WO2018003845A1 - 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 - Google Patents

銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 Download PDF

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copper
layer
ceramic
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nitride
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伸幸 寺▲崎▼
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三菱マテリアル株式会社
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    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
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    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Definitions

  • the present invention relates to a copper / ceramic bonded body obtained by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of silicon nitride, and copper made of copper or a copper alloy on the surface of a ceramic substrate made of silicon nitride.
  • the present invention relates to an insulated circuit board on which a layer is formed.
  • Semiconductor devices such as LEDs and power modules have a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
  • a power semiconductor element for large power control used for controlling wind power generation, electric vehicles, hybrid cars, etc.
  • the amount of heat generated is large. Therefore, as a substrate on which such a power semiconductor element is mounted, for example, aluminum nitride
  • an insulating circuit board provided with a layer has been widely used.
  • a substrate in which a metal layer is formed by bonding a metal plate to the other surface of a ceramic substrate is also provided.
  • the ceramic substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is particularly excellent in strength.
  • Patent Document 1 discloses an insulating circuit 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 Bonded Copper) method.
  • a substrate has been proposed.
  • DBC Direct Bonded Copper
  • 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, thereby bonding the copper plate and the ceramic substrate.
  • Patent Document 2 proposes an insulated circuit board 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.
  • a copper plate is disposed on one surface and the other surface of a ceramic substrate with an Ag—Cu—Ti brazing material interposed therebetween, and heat treatment is performed (so-called copper plate is joined).
  • 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. .
  • 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.
  • the bonding temperature is compared with 900 ° C. As a result, the ceramic substrate deteriorates due to the high temperature.
  • the brazing material does not sufficiently react with the ceramic substrate, and the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the copper plate is lowered. Cannot be provided. Further, when the bonding temperature at the time of bonding using the Ag—Cu—Ti brazing material is high, the nitride compound layer (titanium nitride layer) formed at the bonding interface grows thick, and this nitride compound layer (titanium nitride layer) There is a problem that cracks are likely to occur.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, can suppress the occurrence of cracks in the nitride compound layer, and is a highly reliable copper / ceramic member in which a copper member and a ceramic member made of silicon nitride are reliably bonded.
  • An object of the present invention is to provide a ceramic joined body and an insulated circuit board made of the copper / ceramic joined body.
  • the copper / ceramic bonding body of the present invention is a copper / ceramic bonded body obtained by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of silicon nitride.
  • a ceramic joined body wherein one or two or more types of nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr are sequentially formed from the ceramic member side at a joining interface between the copper member and the ceramic member.
  • a nitride compound layer and an Ag—Cu eutectic layer are formed, and the thickness of the nitride compound layer is not less than 0.15 ⁇ m and not more than 1.0 ⁇ m, and is provided between the copper member and the ceramic member.
  • there is an intermetallic compound phase comprising an intermetallic compound containing the nitride-forming element and Si, and Cu and Si are present at the grain boundaries of the nitride compound layer. .
  • an Ag—Cu eutectic layer is formed at the bonding interface between the copper member and the ceramic member, and the nitride is interposed between the copper member and the ceramic member. Since an intermetallic compound phase composed of an intermetallic compound containing a forming element and Si exists, a sufficient decomposition reaction has occurred at the joint surface of the ceramic substrate made of silicon nitride, and the copper member and the ceramic member are A reliably bonded copper / ceramic bonded body can be obtained.
  • the intermetallic compound phase is present inside the Ag—Cu eutectic layer or adjacent to the nitride compound layer containing one or more nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr.
  • the intermetallic compound phase may exist within 20 ⁇ m from the bonding interface between the copper member and the ceramic member toward the copper member.
  • the nitride compound layer having a thickness of 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less is formed between the Ag—Cu eutectic layer and the ceramic member, and Cu and Si are present at the grain boundaries of the nitride compound layer. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the nitride compound layer, and there is no unreacted portion at the bonding interface between the copper member and the ceramic member, and the copper / ceramic bonding has high bonding strength. You can get a body.
  • the copper / ceramic bonding article of the present invention it is preferable that Ag particles are dispersed in the nitride compound layer.
  • the Ag particles are presumed to have been produced in the process in which the nitride forming element and nitrogen react to form the nitride compound layer described above. Therefore, by dispersing Ag particles in the nitride compound layer, the above-mentioned nitride compound layer is sufficiently formed, and a copper / ceramic bonded body in which the copper member and the ceramic member are securely bonded is obtained. Obtainable.
  • the Ag particles dispersed in the nitride compound layer may have a particle size in the range of 10 nm to 100 nm.
  • the Ag particles dispersed in the nitride compound layer are relatively fine with a particle size of 10 nm or more and 100 nm or less, and a nitride forming element and nitrogen (N) react to form the above-described nitride compound layer.
  • N nitride forming element and nitrogen
  • the average concentration C1 of Ag in the region from the interface on the ceramic member side to the position of 25% of the total thickness, and the interface on the copper member side is preferably 0.8 or less.
  • the Ag concentration on the ceramic member side is higher than the Ag concentration on the copper member side, the interfacial reaction has progressed sufficiently, and the copper member and the ceramic member are surely connected. A bonded copper / ceramic bonded body can be obtained.
  • the insulated circuit board of the present invention is an insulated circuit board in which a copper layer made of copper or a copper alloy is formed on the surface of a ceramic board made of silicon nitride, and the copper layer and the ceramic board are made of the above-mentioned copper / It is characterized by comprising a ceramic joined body.
  • the copper layer and the ceramic substrate are composed of the above-described copper / ceramic bonded body, the ceramic substrate and the copper plate are reliably bonded, and the bonding reliability Can be secured.
  • the copper layer bonded to the surface of the ceramic substrate is used as a circuit layer or a metal layer.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation
  • FIG. 3 is an enlarged explanatory view of the nitride compound layer shown in FIG. 2. It is a flowchart which shows the manufacturing method of the insulated circuit board which is the 1st Embodiment of this invention. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the insulated circuit board which is the 1st Embodiment of this invention.
  • 2 is an SEM (scanning electron microscope) image of a cross section in the copper / ceramic bonding body of Example 1 of the present invention.
  • 2 is a STEM (scanning transmission electron microscope) image in the copper / ceramic bonding body of Example 1 of the present invention.
  • brazing filler material is not necessarily limited to a material containing lead.
  • the copper / ceramic bonded body according to the present embodiment is an insulated circuit board 10 configured by bonding a ceramic substrate 11 as a ceramic member and a copper plate 22 (circuit layer 12) as a copper member.
  • FIG. 1 shows an insulated circuit board 10 and a power module 1 using the insulated circuit board 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the power module 1 includes an insulating circuit board 10, a semiconductor element 3 bonded to a surface on one side (the upper side in FIG. 1) of the insulating circuit board 10 via a solder layer 2, and the other side of the insulating circuit board 10. And a heat sink 51 (on the lower side in FIG. 1).
  • the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
  • the insulated circuit board 10 is arranged on the ceramic substrate 11, the 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 metal layer 13 provided.
  • the ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and in this embodiment, the ceramic substrate 11 is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) having high insulation properties.
  • the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.32 mm in the present embodiment.
  • 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.
  • copper or a copper alloy oxygen-free copper, tough pitch copper, or the like can be used.
  • 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.
  • the thickness of the circuit layer 12 is set in a range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • 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 has a 0.2% proof stress of 30 N / mm 2 or less.
  • the thickness of the metal layer 13 (aluminum plate 23) is set within a range of 0.1 mm or more and 6 mm or less, and is set to 2.0 mm in the present embodiment.
  • the heat sink 51 is for cooling the insulating circuit board 10 described above, and includes a top plate portion 52 joined to the insulating circuit board 10 and a flow path 53 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). ing.
  • 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 present embodiment.
  • the heat sink 51 (top plate portion 52) is directly bonded to the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 using a brazing material.
  • the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are composed of one or more nitride forming elements selected from Ag, Cu, Ti, Nb, Hf, and Zr.
  • Ag—Cu—Ti brazing material 24 containing Ti as a nitride forming element is used for bonding.
  • a nitride compound layer 31 and an Ag—Cu eutectic layer 32 are formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22).
  • an intermetallic compound phase 33 made of an intermetallic compound containing a nitride forming element (Ti in this embodiment) and Si exists between the circuit layer 12 (copper plate 22) and the ceramic substrate 11. .
  • the intermetallic compound phase 33 is composed of Ti 5 Si 3 .
  • the nitride compound layer 31 has a columnar crystal structure, and Cu and Si 34 exist at the grain boundaries 31a of the columnar crystals. Note that Cu and Si 34 present at the grain boundaries 31a of the nitride compound layer 31 are observed at an acceleration voltage of 200 kV and a magnification of 910,000 times using a transmission electron microscope (TITA ChemiSTEM manufactured by FEI Co.).
  • the thickness t of the nitride compound layer 31 is set to 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • the thickness t of the nitride compound layer 31 is preferably not less than 0.4 ⁇ m and not more than 0.8 ⁇ m.
  • Ag particles 35 are dispersed in the nitride compound layer 31.
  • Ag particles 35 are widely distributed on the ceramic substrate 11 side of the nitride compound layer 31, and the Ag concentration in the region near the interface from the interface with the ceramic substrate 11 to 500 nm in the nitride compound layer 31 is 0.3 atomic% or more. Preferably, it is within the range of 0.3 atomic% or more and 15 atomic% or less.
  • 90% or more (number ratio) of the Ag particles 35 observed in the nitride compound layer 31 is distributed in the vicinity of the interface.
  • a more preferable ratio of the Ag particles 35 distributed in the vicinity of the interface is 95% or more, and the upper limit is 100%, but is not limited thereto.
  • the particle size of Ag particles dispersed in the nitride compound layer 31 is in the range of 10 nm to 100 nm.
