％、マグネシウム：３．９ａｔ％、アルミニウム：２２．５ａｔ％である。
　また、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、と回路層（アルミニウム部材）１２および金属層（アルミニウム部材）１３との接合界面において、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の表面から回路層１２側および金属層１３側に１０μｍ離間した位置の銅の濃度が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度が０．６ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。
　こうして得られた第一実施形態の絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０は、マグネシウムが含まれないセラミックス基板を用いた場合と比較して、セラミックス基板１１の内部のより深い領域まで、サイアロン構造にマグネシウムが含まれた化合物が形成される。これによって、セラミックス基板１１と回路層１２、金属層１３との接合強度が高められ、接合信頼性が向上する。
　また、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、回路層１２および金属層１３との接合界面において、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の表面から回路層１２側および金属層１３側に１０μｍ離間した位置の銅の濃度を１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄の濃度を０．６ｍａｓｓ％以下とすることで、回路層１２および金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面の近傍が、過剰に硬くなることを抑制できる。これにより、セラミックス基板１１に亀裂や割れが生じることを抑制することができる。なお、これらの銅や鉄は、アルミニウム板やろう材に含まれていた不純物に由来するものである。
　この後、得られた絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）１０を用いて冷却器付き絶縁回路基板２０を製造する際には、金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の面に重ねて、アルミニウムやアルミニウム合金からなる冷却器１４を、例えばＡｌ－Ｓｉ系ろう材を用いて接合する。これによって、冷却器付き絶縁回路基板２０を製造することができる。
（第二実施形態に示した絶縁回路基板の製造方法）
　次に、第二実施形態に示した絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）の製造方法の一例について説明する。
　第二実施形態に示した絶縁回路基板の製造方法は、前述した第一実施形態に示した絶縁回路基板の製造方法において、セラミックス基板とアルミニウム板との接合にＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系のろう材を用いる点で異なる。
　Ａｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材として、Ｓｉを１ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｇを０ｍａｓｓ％を超え０．２０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有するアルミニウム合金からなるろう材箔又はろう材ペーストを用いることができる。ろう材箔を用いる場合は、厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内の箔材を用いるとよい。ろう材ペーストを用いる場合は、金属成分の換算厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内となるよう塗布するとよい。
　なお、Ｍｇの含有量は０．０５ｍａｓｓ％以上０．２０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
　このようなＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材を用いて、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合することにより、ケイ素が１０ａｔ％～１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％～３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％～４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％～８ａｔ％、残部がアルミニウムとされた接合層２１が形成されると共に、接合層２１と回路層１２の間及び接合層２１と金属層１３との間に、窒化アルミニウム層２２が形成される。
　本発明の実施形態を説明したが、これらの各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、追加、ないし変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
　また、本実施形態では、絶縁回路基板にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。熱電素子としては、例えば、マグネシウムシリサイドやマンガンシリサイド、Ｂｉ２Ｔｅ３，ＰｂＴｅ，ＣｏＳｂ３，ＳｉＧｅ等を用いることができる。
　さらに、本実施形態においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にそれぞれアルミニウム板を接合して回路層及び金属層を形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板の一方の面にのみアルミニウム板を接合して回路層を形成し、金属層を形成しなくてもよいし、金属層を他の金属等で構成してもよい。また、セラミックス基板の他方の面にのみアルミニウム板を接合して金属層を形成し、回路層を他の金属等で構成してもよい。
　以下、本実施形態の効果を検証した実験例を示す。
（実施例１）
　まず、窒化ケイ素基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍ）を、窒化ケイ素基板表面のＭｇ濃度が表１記載の通りとなるよう上述した実施形態に記載の方法によって作製した。なお、Ｍｇ濃度は、表面のＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）分析によって求めた。なお、ＥＰＭＡ分析は、日本電子株式会社製ＦＥ－ＥＰＭＡ ＪＸＡ－８５３０Ｆを用い、加速電圧１５ｋＶ、ビーム電流５０ｎＡの条件で１０箇所測定（点分析）を行い、その平均値をＭｇ濃度とした。
　そして、得られた各窒化ケイ素の一方の面に回路層となる表１記載のＡｌ板材からなるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）を、他方の面に金属層となる表１記載のＡｌ板材からなるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ）を表１記載のろう材箔（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．０１５ｍｍ）を介して積層した。そして、これらを積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら加熱することで、Ａｌ板とセラミックス基板とを接合し、各絶縁回路基板を作成した。加熱温度、加熱時間及び雰囲気は表１記載の通りとした。そして、得られた各絶縁回路基板の金属層に、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を用いて、ヒートシンク（Ａ６０６３、５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）を接合した。接合は、積層方向の荷重：３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、真空中、加熱温度６１０℃とした。
　得られた絶縁回路基板に対して、接合層の有無、接合層内のＭｇ濃度、界面のＣｕ及びＦｅ濃度、接合率（初期及び冷熱サイクル後）を測定した。