  • the particle size of the Ag particles may be set within a range of 10 nm to 50 nm.
  • the interface from the interface on the ceramic substrate 11 side (interface with the ceramic substrate 11) to the position of 25% of the total thickness t of the nitride compound layer 31.
  • the ratio C2 / C1 between the average concentration C1 of Ag in the region A1 and the average concentration C2 of Ag in the region A2 from the interface on the copper plate 22 (circuit layer 12) side to the 25% position of the total thickness t of the nitride compound layer 31 is It is preferable to be 0.8 or less. Further, the lower limit of C2 / C1 is 0, preferably 0.01. In the present embodiment, as shown in FIG.
  • one surface of the ceramic substrate 11 will contain Ag, Cu, and one or more nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr.
  • a copper plate 22 to be the circuit layer 12 is laminated via a material (in this embodiment, an Ag—Cu—Ti brazing material 24 containing Ti as a nitride forming element).
  • the Cu content is preferably 18 mass% or more and 34 mass% or less
  • the Ti content is preferably 0.3 mass% or more and 7 mass% or less. It is not limited to.
  • a foil material is used as the Ag—Cu—Ti brazing material 24, and the thickness is preferably set in the range of 3 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature at the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) or higher and the time is 180 ° C. ⁇ min or higher and 3501 ° C. ⁇ min or lower (preferably 180 ° C.).
  • the temperature rising rate, the holding temperature, the holding time, the temperature lowering rate, and the like are defined so as to be within the range of ° C ⁇ min to 3500 ° C ⁇ min.
  • the bonding temperature exceeds 850 ° C., the Cu—Ti intermetallic compound formation reaction may proceed excessively and the ceramic substrate 11 may be cracked. For this reason, it is preferable that the upper limit of joining temperature shall be 850 degreeC.
  • the lower limit of the temperature integrated value is preferably 250 ° C. ⁇ min, and more preferably 500 ° C. ⁇ min.
  • the upper limit of the temperature integrated value is preferably 1900 ° C. ⁇ min, more preferably 1700 ° C. ⁇ min.
  • the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is within the above range, so as shown in FIG.
  • An Ag—Cu eutectic liquid phase 38 is formed by the eutectic reaction of Ag and Cu.
  • the Ag—Cu—Ti brazing material 24 is formed at the interface with the ceramic substrate 11.
  • Si is formed by the reaction of the nitride-forming element (Ti) of this and the ceramic substrate 11 made of Si 3 N 4 , and this Si and Cu in the Ag—Cu—Ti brazing material 24 undergo a eutectic reaction to form Cu.
  • a -Si eutectic liquid phase 39 is formed.
  • Ti in the Ag—Cu—Ti brazing material 24 and N (nitrogen) in the ceramic substrate 11 react to generate titanium nitride.
  • the nitride compound layer 31 made of titanium nitride is formed in such a manner that the surface of the ceramic substrate 11 is eroded.
  • Si in the ceramic substrate 11 reacts with the nitride-forming element (Ti) in the Ag—Cu—Ti-based brazing filler metal 24, and the inter-metal containing the nitride-forming element (Ti in this embodiment) and Si.
  • An intermetallic compound phase 33 made of a compound is formed.
  • Cu and Si 34 exist at the grain boundaries of the nitride compound layer 31 that grows as columnar crystals by the above-described reaction.
  • Ag particles 35 are dispersed in the nitride compound layer 31.
  • an aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 11 with a brazing material 25 interposed therebetween.
  • a brazing material 25 for example, an Al—Si based brazing foil can be used.
  • the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 in a state pressurized in the range of the stacking direction 1 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less (9.8 ⁇ 10 4 Pa or more 343 ⁇ 10 4 Pa or less), vacuum
  • the aluminum plate 23 and the ceramic substrate 11 are bonded to each other by charging in a heating furnace in a nitrogen atmosphere and heating.
  • the brazing temperature is in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
  • the holding time is in the range of 15 min to 120 min.
  • the insulated circuit board 10 which is this embodiment is manufactured by the above processes.
  • the heat sink 51 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the insulating circuit substrate 10.
  • the insulating circuit board 10 and the heat sink 51 are laminated through the brazing material 26, pressurized in the laminating direction, and inserted into a vacuum furnace for brazing. Thereby, the metal layer 13 of the insulated circuit board 10 and the top plate portion 52 of the heat sink 51 are joined.
  • an Al—Si brazing foil having a thickness of 20 to 110 ⁇ m can be used as the brazing material 26, and the brazing temperature is set lower than the brazing temperature in the aluminum plate joining step S04. It is preferable.
  • semiconductor element mounting step S06 Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 by soldering. Through the above steps, the power module 1 shown in FIG. 1 is produced.
  • the copper plate 22 (circuit layer 12) made of oxygen-free copper and silicon nitride (Si 3 N 4 ) are used.
  • An Ag—Cu eutectic layer 32 is formed at the bonding interface with the ceramic substrate 11, and nitride is formed between the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • a nitride compound layer 31 made of a nitride containing a nitride forming element (Ti in this embodiment) is formed, and Cu and Si 34 exist at the grain boundaries of this nitride compound layer 31. Therefore, the occurrence of cracks in the nitride compound layer 31 can be suppressed. Moreover, since the thickness of the nitride compound layer 31 is 0.15 ⁇ m or more, an unreacted portion is present at the bonding interface between the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ). Insulating circuit board 10 having high bonding strength without occurrence can be obtained.
  • the intermetallic compound phase 33 may be present inside the Ag—Cu eutectic layer 32 or may be present adjacent to the nitride compound layer 31.
  • the intermetallic compound phase 33 may exist within 20 ⁇ m from the bonding interface between the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 toward the copper plate 22 (circuit layer 12).
  • the nitride compound layer 31 is sufficiently formed at the time of bonding, and the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 are formed. And are more securely joined.
  • the Ag particles 35 dispersed in the nitride compound layer 31 have a relatively fine particle size in the range of 10 nm to 100 nm, and nitride forming elements (in this embodiment, Ti ) And N (nitrogen) are presumed to be produced in the process of forming the above-mentioned nitride compound layer 31. Therefore, the nitride compound layer 31 is sufficiently formed at the interface of the ceramic substrate 11, and the insulating circuit substrate 10 in which the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 are reliably bonded can be obtained. .
  • the nitride compound layer 31 is sufficient at the bonding interface of the ceramic substrate 11.
  • the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 are firmly bonded.
  • the average concentration C1 of Ag in the region A1 from the interface on the ceramic substrate 11 side to the position of 25% of the total thickness t of the nitride compound layer 31, and the nitridation from the interface on the copper plate 22 (circuit layer 12) side is 0.8 or less, and the Ag concentration on the ceramic substrate 11 side is the copper plate 22 (circuit layer). 12) Since it is higher than the side, the interfacial reaction has proceeded sufficiently, and it is possible to obtain the insulated circuit board 10 in which the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 are reliably bonded. .
  • the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature at the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) or higher and the time is 180 ° C. ⁇ min or more and 3500 ° C. ⁇ min or less. Since the temperature rising rate, holding temperature, holding time, temperature falling rate, etc.
  • the integrated temperature value obtained by multiplying the temperature at the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) or higher and the time is within the range of 180 ° C. ⁇ min to 3500 ° C. ⁇ min.
  • the temperature rising rate, the holding temperature, the holding time, the temperature lowering rate, etc. are defined, and the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 are reliably bonded even if the temperature condition in the copper plate bonding step S02 is relatively low. can do. Therefore, deterioration of the ceramic substrate 11 can be suppressed.
  • the bonding temperature is set to 850 ° C. or less, it is possible to suppress the Cu—Ti intermetallic compound formation reaction from proceeding excessively, and to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11. .
  • the copper / ceramic bonded body according to the present embodiment is configured by bonding a ceramic substrate 11 as a ceramic member, and a copper plate 122 (circuit layer 112) and a copper plate 123 (metal layer 113) as copper members.
  • the insulating circuit board 110 is used.
  • FIG. 7 shows an insulated circuit board 110 and a power module 101 using the insulated circuit board 110 according to the second embodiment of the present invention.
  • the power module 101 includes an insulating circuit board 110, a semiconductor element 3 joined to a surface on one side (upper side in FIG. 7) of the insulating circuit board 110 via a first solder layer 2, and an insulating circuit board 110. And a heat sink 151 disposed on the other side (lower side in FIG. 7).
  • the insulated circuit board 110 is disposed on the ceramic substrate 11, the circuit layer 112 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 7) of the ceramic substrate 11, and the other surface (the lower surface in FIG. 7) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 113 provided.
  • the ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 112 and the metal layer 113, and is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) having high insulating properties.
  • the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.32 mm in the present embodiment.
  • the circuit layer 112 is formed by bonding a copper plate 122 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 11.
  • a copper plate 122 made of copper or a copper alloy oxygen-free copper, tough pitch copper, or the like can be used.
  • a rolled plate of tough pitch copper is used as the copper plate 122 constituting the circuit layer 112.
  • a circuit pattern is formed on the circuit layer 112, and one surface (the upper surface in FIG. 7) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
  • the thickness of the circuit layer 112 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • the metal layer 113 is formed by bonding a copper plate 123 made of copper or a copper alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • a copper plate 123 made of copper or a copper alloy
  • oxygen-free copper, tough pitch copper, or the like can be used.
  • a rolled plate of tough pitch copper is used as the copper plate 123 constituting the metal layer 113.
  • the thickness of the metal layer 113 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • the heat sink 151 is for cooling the insulating circuit board 110 described above, and includes a heat radiating plate 152 joined to the insulating circuit board 110 and a cooler 154 stacked on the heat radiating plate 152. .
  • the heat radiating plate 152 spreads heat from the above-described insulating circuit board 110 in the surface direction, and is made of copper or copper alloy having excellent thermal conductivity.
  • the heat sink 152 and the metal layer 113 of the insulated circuit board 110 are joined via the second solder layer 8.
  • the cooler 154 includes a flow path 153 for circulating a cooling medium (for example, cooling water).
  • the cooler 154 is preferably made of a material having good thermal conductivity.
  • the cooler 154 is made of A6063 (aluminum alloy).
  • the heat sink 152 and the cooler 154 are fastened by a fixing screw 156 via a grease layer (not shown).
  • the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 (copper plate 122), and the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 (copper plate 123) are composed of Ag, Cu, Ti, Nb, Hf, Joined using a brazing material containing one or more nitride forming elements selected from Zr (in this embodiment, an Ag—Cu—Ti brazing material 124 containing Ti as the nitride forming element). .
  • the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 (copper plate 122) and the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 (copper plate 123) are at the grain boundaries.
  • a nitride compound layer in which Cu and Si are present and Ag particles are dispersed therein, and an Ag—Cu eutectic layer are formed.
  • a nitride-forming element (Ti in this embodiment) and Si are included between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 (copper plate 122) and between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 (copper plate 123).
  • the thickness of the nitride compound layer is set to 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less. Since the thickness of the nitride compound layer is 0.15 ⁇ m or more, an unreacted portion may occur at the bonding interface between the copper plate 122 (circuit layer 112) and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ). Insulated circuit board 110 having a high bonding strength can be obtained. Furthermore, since the nitride compound layer has a thickness of 1.0 ⁇ m or less, the occurrence of cracks in the nitride compound layer can be suppressed, and the insulating circuit substrate 110 having high bonding strength can be obtained. The thickness of the nitride compound layer is preferably 0.4 ⁇ m or more and 0.8 ⁇ m or less.
  • the intermetallic compound phase may be present inside the Ag—Cu eutectic layer or may be present adjacent to the nitride compound layer. Furthermore, the intermetallic compound phase may be present within 20 ⁇ m from the bonding interface between the circuit layer 112 (copper plate 122) and the ceramic substrate 11 toward the circuit layer 112 (copper plate 122). Moreover, it may exist within 20 micrometers toward the metal layer 113 (copper plate 123) from the joining interface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 (copper plate 123).
  • a copper plate 122 to be the circuit layer 112 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 with an Ag—Cu—Ti brazing material 124 interposed therebetween. Further, a copper plate 123 to be the metal layer 113 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 with an Ag—Cu—Ti brazing material 124 interposed therebetween.
  • the Ag—Cu—Ti brazing filler metal 124 the Cu content is preferably 18 mass% or more and 34 mass% or less, and the Ti content is preferably 0.3 mass% or more and 7 mass% or less. It is not limited to.
  • a foil material is used as the Ag—Cu—Ti brazing material 124, and the thickness may be set in the range of 3 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is integrated within the range of 180 ° C. ⁇ min to 3500 ° C. ⁇ min.
  • a temperature rising rate, a holding temperature, a holding time, a temperature lowering rate, etc. are defined.
  • the bonding temperature exceeds 850 ° C.
  • the Cu—Ti intermetallic compound formation reaction proceeds excessively, and the ceramic substrate 11 may be cracked.
  • the upper limit of joining temperature shall be 850 degreeC.
  • the lower limit of the temperature integrated value is preferably 250 ° C. ⁇ min, and more preferably 500 ° C. ⁇ min.
  • the upper limit of the temperature integrated value is preferably 1900 ° C. ⁇ min, more preferably 1700 ° C. ⁇ min.
  • the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is within the above range, so that the Ag—Cu eutectic liquid In the phase, Si is formed at the interface with the ceramic substrate 11 by the reaction between Ti in the Ag—Cu—Ti brazing material 124 and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • a liquid phase is formed by eutectic reaction with Cu in the Ag—Cu—Ti brazing material 124.
  • Ti in the Ag—Cu—Ti brazing material 124 reacts with N (nitrogen) in the ceramic substrate 11 to produce titanium nitride.
  • the nitride compound layer is formed in such a manner that the surface of the ceramic substrate 11 is eroded.
  • Si in the ceramic substrate 11 and Ti in the Ag—Cu—Ti brazing material 124 react to form an intermetallic compound phase.
  • Cu and Si exist in the grain boundary of the nitride compound layer which grows as a columnar crystal by the above reaction.
  • Ag particles are dispersed in the nitride compound layer.
  • the insulated circuit board 110 which is this embodiment is manufactured by the above processes.
  • the heat sink 152 is bonded to the other surface side of the metal layer 113 of the insulating circuit board 110.
  • the insulating circuit board 110 and the heat radiating plate 152 are stacked via a solder material and inserted into a heating furnace, and the insulating circuit board 110 and the heat radiating plate 152 are soldered together.
  • a cooler 154 is disposed on the other surface side of the heat sink 152.
  • Grease (not shown) is applied between the heat radiating plate 152 and the cooler 154, and the heat radiating plate 152 and the cooler 154 are connected by a fixing screw 156.
  • semiconductor element mounting step S105 Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 112 of the insulating circuit board 110 by soldering. Through the above steps, the power module 101 shown in FIG. 7 is produced.
  • the copper plate 122 (circuit layer 112) and the copper plate 123 (metal layer 113) made of tough pitch copper and silicon nitride ( The ceramic substrate 11 made of Si 3 N 4 ) is bonded to each other by using an Ag—Cu—Ti brazing material 124, and in the copper plate bonding step S102, the temperature is equal to or higher than the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.).
  • the integrated temperature value obtained by multiplying the time and the time is within the above-described range, and therefore has the same bonding interface as that of the first embodiment, and the copper plate 122 (circuit layer 112) and the ceramic substrate 11 Insulating circuit board 110 in which copper plate 123 (metal layer 113) and ceramic substrate 11 are securely bonded can be obtained.
  • the copper / ceramic bonded body according to the present embodiment is an insulating material formed by bonding a ceramic substrate 11 that is a ceramic member and a copper plate 222 (circuit layer 212) that is a copper member.
  • the circuit board 210 is used.
  • the ceramic substrate 11 is made of highly insulating silicon nitride (Si 3 N 4 ), and has the same configuration as that of the first and second embodiments.
  • the circuit layer 212 is formed by bonding a copper plate 222 made of copper or a copper alloy such as oxygen-free copper or tough pitch copper to one surface of the ceramic substrate 11.
  • the copper plate 222 is an oxygen-free copper rolled plate.
  • the ceramic substrate 11 and the circuit layer 212 include Ag and one or more nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr. Bonding is performed using a brazing material (in this embodiment, an Ag—Ti brazing material containing Ti as a nitride-forming element).
  • a brazing material in this embodiment, an Ag—Ti brazing material containing Ti as a nitride-forming element.
  • Cu and Si exist at the grain boundaries, and a nitride compound layer (with Ag particles dispersed therein) A titanium nitride layer) and an Ag—Cu eutectic layer.
  • an intermetallic compound phase composed of an intermetallic compound containing a nitride-forming element (Ti in this embodiment) and Si exists (FIG. 2 and FIG. 3).
  • the thickness of the nitride compound layer is set to 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less. Since the thickness of the nitride compound layer is 0.15 ⁇ m or more, an unreacted portion may be generated at the bonding interface between the copper plate 222 (circuit layer 212) and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ). Insulated circuit board 210 having high bonding strength can be obtained.
  • the nitride compound layer has a thickness of 1.0 ⁇ m or less, the occurrence of cracks in the nitride compound layer can be suppressed, and the insulating circuit substrate 210 having high bonding strength can be obtained.
  • the thickness of the nitride compound layer is preferably 0.4 ⁇ m or more and 0.8 ⁇ m or less.
  • the intermetallic compound phase may be present inside the Ag—Cu eutectic layer or may be present adjacent to the nitride compound layer. Further, the intermetallic compound phase may exist within 20 ⁇ m from the bonding interface between the copper plate 222 (circuit layer 212) and the ceramic substrate 11 toward the copper plate 222 (circuit layer 212).
  • an Ag—Ti brazing material paste 224 is applied to one surface of the ceramic substrate 11 by screen printing.
  • the thickness of the Ag—Ti brazing paste 224 is 20 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less after drying.
  • the Ag—Ti brazing paste 224 contains a powder component containing Ag and Ti, a resin, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a reducing agent.
  • the content of the powder component is 40% by mass or more and 90% by mass or less of the entire Ag—Ti brazing paste 224.
  • the viscosity of the Ag—Ti brazing paste 224 is adjusted to 10 Pa ⁇ s to 500 Pa ⁇ s, more preferably 50 Pa ⁇ s to 300 Pa ⁇ s.
  • the composition of the powder component is such that the Ti content is 0.4 mass% or more and 75 mass% or less, and the balance is Ag and inevitable impurities. In this embodiment, 10% by mass of Ti is contained, and the balance is Ag and inevitable impurities.
  • the alloy powder of Ag and Ti is used as a powder component containing Ag and Ti. This alloy powder is produced by an atomizing method, and the particle diameter is set to 40 ⁇ m or less, preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or less by sieving the produced alloy powder.
  • the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is integrated within the range of 180 ° C. ⁇ min to 3500 ° C. ⁇ min.
  • a temperature rising rate, a holding temperature, a holding time, a temperature lowering rate, etc. are defined.
  • the bonding temperature exceeds 850 ° C.
  • the Cu—Ti intermetallic compound formation reaction proceeds excessively, and the ceramic substrate 11 may be cracked.
  • the upper limit of joining temperature shall be 850 degreeC.
  • the lower limit of the temperature integrated value is preferably 250 ° C. ⁇ min, and more preferably 500 ° C. ⁇ min.