（接合層の確認方法、接合層及び界面の各元素濃度の測定方法）
　絶縁回路基板を積層方向（厚み方向）に機械切断し、得られた断面を厚さ約５０μｍまで機械研磨し、断面試料とする。その後、接合界面付近に４ｋＶのアルゴンイオンを上下（積層方向と垂直の面）から４度の角度で入射させ、スパッタリングで断面試料に穴が開くまで薄片化する。穴の縁がエッジ状になって電子線が透過可能な厚さ０．１μｍ程度となるので、この部分をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）及びＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）で観察し、接合層の有無を判定すると共に、接合層及び界面の各元素濃度を測定した。ＴＥＭおよびＥＤＳによる測定を、ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ　ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ（ＥＤＳ検出器付）を用い、加速電圧：２００ｋＶ、倍率：４５万～９１万倍で行った。接合層は界面近傍のマッピングにおいてＭｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎが重なる領域を接合層と判断した。Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎが重なる領域がない場合は、接合層がないと判断した。このように特定された接合層について、ＥＤＳ（ビーム径１ｎｍ）により、接合層におけるＭｇ濃度を得た。
　Ｃｕ及びＦｅについては、絶縁回路基板の接合界面の断面をＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ、倍率１０００倍）を用いて観察し、セラミックス基板（窒化ケイ素基板）の表面から回路層（Ａｌ板）側に１０μｍ離間した位置における濃度を測定した。測定は５ヶ所行い、その平均値をＣｕ濃度、Ｆｅ濃度とした。なお、セラミックス基板の表面から回路層側に１０μｍ離間した位置を特定する際、上記断面においてセラミックス基板側から回路層側へ厚さ方向にライン分析を行い、Ａｌ濃度が初めて９０質量％以上となった位置をセラミックス基板（窒化ケイ素基板）の表面と判断した。
（接合率の評価）
　冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＢ－５１）を使用し、絶縁回路基板に対して、液相（フロリナート）で、－４０℃×５分及び１５０℃×５分のサイクルを１サイクルとし、２０００サイクルを実施した。
　この後、回路層とセラミックス基板との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前（初期接合率）と冷熱サイクル試験後（冷熱サイクル後接合率）に行った。
　接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、セラミックス基板と金属層との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
　ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積であり、本実施例では金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。
　（接合率）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）
　超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
　これらの結果を表１に記載した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の結果から、接合層が形成され、接合層のマグネシウムの濃度が３ａｔ％～８ａｔ％の範囲内とされた実験例１～実験例１０では、初期の接合率が高く、冷熱サイクル後の接合率も高いままであり、接合信頼性の高い、絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）が得られることが分かった。一方、接合層が形成されなかった実験例１２では、冷熱サイクル後の接合率が大幅に低下した。また、接合層のマグネシウム濃度が８ａｔ％を超えた実験例１１では、冷熱サイクル後の接合率が、実験例１～実験例１０と比べると、若干低くなった。
（実施例２）
　窒化ケイ素基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍ）を、窒化ケイ素基板（Ｓｉ３Ｎ４基板）表面のＭｇ濃度が表２記載の通りとなるよう上述した実施形態に記載の方法によって作製した。なお、窒化ケイ素基板表面のＭｇ濃度は、実施例１と同様の方法で測定した。
　得られた各窒化ケイ素基板の一方の面に回路層となるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）を、他方の面に金属層となるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ１．６ｍｍ）をろう材箔を介して積層した。ここで、回路層及び金属層となるＡｌ板としては、Ｃｕ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｆｅ：０．０２ｍａｓｓ％、Ａｌ：残部を用いた。また、ろう材（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．０１０ｍｍ）の組成をＡｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉとし、Ｍｇを含有しないろう材を用いた。
　そして、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら加熱することで、Ａｌ板とセラミックス基板とを接合し、各絶縁回路基板を作成した。加熱温度、加熱時間及び雰囲気は表２記載の通りとした。
　得られた各絶縁回路基板の金属層に、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を用いて、ヒートシンク（Ａ６０６３、５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）を接合した。ヒートシンクの接合条件は、積層方向の荷重：３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、真空中、加熱温度６１０℃とした。
　得られた絶縁回路基板に対して、窒化アルミニウム層の厚さ、接合層内のＭｇ濃度、接合率（初期及び冷熱サイクル後）を測定した。
　ここで、窒化アルミニウム層の厚さは、窒化ケイ素基板と金属層の接合界面の断面を透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ　ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いたライン分析から、Ａｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｍｇを合わせて１００ａｔ％としたとき、Ａｌ：１５ａｔ％～６０ａｔ％、且つ、Ｎ：３０ａｔ％～８０ａｔ％の領域を窒化アルミニウム層とし、その厚さを測定した。例えば、図５に示すように、線Ａと線Ｂの間の領域が窒化アルニウム層となる。ここで、図５の縦軸は線分析においてＡｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｍｇを合わせて１００ａｔ％としたときのＡｌまたはＮの含有量（ａｔ％）であり、横軸は厚さ方向の位置（ｎｍ）である。
　なお、接合層内のＭｇ濃度、接合率（初期及び冷熱サイクル後）は、実施例１で説明した方法で評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２の結果から、窒化アルミニウム層の厚さが４ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である場合には、接合信頼性がさらに向上することが確認された。さらに、窒化アルミニウム層の厚さが１５.８ｎｍ以上７６．９ｎｍ以下の範囲内である場合には、接合信頼性がさらに向上することが確認された。
　本発明のセラミックス／アルミニウム接合体および絶縁回路基板では、セラミックス部材とアルミニウム部材とが高い接合信頼性を保って接合されているので、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールに好適である。
１０　絶縁回路基板（セラミックス／アルミニウム接合体）