  • the upper limit of the temperature integrated value is preferably 1900 ° C. ⁇ min, more preferably 1700 ° C. ⁇ min.
  • the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is within the above range, so that the Ag—Cu eutectic liquid
  • Si is formed at the interface with the ceramic substrate 11 by a reaction between Ti in the Ag—Ti brazing paste 224 and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • a liquid phase is formed by eutectic reaction with Cu in 222.
  • Ti in the Ag—Ti brazing paste 224 and N (nitrogen) in the ceramic substrate 11 react to form titanium nitride.
  • a nitride compound layer made of titanium nitride is formed so that the surface of the ceramic substrate 11 is eroded.
  • Si in the ceramic substrate 11 and Ti in the Ag—Ti brazing paste 224 react to form an intermetallic compound phase.
  • Cu and Si exist in the grain boundary of the nitride compound layer which grows as a columnar crystal by the above reaction. Further, Ag particles are dispersed in the nitride compound layer.
  • the insulated circuit board 210 which is this embodiment is manufactured by the above processes.
  • the copper plate 222 (circuit layer 212) made of oxygen-free copper and silicon nitride (Si 3 N 4 ) are used.
  • the ceramic substrate 11 is bonded using the Ag—Ti brazing paste 224.
  • the temperature at the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) or higher is multiplied and integrated. Since the temperature integrated value is within the above-described range, the insulating circuit board has a bonding interface similar to that of the first embodiment, and the copper plate 222 (circuit layer 212) and the ceramic substrate 11 are securely bonded. 210 can be obtained.
  • the copper plate which comprises a circuit layer or a metal layer was demonstrated as an oxygen-free copper rolled plate, it is not limited to this, You may be comprised with other copper or copper alloys.
  • the aluminum plate constituting the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99 mass%.
  • the aluminum plate is not limited to this, and aluminum having a purity of 99 mass% (2N It may be composed of other aluminum or aluminum alloy such as (aluminum).
  • the present embodiment has been described on the assumption that Ag particles are dispersed in the nitride compound layer, the present invention is not limited to this.
  • the Ag particles dispersed in the nitride compound layer have been described as having a particle size in the range of 10 nm to 100 nm. However, Ag particles of other sizes may be dispersed. Good.
  • the heat sink and the heat sink are not limited to those exemplified in the present 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.
  • Ti is used as a nitride forming element, and a nitride compound layer made of titanium nitride and an intermetallic compound phase containing Ti and Si have been described.
  • the present invention is limited to this. There is no nitride compound layer containing the nitride-forming element and between the metal containing the nitride-forming element and Si using one or more nitride-forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr. It may have a compound phase.
  • the ceramic substrate and the copper plate are joined using the Ag—Ti brazing paste, but the present invention is not limited to this, and the Ag—Cu—Ti paste is used. It may be used.
  • the copper / ceramic bonding body has the same interface structure as that of the first embodiment.
  • the Ag—Ti brazing paste is applied to the ceramic substrate, the present invention is not limited to this, and an Ag—Ti brazing paste or the like may be applied to the copper plate.
  • the Ag—Ti brazing paste is applied by screen printing, the application method is not limited. Further, a step of drying the Ag—Ti brazing material paste may be provided before the lamination step (S202).
  • the alloy powder of Ag and Ti was used as a powder component containing Ag and Ti, not only this but the mixed powder of Ag powder and Ti powder can be used.
  • the particle size of the Ag powder used is 40 ⁇ m or less, preferably 20 ⁇ m or less, and more preferably 10 ⁇ m or less.
  • TiH 2 powder instead of Ti powder.
  • the composition of the powder component is such that the content of TiH 2 is 0.4 mass% or more and 50 mass% or less, and the balance is Ag and inevitable impurities.
  • the particle size of the TiH 2 powder used is preferably 15 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less.
  • the thickness of the applied paste is preferably 20 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less after drying. It is also possible to use a Ag powder, a Cu powder, a paste comprising a mixed powder of Ti powder or TiH 2 powder.
  • one or more elements selected from In, Sn, Al, Mn and Zn may be added to the Ag—Cu—Ti brazing material and the Ag—Ti brazing material described in the above embodiment. it can.
  • the bonding temperature can be further reduced.
  • the Ag—Ti brazing material paste a paste made of Ti and one or more elements selected from In, Sn, Al, Mn, and Zn, and the balance of Ag and inevitable impurities can be used. .
  • the bonding temperature can be further reduced.
  • the Ag—Ti brazing paste described in the third embodiment can be used in place of the Ag—Cu—Ti brazing foil.
  • 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.
  • Example 1 A copper / ceramic bonding body was formed using a ceramic substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), a brazing material, and a copper plate. More specifically, a copper plate made of the material shown in Table 1 was bonded to one side of a 40 mm square ceramic substrate having a thickness of 0.32 mm. In Table 1, “TPC” means tough pitch copper and “OFC” means oxygen-free copper. The size of the copper plate was 44 mm ⁇ 25 mm (however, it protruded 5 mm from the end of the ceramic substrate). The copper plate was joined under the conditions shown in Table 1 with a brazing material interposed between the ceramic substrate and the copper plate to form a copper / ceramic joined body. The pressure (load) in the stacking direction was 1.5 kgf / cm 2 , and the bonding atmosphere was vacuum (3 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa).
  • a brazing material of Ag-28 mass% Cu-3 mass% Ti was used.
  • a brazing material of Ag-10 mass% Ti was used.
  • a paste containing a brazing filler metal powder (particle size: 20 ⁇ m) having a powder component composition of Ag-28 mass% Cu-3 mass% Ti, an acrylic resin, and texanol is dried. It applied so that thickness after that might be set to 150 micrometers, and it was set as the brazing material.
  • a paste containing a brazing filler metal powder (particle size: 20 ⁇ m) with an Ag-10 mass% Ti composition, an acrylic resin, and texanol is dried to a thickness of 150 ⁇ m. It applied so that it might become, and it was set as the brazing material.
  • an Ag—Zr paste a paste containing a brazing powder (particle size 20 ⁇ m), an acrylic resin, and texanol having a powder component composition of Ag-17 mass% Zr, a thickness after drying of 150 ⁇ m. It applied so that it might become, and it was set as the brazing material.
  • a paste containing a brazing filler metal powder (particle size: 40 ⁇ m) having an Ag-29 mass% Hf composition, an acrylic resin, and texanol is dried to a thickness of 150 ⁇ m. It applied so that it might become, and it was set as the brazing material.
  • a paste containing a brazing filler metal powder (particle size: 20 ⁇ m) with an Ag-18 mass% Nb composition, an acrylic resin, and texanol is dried to a thickness of 150 ⁇ m. It applied so that it might become, and it was set as the brazing material.
  • the thickness of the nitride compound layer, the presence or absence of an intermetallic compound phase in the Ag—Cu eutectic layer, the presence or absence of Cu and Si at the grain boundary of the nitride compound layer, the nitriding The presence / absence (particle size) of Ag particles in the compound layer and the 90 ° peel strength between the copper plate and the ceramic substrate were evaluated.
  • the bonding interface (cross section perpendicular to the surface of the ceramic substrate) between the copper plate and the ceramic substrate was measured with a scanning electron microscope (ULTRA55 manufactured by Carl Zeiss NTS) at a magnification of 15000 times (measurement field: 6 ⁇ m ⁇ 8 ⁇ m), the number of fields Observation was conducted to confirm the thickness of the nitride compound layer, the presence or absence of an intermetallic compound phase in the Ag—Cu eutectic layer, and the presence or absence (particle size) of Ag particles in the nitride compound layer.
  • ULTRA55 manufactured by Carl Zeiss NTS
  • nitride compound layer element mapping of nitride forming element and N selected from Ti, Nb, Hf, and Zr is obtained at the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate, and the nitride forming element and nitrogen ( N) is regarded as a nitride compound layer, the area of this region is measured, a value obtained by dividing the measured area by the width of the measurement visual field is obtained, and the average of the values obtained in the five visual fields is determined by the nitride compound Layer thickness.
  • the concentration of the nitride forming element in the region is 60 mass% or more and 90 mass. % Or less was regarded as “present”.
  • the bonding interface was observed at an acceleration voltage of 200 kV and a magnification of 910,000, and element mapping with a beam diameter of about 0.1 nm was performed at the grain boundary of the nitride compound layer. The presence or absence of Cu and Si was confirmed.
  • the element mapping of Ag in the nitride compound layer is converted to 8-bit gray scale, an Ag distribution image is obtained, and Kapur-Saho-Wong (Maximum Entropy) thresholding (Kapur, JN; Saho, Based on PK; Wong, ACK (1985), “A New Method for Gray-Level Picture Thresholding Usageing Thetheof of the History of Thehistogram”, Graphic Models3 and 29 Priced.
  • the contour of the Ag particle was extracted from the binarized image, and the equivalent circle diameter (diameter) was calculated from the area (number of pixels) in the contour. And D50 of the calculated equivalent circle diameter was made into the particle size of Ag particle.
  • Evaluation results are shown in Table 1. Moreover, the SEM observation result in the copper / ceramic bonding body of Invention Example 1 is shown in FIG. 13, and the STEM observation result in the copper / ceramic bonding body of Invention Example 1 is shown in FIG.
  • the 90 ° peel strength was high. It is presumed that the nitride compound layer has a thickness of 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less, Cu and Si are present in the nitride compound layer, and the occurrence of cracks in the nitride compound layer is suppressed.
  • FIG. 13A In Lens SE (secondary electron) image
  • the nitride compound layer 31 and the Ag— are formed on the bonding interface of the ceramic substrate (Si 3 N 4 ) 11.
  • a Cu eutectic layer 32 (Ag 32a and Cu 32b constituting the Ag—Cu eutectic layer 32 are observed in FIG. 13A) was observed.