１１　セラミックス基板（セラミックス部材）
１２　回路層（アルミニウム板，アルミニウム部材）
１３　金属層（アルミニウム板，アルミニウム部材）
１４　冷却器
２１　接合層
２２　窒化アルミニウム層
２４　半導体素子
３０　パワーモジュール

Claims (9)

  1. 　セラミックス部材と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、
    　前記セラミックス部材は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、
    　前記セラミックス部材と前記アルミニウム部材との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されていることを特徴とするセラミックス／アルミニウム接合体。
  2. 　前記接合層の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％～１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％～３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％～４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％～８ａｔ％、残部がアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス／アルミニウム接合体。
  3. 　前記セラミックス部材の表面から前記アルミニウム部材側に１０μｍ離間した位置において、銅が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄が０．６ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス／アルミニウム接合体。
  4. 　セラミックス基板と、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板とが接合されてなる絶縁回路基板であって、
    　前記セラミックス基板は、マグネシウムを含む窒化ケイ素で構成されており、
    　前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との接合界面には、アルミニウム、ケイ素、酸素、および窒素の化合物にマグネシウムが含まれた接合層が形成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
  5. 　前記接合層の組成割合は、ケイ素が１０ａｔ％～１８ａｔ％、酸素が２０ａｔ％～３５ａｔ％、窒素が２５ａｔ％～４０ａｔ％、マグネシウムが３ａｔ％～８ａｔ％、残部がアルミニウムであることを特徴とする請求項４に記載の絶縁回路基板。
  6. 　前記セラミックス基板の表面から前記アルミニウム板側に１０μｍ離間した位置において、銅が１．２ｍａｓｓ％以下かつ鉄が０．６ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の絶縁回路基板。
  7. 　請求項４ないし６いずれか一項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
  8. 　請求項４ないし６いずれか一項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴とするＬＥＤモジュール。
  9. 　請求項４ないし６いずれか一項に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載された熱電素子と、を備えていることを特徴とする熱電モジュール。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114127921A (zh) * 2019-08-21 2022-03-01 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板、铜-陶瓷接合体的制造方法及绝缘电路基板的制造方法
CN114787106A (zh) * 2019-12-06 2022-07-22 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板及铜-陶瓷接合体的制造方法、绝缘电路基板的制造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61275174A (ja) * 1985-05-31 1986-12-05 日立金属株式会社 セラミツクスと金属の接合体およびその製造方法
WO2007105361A1 (ja) * 2006-03-08 2007-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba 電子部品モジュール
JP2009277991A (ja) * 2008-05-16 2009-11-26 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
WO2011004798A1 (ja) * 2009-07-06 2011-01-13 株式会社 東芝 素子搭載用セラミックス基板、ｌｅｄ搭載用セラミックス基板、ｌｅｄランプ及びヘッドライト並びに電子部品
JP2013182960A (ja) * 2012-02-29 2013-09-12 Hitachi Metals Ltd 窒化珪素回路基板およびその製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61275174A (ja) * 1985-05-31 1986-12-05 日立金属株式会社 セラミツクスと金属の接合体およびその製造方法
WO2007105361A1 (ja) * 2006-03-08 2007-09-20 Kabushiki Kaisha Toshiba 電子部品モジュール
JP2009277991A (ja) * 2008-05-16 2009-11-26 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
WO2011004798A1 (ja) * 2009-07-06 2011-01-13 株式会社 東芝 素子搭載用セラミックス基板、ｌｅｄ搭載用セラミックス基板、ｌｅｄランプ及びヘッドライト並びに電子部品
JP2013182960A (ja) * 2012-02-29 2013-09-12 Hitachi Metals Ltd 窒化珪素回路基板およびその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YOSHIAKI ARATA ET AL.: "Basic research on the diffusion welding of silicon nitride sintered body 1", PRE-PRINTS OF THE NATIONAL MEETING OF JWS, April 1986 (1986-04-01), pages 54 - 55, XP009510578 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114127921A (zh) * 2019-08-21 2022-03-01 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板、铜-陶瓷接合体的制造方法及绝缘电路基板的制造方法
US11881439B2 (en) 2019-08-21 2024-01-23 Mitsubishi Materials Corporation Copper/ceramic joined body, insulating circuit substrate, copper/ceramic joined body production method, and insulating circuit substrate production method
CN114787106A (zh) * 2019-12-06 2022-07-22 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板及铜-陶瓷接合体的制造方法、绝缘电路基板的制造方法
CN114787106B (zh) * 2019-12-06 2023-07-14 三菱综合材料株式会社 铜-陶瓷接合体、绝缘电路基板及铜-陶瓷接合体的制造方法、绝缘电路基板的制造方法

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