  • the intermetallic compound phase 33 exists between the copper plate and the ceramic substrate, and exists inside the Ag—Cu eutectic layer 32 and adjacent to the nitride compound layer 31. .
  • FIG. 13A In Lens SE (secondary electron) image
  • Example 2 An insulating circuit board was formed using a ceramic substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), a brazing material, and a copper plate. More specifically, copper plates made of the materials shown in Table 2 were bonded to both sides of a 40 mm square ceramic substrate having a thickness of 0.32 mm. The size of the copper plate was 37 mm square and the thickness was 0.8 mm. The copper plate was joined under the conditions shown in Table 2 through a brazing material between the ceramic substrate and the copper plate to form a copper / ceramic joined body. The pressure (load) in the stacking direction was 1.5 kgf / cm 2 , and the bonding atmosphere was vacuum (3 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa). The brazing material shown in Table 2 was the same as in Example 1 described above.
  • the thickness of the nitride compound layer, the average concentration C1 of Ag in the region of 25% of the total thickness from the interface on the ceramic substrate side in the nitride compound layer, and the interface on the copper plate side The ratio C2 / C1 with the average concentration C2 of Ag in the region of 25% of the total thickness, the initial bonding rate between the ceramic substrate and the copper plate, and cracking of the ceramic substrate by a thermal cycle test were evaluated.
  • the area surrounded by the horizontal axis passing through the origin and the Ag concentration curve in the region from the interface on the ceramic substrate side to the position of 25% (t / 4) of the total thickness t of the nitride compound layer, where t is the total thickness of the nitride compound layer was divided by t / 4 to obtain an average Ag concentration C1. Further, in the region from the interface on the copper plate side to the position of 25% (t / 4) of the total thickness t of the nitride compound layer, the area surrounded by the horizontal axis passing through the origin and the Ag concentration curve is divided by t / 4 to obtain the Ag The average concentration was C2.
  • the interface between the ceramic substrate and the nitride compound layer was defined as the interface where the concentration of the nitride-forming element in the line analysis was 10 at% or more for the first time when viewed from the ceramic substrate side.
  • the interface between the copper plate and the nitride compound layer was defined as the interface where the concentration of the nitride forming element in the line analysis was 10 at% or more for the first time when viewed from the copper plate side.
  • the total thickness t of the nitride compound layer was calculated from the interface position with the ceramic substrate and the interface position with the copper plate defined as described above.
  • the bonding rate between the copper plate and the ceramic substrate was determined using the following formula using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.).
  • the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the bonding surface of the copper plate.
  • peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
  • the copper / ceramic bonding body and the insulating circuit board of the present invention can suppress the occurrence of cracks in the nitride compound layer and the copper member and the ceramic member are securely bonded to each other, the reliability is high, such as an LED or a power module. Suitable for semiconductor devices.

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Abstract

本発明の銅／セラミックス接合体では、銅部材とセラミックス部材との接合界面には、セラミックス部材側から順に、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層と、が形成されており、窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下であり、銅部材とセラミックス部材との間には、窒化物形成元素とＳｉとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、窒化化合物層の粒界にはＣｕ及びＳｉが存在している。

Description

銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
　この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化ケイ素からなる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、及び、窒化ケイ素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層が形成された絶縁回路基板に関する。
　本願は、２０１６年６月３０日に日本に出願された特願２０１６－１３０２２４号、および２０１７年６月１９日に日本に出願された特願２０１７－１１９６８３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置は、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
　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、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）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された回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成されたものも提供されている。ここで、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板は、特に強度に優れている。
　例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｅｄ　Ｃｏｐｐｅｒ）法によってセラミックス基板に直接接合した絶縁回路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て、銅板とセラミックス基板とを接合している。
　また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この絶縁回路基板においては、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。
特開平０１－２５１７８１号公報 特許第３２１１８５６号公報
　しかしながら、特許文献１に開示されているように、ＤＢＣ法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を１０６５℃以上（銅と銅酸化物との共晶点温度以上）にする必要があることから、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、例えばＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材等を用いた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、単に接合温度を低下させた場合には、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の界面での接合率が低下してしまい、信頼性の高い絶縁回路基板を提供することができない。
　さらに、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を用いて接合する際の接合温度が高い場合、接合界面に形成される窒化化合物層（窒化チタン層）が厚く成長し、この窒化化合物層（窒化チタン層）においてクラックが発生し易くなるといった問題があった。
　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、窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき、銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが確実に接合された信頼性の高い銅／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絶縁回路基板を提供することを目的とする。
　このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の銅／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ケイ素からなる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、前記セラミックス部材側から順に、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層と、が形成されており、前記窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下であり、前記銅部材と前記セラミックス部材との間には、前記窒化物形成元素とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、前記窒化化合物層の粒界にはＣｕ及びＳｉが存在していることを特徴としている。
　この構成の銅／セラミックス接合体においては、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面にＡｇ－Ｃｕ共晶層が形成されているとともに、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に前記窒化物形成元素とＳｉとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在していることから、窒化ケイ素からなるセラミックス基板の接合面において十分に分解反応が生じており、銅部材と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を得ることができる。なお、金属間化合物相はＡｇ－Ｃｕ共晶層の内部に存在する場合や、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。また、金属間化合物相は前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。
　さらに、前記Ａｇ－Ｃｕ共晶層とセラミックス部材との間に厚さ０．１５μｍ以上１．０μｍ以下の前記窒化化合物層が形成されており、前記窒化化合物層の粒界においてＣｕ及びＳｉが存在しているので、この窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制することができるとともに、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に未反応部が生じることが無く、接合強度の高い銅／セラミックス接合体を得ることができる。
　ここで、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層の内部にＡｇ粒子が分散されていることが好ましい。
　このＡｇ粒子は、窒化物形成元素と窒素とが反応して上述の前記窒化化合物層が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、前記窒化化合物層の内部にＡｇ粒子が分散されていることで、上述の窒化化合物層が十分に形成されており、銅部材と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を得ることができる。
　また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層の内部に分散する前記Ａｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている構成としてもよい。
　この場合、前記窒化化合物層内に分散するＡｇ粒子は、粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下と比較的微細であり、窒化物形成元素と窒素（Ｎ）とが反応して上述の窒化化合物層が形成される過程で生成したものであることから、窒化物形成元素を含む窒化物の生成が促進されて窒化化合物層が十分に形成されることになり、銅部材と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を得ることが可能となる。
　さらに、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層において、前記セラミックス部材側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、前記銅部材側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が０．８以下であることが好ましい。
　この場合、前記窒化化合物層内において、セラミックス部材側のＡｇ濃度が銅部材側のＡｇ濃度よりも高くなっているので、界面反応が十分に進行しており、銅部材と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を得ることが可能となる。
　本発明の絶縁回路基板は、窒化ケイ素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層が形成された絶縁回路基板であって、前記銅層と前記セラミックス基板とが、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。
　この構成の絶縁回路基板によれば、前記銅層と前記セラミックス基板とが、上述の銅／セラミックス接合体で構成されているので、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層は、回路層あるいは金属層を構成するものとして用いられる。
　本発明によれば、窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき、銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが確実に接合された信頼性の高い銅／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絶縁回路基板を提供することが可能となる。
本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板の回路層（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。 図２に示す窒化化合物層の拡大説明図である。 本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 窒化化合物層及び金属間化合物相の形成過程を示す模式説明図である。 本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態である絶縁回路基板の概略説明図である。 本発明の第３の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明例１の銅／セラミックス接合体における断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像である。 本発明例１の銅／セラミックス接合体におけるＳＴＥＭ（走査型透過電子顕微鏡）像である。
　以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、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。
（第１の実施形態）
　まず、本発明の第１の実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
　本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板２２（回路層１２）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１０とされている。
　図１に、本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板１０及びこの絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
　このパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板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、絶縁回路基板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。
　絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
　セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高い窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２～１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
　回路層１２は、図５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。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、回路層１２を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
　金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。なお、このアルミニウム板２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下とされている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
　ヒートシンク５１は、前述の絶縁回路基板１０を冷却するためのものであり、絶縁回路基板１０と接合される天板部５２と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路５３とを備えている。ヒートシンク５１（天板部５２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
　このヒートシンク５１（天板部５２）は、本実施形態においては、絶縁回路基板１０の金属層１３にろう材を用いて直接接合されている。
　ここで、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）とは、図５に示すように、ＡｇとＣｕとＴｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素とを含むろう材（本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを含むＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４）を用いて接合されている。
　そして、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との接合界面には、図２に示すように、窒化化合物層３１と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層３２と、が形成されている。
　また、回路層１２（銅板２２）とセラミックス基板１１との間には、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相３３が存在している。本実施形態では、この金属間化合物相３３は、Ｔｉ５Ｓｉ３で構成されている。
　そして、上述の窒化化合物層３１は、図３に示すように、柱状晶組織とされており、この柱状晶の粒界３１ａにおいてＣｕ及びＳｉ３４が存在している。なお、この窒化化合物層３１の粒界３１ａに存在するＣｕ及びＳｉ３４は、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ　ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率９１万倍で観察し、０．１ｎｍ程度のビーム径によるＣｕとＳｉの元素マッピングによって検出することができる。
　ここで、窒化化合物層３１の厚さｔは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下とされている。なお、窒化化合物層３１の厚さｔは０．４μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。
　また、この窒化化合物層３１内には、Ａｇ粒子３５が分散している。Ａｇ粒子３５は、窒化化合物層３１のセラミックス基板１１側に多く分布しており、窒化化合物層３１のうちセラミックス基板１１との界面から５００ｎｍまでの界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．３原子％以上、好ましくは０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、窒化化合物層３１内で観察されるＡｇ粒子３５の９０％以上（個数割合）が、上述の界面近傍領域に分布している。なお、上記界面近傍領域に分布するＡｇ粒子３５のより好ましい割合は９５％以上であり、上限値は１００％であるが、これに限定されることはない。
　また、本実施形態では、窒化化合物層３１内に分散するＡｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。なお、上記Ａｇ粒子の粒径は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内に設定されてもよい。
　ここで、本実施形態では、図２に示すように、窒化化合物層３１において、セラミックス基板１１側の界面（セラミックス基板１１との界面）から窒化化合物層３１の全厚ｔの２５％位置までの領域Ａ１におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、銅板２２（回路層１２）側の界面から窒化化合物層３１の全厚ｔの２５％位置までの領域Ａ２におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が０．８以下とされていることが好ましい。また、Ｃ２／Ｃ１の下限は０であり、０．０１であることが好ましい。
　なお、本実施形態では、図２に示すように、窒化化合物層３１の銅板２２（回路層１２）側にはＡｇ－Ｃｕ共晶層３２が形成されていることから、上述の「窒化化合物層３１の銅板２２（回路層１２）側の界面」は、Ａｇ－Ｃｕ共晶層３２との界面となる。
　次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。
（銅板積層工程Ｓ０１）
　まず、図４及び図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、ＡｇとＣｕとＴｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素とを含むろう材（本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを含むＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４）を介して、回路層１２となる銅板２２を積層する。
　ここで、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４においては、Ｃｕの含有量は、１８ｍａｓｓ％以上３４ｍａｓｓ％以下、Ｔｉの含有量は、０．３ｍａｓｓ％以上７ｍａｓｓ％以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。なお、本実施形態では、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４として箔材を用い、厚さは３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定するとよい。
（銅板接合工程Ｓ０２）
　次に、セラミックス基板１１及び銅板２２を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（４．９×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合する。
　ここで、銅板接合工程Ｓ０２においては、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５０１℃・ｍｉｎ以下（好ましくは１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下）の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。また、接合温度が８５０℃を超えると、Ｃｕ－Ｔｉ金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板１１の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を８５０℃とすることが好ましい。
　なお、上述の温度積分値の下限は、２５０℃・ｍｉｎとすることが好ましく、５００℃・ｍｉｎとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、１９００℃・ｍｉｎとすることが好ましく、１７００℃・ｍｉｎとすることがさらに好ましい。
　この銅板接合工程Ｓ０２においては、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、図６に示すように、ＡｇとＣｕの共晶反応によりＡｇ－Ｃｕ共晶液相３８が形成され、このＡｇ－Ｃｕ共晶液相３８中において、セラミックス基板１１との界面で、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中の窒化物形成元素（Ｔｉ）とＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１との反応によりＳｉが形成され、このＳｉとＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中のＣｕとが共晶反応してＣｕ－Ｓｉ共晶液相３９が形成される。そして、このＣｕ－Ｓｉ共晶液相３９中において、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）とが反応して窒化チタンが生成される。これにより、セラミックス基板１１の表面が侵食される形で、窒化チタンからなる窒化化合物層３１が形成される。
　さらに、セラミックス基板１１中のＳｉとＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中の窒化物形成元素（Ｔｉ）とが反応し、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相３３が形成される。
　また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層３１の粒界に、Ｃｕ及びＳｉ３４が存在する。
　さらに、窒化化合物層３１内に、Ａｇ粒子３５が分散される。
（アルミニウム板積層工程Ｓ０３）
　次に、セラミックス基板１１の他方の面側にろう材２５を介して金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する。このとき、ろう材２５としては、例えば、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材箔を用いることができる。
（アルミニウム板接合工程Ｓ０４）
　次に、セラミックス基板１１及びアルミニウム板２３を積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（９．８×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、真空または窒素雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１とを接合する。
　このとき、ろう付け温度が６００℃以上６５０℃以下の範囲内、保持時間を１５ｍｉｎ以上１２０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
　以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
　次に、絶縁回路基板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。
　絶縁回路基板１０とヒートシンク５１とを、ろう材２６を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク５１の天板部５２とを接合する。このとき、ろう材２６としては、例えば、厚さ２０～１１０μｍのＡｌ－Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は、アルミニウム板接合工程Ｓ０４におけるろう付け温度よりも低温に設定することが好ましい。
（半導体素子搭載工程Ｓ０６）
　次に、絶縁回路基板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。
　以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
　以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）によれば、無酸素銅からなる銅板２２（回路層１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との接合界面にＡｇ－Ｃｕ共晶層３２が形成されているとともに、銅板２２（回路層１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との間に窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相３３が存在しているので、セラミックス基板１１の接合面において十分に分解反応が生じており、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０を得ることができる。
　さらに、本実施形態においては、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）を含む窒化物からなる窒化化合物層３１が形成されており、この窒化化合物層３１の粒界においてＣｕ及びＳｉ３４が存在しているので、この窒化化合物層３１におけるクラックの発生を抑制することができる。
　また、窒化化合物層３１の厚さが０．１５μｍ以上とされているので、銅板２２（回路層１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板１０を得ることができる。さらに窒化化合物層３１の厚さが１．０μｍ以下とされているので、窒化化合物層３１にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板１０を得ることができる。
　なお、金属間化合物相３３はＡｇ－Ｃｕ共晶層３２の内部に存在する場合や、窒化化合物層３１に隣接するように存在している場合もある。また、金属間化合物相３３は銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１との接合界面から銅板２２（回路層１２）に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。
　さらに、本実施形態においては、窒化化合物層３１の内部にＡｇ粒子３５が分散しているので、接合時に窒化化合物層３１が十分に形成されており、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とがさらに確実に接合されている。
　また、本実施形態では、窒化化合物層３１内に分散するＡｇ粒子３５は、その粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内と比較的微細とされており、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＮ（窒素）とが反応して上述の窒化化合物層３１が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、セラミックス基板１１の界面に窒化化合物層３１が十分に形成されていることになり、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０を得ることができる。
　また、本実施形態では、窒化化合物層３１のうちセラミックス基板１１との界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．３原子％以上とされているので、セラミックス基板１１の接合界面に窒化化合物層３１が十分に形成されており、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが強固に接合される。
　さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１側の界面から窒化化合物層３１の全厚ｔの２５％位置までの領域Ａ１におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、銅板２２（回路層１２）側の界面から窒化化合物層３１の全厚ｔの２５％位置までの領域Ａ２におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が０．８以下とされており、セラミックス基板１１側のＡｇ濃度が銅板２２（回路層１２）側よりも高くなっているので、界面反応が十分に進行しており、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０を得ることが可能となる。
　さらに、本実施形態では、銅板接合工程Ｓ０２において、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等を規定しているので、Ｃｕ－Ｓｉ共晶液相３９において、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉと窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との反応、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）との反応、及び、セラミックス基板１１中のＳｉとＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉとの反応を促進することができ、Ａｇ－Ｃｕ共晶層３２の内部にＴｉとＳｉとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相３３が存在し、窒化化合物層３１の粒界においてＣｕ及びＳｉ３４が存在する絶縁回路基板１０を製造することができる。また、窒化化合物層３１には、Ａｇ粒子３５が分散される。
　また、銅板接合工程Ｓ０２において、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定されていればよく、銅板接合工程Ｓ０２における温度条件が比較的低温であっても、セラミックス基板１１と銅板２２とを確実に接合することができる。よって、セラミックス基板１１の劣化を抑制することができる。
　さらに、本実施形態では、接合温度が８５０℃以下とされているので、Ｃｕ－Ｔｉ金属間化合物形成反応が過剰に進行することを抑制でき、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。
（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態について、図７から図９を参照して説明する。
　本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１１０とされている。
　図７に本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板１１０及びこの絶縁回路基板１１０を用いたパワーモジュール１０１を示す。
　このパワーモジュール１０１は、絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の一方側（図７において上側）の面に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１１０の他方側（図７において下側）に配置されたヒートシンク１５１と、を備えている。
　絶縁回路基板１１０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７において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図７において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
　セラミックス基板１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２～１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
　回路層１１２は、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２２が接合されることにより形成されている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、回路層１１２を構成する銅板１２２として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図７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１１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
　金属層１１３は、図９に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２３が接合されることにより形成されている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、金属層１１３を構成する銅板１２３として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層１１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
　ヒートシンク１５１は、前述の絶縁回路基板１１０を冷却するためのものであり、絶縁回路基板１１０と接合される放熱板１５２と、この放熱板１５２に積層配置される冷却器１５４とで構成されている。
　放熱板１５２は、前述の絶縁回路基板１１０からの熱を面方向に拡げるものであり、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、放熱板１５２と絶縁回路基板１１０の金属層１１３とは、第２はんだ層８を介して接合されている。
　冷却器１５４は、図７に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１５３を備えている。冷却器１５４は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
　なお、放熱板１５２と冷却器１５４とは、図７に示すように、グリース層（図示なし）を介して固定ネジ１５６によって締結されている。
　ここで、セラミックス基板１１と回路層１１２（銅板１２２）、及び、セラミックス基板１１と金属層１１３（銅板１２３）とは、図９に示すように、Ａｇと、Ｃｕと、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含むろう材（本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを含むＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４）を用いて接合されている。
　このセラミックス基板１１と回路層１１２（銅板１２２）との接合界面、および、セラミックス基板１１と金属層１１３（銅板１２３）との接合界面には、第１の実施形態と同様に、その粒界においてＣｕ及びＳｉが存在するとともに内部にＡｇ粒子が分散した窒化化合物層と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層と、が形成されている。そして、セラミックス基板１１と回路層１１２（銅板１２２）との間、および、セラミックス基板１１と金属層１１３（銅板１２３）との間には窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在している（図２及び図３参照）。なお、窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下とされている。窒化化合物層の厚さが０．１５μｍ以上とされているので、銅板１２２（回路層１１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板１１０を得ることができる。さらに窒化化合物層の厚さが１．０μｍ以下とされているので、窒化化合物層にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板１１０を得ることができる。また、窒化化合物層の厚さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。
　また、金属間化合物相はＡｇ－Ｃｕ共晶層の内部に存在する場合や、窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。さらに、金属間化合物相は回路層１１２（銅板１２２）とセラミックス基板１１との接合界面から回路層１１２（銅板１２２）に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。また、セラミックス基板１１と金属層１１３（銅板１２３）との接合界面から金属層１１３（銅板１２３）に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。
　次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１１０の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。
（銅板積層工程Ｓ１０１）
　まず、図８及び図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４を介して回路層１１２となる銅板１２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面にＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４を介して金属層１１３となる銅板１２３を積層する。
　ここで、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４においては、Ｃｕの含有量は、１８ｍａｓｓ％以上３４ｍａｓｓ％以下、Ｔｉの含有量は、０．３ｍａｓｓ％以上７ｍａｓｓ％以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。また、本実施形態では、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４として箔材を用い、厚さは３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定するとよい。
（銅板接合工程Ｓ１０２）
　次に、銅板１２２、セラミックス基板１１及び銅板１２３を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（４．９×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板１２２とセラミックス基板１１と銅板１２３とを接合する。
　この銅板接合工程Ｓ１０２においては、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。ここで、接合温度が８５０℃を超えると、Ｃｕ－Ｔｉ金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板１１の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を８５０℃とすることが好ましい。
　なお、上述の温度積分値の下限は、２５０℃・ｍｉｎとすることが好ましく、５００℃・ｍｉｎとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、１９００℃・ｍｉｎとすることが好ましく、１７００℃・ｍｉｎとすることがさらに好ましい。
　この銅板接合工程Ｓ１０２においては、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、Ａｇ－Ｃｕ共晶の液相中において、セラミックス基板１１との界面で、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４中のＴｉと窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との反応によりＳｉが形成され、このＳｉとＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４中のＣｕとが共晶反応して液相が形成される。そして、このＣｕ－Ｓｉ共晶液相中において、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）とが反応して窒化チタンが生成する。これにより、セラミックス基板１１の表面が侵食される形で窒化化合物層が形成される。
　さらに、セラミックス基板１１中のＳｉとＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４中のＴｉとが反応し、金属間化合物相が形成される。
　また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層の粒界に、Ｃｕ及びＳｉが存在する。
　さらに、窒化化合物層内に、Ａｇ粒子が分散される。
　以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造される。
（放熱板接合工程Ｓ１０３）
　次に、絶縁回路基板１１０の金属層１１３の他方の面側に放熱板１５２を接合する。
　絶縁回路基板１１０と放熱板１５２とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、絶縁回路基板１１０と放熱板１５２とをはんだ接合する。
（冷却器配設工程Ｓ１０４）
　次に、放熱板１５２の他方の面側に、冷却器１５４を配設する。
　放熱板１５２と冷却器１５４との間にグリース（図示無し）を塗布し、放熱板１５２と冷却器１５４とを固定ネジ１５６によって連結する。
（半導体素子搭載工程Ｓ１０５）
　次に、絶縁回路基板１１０の回路層１１２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。
　以上の工程により、図７に示すパワーモジュール１０１が製出される。
　以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）によれば、タフピッチ銅からなる銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１とが、それぞれＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材１２４を用いて接合されており、銅板接合工程Ｓ１０２において、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が上述の範囲内とされているので、第１の実施形態と同様の接合界面を有しており、銅板１２２（回路層１１２）とセラミックス基板１１、銅板１２３（金属層１１３）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１１０を得ることができる。
（第３の実施形態）
　次に、本発明の第３の実施形態について、図１０から図１２を参照して説明する。
　本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、図１０に示すように、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板２２２（回路層２１２）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板２１０とされている。
　セラミックス基板１１は、絶縁性の高い窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で構成されており、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の構成とされている。
　回路層２１２は、図１２に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に無酸素銅やタフピッチ銅等の銅又は銅合金からなる銅板２２２が接合されることにより形成されている。本実施形態では、銅板２２２は無酸素銅の圧延板とされている。
　ここで、セラミックス基板１１と回路層２１２（銅板２２２）とは、図１２に示すように、Ａｇと、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含むろう材（本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを含むＡｇ－Ｔｉ系ろう材）を用いて接合されている。
　このセラミックス基板１１と回路層２１２（銅板２２２）との接合界面には、第１の実施形態と同様に、その粒界においてＣｕ及びＳｉが存在するとともに内部にＡｇ粒子が分散した窒化化合物層（窒化チタン層）と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層と、が形成されている。そして、セラミックス基板１１と回路層２１２（銅板２２２）との間には、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在している（図２及び図３参照）。なお、窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下とされている。窒化化合物層の厚さが０．１５μｍ以上とされているので、銅板２２２（回路層２１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板２１０を得ることができる。さらに窒化化合物層の厚さが１．０μｍ以下とされているので、窒化化合物層にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板２１０を得ることができる。また、窒化化合物層の厚さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。
　また、金属間化合物相はＡｇ－Ｃｕ共晶層の内部に存在する場合や、窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。さらに、金属間化合物相は銅板２２２（回路層２１２）とセラミックス基板１１との接合界面から銅板２２２（回路層２１２）に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。
　次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板２１０の製造方法について、図１１及び図１２を参照して説明する。
（ろう材ペースト塗布工程Ｓ２０１）
　まず、セラミックス基板１１の一方の面に、スクリーン印刷によってＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を塗布する。なお、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４の厚さは、乾燥後で２０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
　ここで、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４は、ＡｇおよびＴｉを含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものである。
　本実施形態では、粉末成分の含有量が、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。また、本実施形態では、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４の粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
　粉末成分の組成は、Ｔｉの含有量が０．４質量％以上７５質量％以下とされ、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。本実施形態では、Ｔｉを１０質量％含んでおり、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。
　また、本実施形態においては、Ａｇ及びＴｉを含む粉末成分として、ＡｇとＴｉとの合金粉末を使用している。この合金粉末は、アトマイズ法によって作製されたものであり、作製された合金粉末を篩い分けすることによって、粒径を４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下に設定している。
（銅板積層工程Ｓ２０２）
　次に、セラミックス基板１１の一方の面に回路層２１２となる銅板２２２を積層する。
（銅板接合工程Ｓ２０３）
　次に、銅板２２２とセラミックス基板１１を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（４．９×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２２とセラミックス基板１１とを接合する。
　この銅板接合工程Ｓ２０３においては、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。ここで、接合温度が８５０℃を超えると、Ｃｕ－Ｔｉ金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板１１の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を８５０℃とすることが好ましい。
　なお、上述の温度積分値の下限は、２５０℃・ｍｉｎとすることが好ましく、５００℃・ｍｉｎとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、１９００℃・ｍｉｎとすることが好ましく、１７００℃・ｍｉｎとすることがさらに好ましい。
　この銅板接合工程Ｓ２０３においては、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、Ａｇ－Ｃｕ共晶の液相中において、セラミックス基板１１との界面で、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４中のＴｉと窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との反応によりＳｉが形成され、このＳｉと銅板２２２中のＣｕとが共晶反応して液相が形成される。この液相中において、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）とが反応して窒化チタンが生成する。これにより、セラミックス基板１１の表面が侵食される形で窒化チタンからなる窒化化合物層が形成される。
　さらに、セラミックス基板１１中のＳｉとＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４中のＴｉが反応し、金属間化合物相が形成される。
　また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層の粒界に、Ｃｕ及びＳｉが存在する。
　さらに、窒化化合物層内に、Ａｇ粒子が分散される。
　以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板２１０が製造される。
　以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板２１０（銅／セラミックス接合体）によれば、無酸素銅からなる銅板２２２（回路層２１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１とが、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を用いて接合されており、銅板接合工程Ｓ２０３において、Ｃｕ－Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が上述の範囲内とされているので、第１の実施形態と同様の接合界面を有しており、銅板２２２（回路層２１２）とセラミックス基板１１が確実に接合された絶縁回路基板２１０を得ることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　例えば、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
　また、第１の実施形態において、金属層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９ｍａｓｓ％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
　さらに、本実施形態では、窒化化合物層にＡｇ粒子が分散されているものとして説明したが、これに限定されることはない。
　また、本実施形態では、窒化化合物層に分散されるＡｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされているものとして説明したが、これ以外のサイズのＡｇ粒子が分散していてもよい。
　さらに、ヒートシンクや放熱板は、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
　また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けてもよい。
　さらに、本実施形態においては、窒化物形成元素としてＴｉを用いて、窒化チタンからなる窒化化合物層及びＴｉとＳｉとを含む金属間化合物相を有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、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を用いて、この窒化物形成元素を含む窒化化合物層及び窒化物形成元素とＳｉとを含む金属間化合物相を有するものとしてもよい。
　さらに、第３の実施形態では、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストを用いてセラミックス基板と銅板とを接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ペーストを用いてもよい。この場合、銅／セラミックス接合体は、第１の実施形態と同様の界面構造を有する。
　また、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストをセラミックス基板に塗布するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板にＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト等を塗布してもよい。
　さらに、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストをスクリーン印刷によって塗布するものとして説明したが、塗布方法に限定はない。
　また、積層工程（Ｓ２０２）の前に、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストの乾燥を行う工程を設けても良い。
　さらに、第３の実施形態では、Ａｇ及びＴｉを含む粉末成分として、ＡｇとＴｉとの合金粉末を使用したが、これに限らず、Ａｇ粉末とＴｉ粉末との混合粉末を用いることができる。この場合、用いるＡｇ粉末の粒径は４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下であるとよい。
　また、Ｔｉ粉末の代わりにＴｉＨ２粉末を用いることもできる。ＴｉＨ２粉末を用いた場合、粉末成分の組成は、ＴｉＨ２の含有量が０．４質量％以上５０質量％以下とされ、残部がＡｇ及び不可避不純物とすると良い。用いられるＴｉＨ２粉末の粒径は１５μｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ以下であるとよい。また、ＴｉＨ２粉末を用いたペーストの場合、塗布されたペーストの厚さは、乾燥後で２０μｍ以上３００μｍ以下とすると良い。
　また、Ａｇ粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｔｉ粉末又はＴｉＨ２粉末との混合粉末からなるペーストを用いることもできる。
　また、上記実施形態に記載したＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材やＡｇ－Ｔｉ系ろう材にＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の元素を添加させることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
　さらに、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストとして、ＴｉとＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の元素と、残部がＡｇ及び不可避不純物からなるペーストを用いることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
　また、第２の実施形態において、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材箔の代わりに第３の実施形態で記載したＡｇ－Ｔｉ系ろう材ペーストを用いることもできる。
　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。
　本発明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。
（実施例１）
　窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、銅／セラミックス接合体を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の片面に、表１記載の材質からなる銅板を接合した。なお、表１において「ＴＰＣ」はタフピッチ銅、「ＯＦＣ」は無酸素銅を意味する。銅板の大きさは、４４ｍｍ×２５ｍｍ（但し、セラミックス基板の端部から５ｍｍ突出している）とした。セラミックス基板と銅板の間にろう材を介し、表１に示す条件で、銅板を接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力（荷重）は１．５ｋｇｆ／ｃｍ２とし、接合雰囲気は真空（３×１０－５Ｐａ）とした。
　また、ろう材は、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ箔の場合にはＡｇ－２８ｍａｓｓ％Ｃｕ－３ｍａｓｓ％Ｔｉ（厚さ：２０μｍ）のろう材を用いた。
　Ａｇ－Ｔｉ箔の場合にはＡｇ－１０ｍａｓｓ％Ｔｉ（厚さ：２０μｍ）のろう材を用いた。
　Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ－２８ｍａｓｓ％Ｃｕ－３ｍａｓｓ％Ｔｉのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
　Ａｇ－Ｔｉペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ－１０ｍａｓｓ％Ｔｉのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
　Ａｇ－Ｚｒペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ－１７ｍａｓｓ％Ｚｒのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
　Ａｇ－Ｈｆペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ－２９ｍａｓｓ％Ｈｆのろう材粉末（粒径４０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
　Ａｇ－Ｎｂペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ－１８ｍａｓｓ％Ｎｂのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
　このようにして得られた銅／セラミックス接合体について、窒化化合物層の厚さ、Ａｇ－Ｃｕ共晶層中の金属間化合物相の有無、窒化化合物層の粒界におけるＣｕ及びＳｉの有無、窒化化合物層中のＡｇ粒子の有無（粒径）、銅板とセラミックス基板との間の９０°ピール強度を評価した。
（接合界面の観察）
　銅板とセラミックス基板との接合界面（セラミック基板の表面に垂直な断面）を、走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）を用いて、倍率１５０００倍（測定視野：６μｍ×８μｍ）、視野数５で観察を行い、窒化化合物層の厚さ、Ａｇ－Ｃｕ共晶層中の金属間化合物相の有無、窒化化合物層中のＡｇ粒子の有無（粒径）を確認した。
　窒化化合物層の厚さについては、銅板とセラミックス基板との接合界面において、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される窒化物形成元素とＮの元素マッピングを取得し、窒化物形成元素と窒素（Ｎ）が共存する領域を窒化化合物層とみなし、この領域の面積を測定し、測定された面積を測定視野の幅の寸法で除した値を求め、５視野において求めた値の平均を窒化化合物層の厚さとした。
　なお、金属間化合物相の有無については、窒化物形成元素とＳｉの元素マッピングにおいて、窒化物形成元素とＳｉが共存する領域が存在し、その領域の窒化物形成元素の濃度が６０ｍａｓｓ％以上９０ｍａｓｓ％以下であった場合を金属間化合物相「有」とみなした。
　また、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ　ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率９１万倍で接合界面を観察し、０．１ｎｍ程度のビーム径による元素マッピングにより、窒化化合物層の粒界におけるＣｕ及びＳｉの有無を確認した。
　Ａｇ粒子の有無については、窒化化合物層内のＡｇの元素マッピングを８ビットグレースケールに変換し、Ａｇ分布像を取得し、Ｋａｐｕｒ－Ｓａｈｏｏ－Ｗｏｎｇ（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｅｎｔｒｏｐｙ）ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ　ｍｒｔｈｏｄ（Ｋａｐｕｒ，ＪＮ；Ｓａｈｏｏ，ＰＫ；Ｗｏｎｇ，ＡＣＫ（１９８５）、“Ａ　Ｎｅｗ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｇｒａｙ－Ｌｅｖｅｌ　Ｐｉｃｔｕｒｅ　Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ　Ｕｓｉｎｇｔｈｅ　Ｅｎｔｒｏｐｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ”，Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　Ｉｍａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　２９（３）：２７３－２８５参照）に基づいて、Ａｇ分布像を２値化した。２値化した画像からＡｇ粒子の輪郭を抽出し、輪郭内の面積（ピクセル数）から円相当径（直径）を算出した。そして、算出された円相当径のＤ５０をＡｇ粒子の粒径とした。
（９０°ピール強度試験）
　銅／セラミックス接合体において、１５０℃で５００時間放置後、接合された銅板のうちセラミックス基板から突出した部分を９０°折り曲げ、セラミックス基板と垂直方向に銅板を引っ張り、銅板がセラミックス基板から剥離するまでの最大の引っ張り荷重を測定した。この荷重を接合長さ（３９ｍｍ）で割った値を９０°ピール強度とし、表１に記載した。
　評価結果を表１に示す。また、本発明例１の銅／セラミックス接合体におけるＳＥＭ観察結果を図１３に、本発明例１の銅／セラミックス接合体におけるＳＴＥＭ観察結果を図１４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　窒化化合物層にＣｕ及びＳｉが存在せず、窒化化合物層の厚さが０．１５μｍ未満であった比較例１においては、９０°ピール強度が３．２ｋＮ／ｍと低くなった。窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制できず、また、セラミックス基板と銅板との接合界面に未反応部が生じたためと推測される。
　窒化化合物層の厚さが１．２４μｍとされた比較例２においては、９０°ピール強度が４．５ｋＮ／ｍと低くなった。窒化化合物層が必要以上に厚く形成され、クラックが生じたためと推測される。
　これに対して、本発明例１－１０においては、いずれも９０°ピール強度が高くなった。窒化化合物層の厚さが０．１５μｍ以上１．０μｍ以下とされ、窒化化合物層にＣｕ及びＳｉが存在しており、窒化化合物層におけるクラックの発生が抑制されたためと推測される。
　ここで、本発明例においては、図１３（ａ）（In Lens SE（二次電子）像）に示すように、セラミックス基板（Ｓｉ３Ｎ４）１１の接合界面に窒化化合物層３１とＡｇ－Ｃｕ共晶層３２（図１３（ａ）ではＡｇ－Ｃｕ共晶層３２を構成するＡｇ３２ａとＣｕ３２ｂが観察されている）が観察された。
　また、金属間化合物相３３は、銅板とセラミックス基板との間に存在しているとともに、Ａｇ－Ｃｕ共晶層３２の内部に窒化化合物層３１に隣接して存在していることが確認された。
　また、図１３（ｂ）（ＢＳＥ（反射電子）像）に示すように、上述の窒化化合物層３１の内部にＡｇ粒子３５が分散していることが確認された。
　そして、本発明例においては、図１４（上段の図はＨＡＡＤＦ（高角度環状暗視野）像、中央の図はＣｕの元素マッピング、下段の図はＳｉの元素マッピング）に示すように、窒化化合物層の粒界にＣｕ及びＳｉが存在していることが確認された。
（実施例２）
　窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、絶縁回路基板を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の両面に、表２記載の材質からなる銅板を接合した。銅板の大きさは、３７ｍｍ角で厚さ０．８ｍｍとした。セラミックス基板と銅板の間にろう材を介し、表２に示す条件で、銅板を接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力（荷重）は１．５ｋｇｆ／ｃｍ２とし、接合雰囲気は真空（３×１０－５Ｐａ）とした。なお、表２に示すろう材は、上述の実施例１と同様のものを用いた。
　このようにして得られた絶縁回路基板について、窒化化合物層の厚さ、窒化化合物層におけるセラミックス基板側の界面から全厚の２５％位置の領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、銅板側の界面から全厚の２５％位置の領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１、セラミックス基板と銅板との初期接合率、冷熱サイクル試験によるセラミックス基板の割れを評価した。
（窒化化合物層の厚さ、窒化化合物層におけるＡｇ濃度）
　窒化化合物層の厚さ方向のライン分析を、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ　ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率９１万倍で実施し、縦軸をＡｇ濃度、横軸を測定位置としてグラフを作成した。
　窒化化合物層の全厚をｔとして、セラミックス基板側の界面から窒化化合物層の全厚ｔの２５％（ｔ／４）位置までの領域において原点を通る横軸とＡｇ濃度曲線とで囲まれる面積をｔ／４で割ってＡｇの平均濃度Ｃ１とした。また、銅板側の界面から窒化化合物層の全厚ｔの２５％（ｔ／４）位置までの領域において原点を通る横軸とＡｇ濃度曲線とで囲まれる面積をｔ／４で割ってＡｇの平均濃度Ｃ２とした。
　ここで、セラミックス基板と窒化化合物層との界面は、ライン分析における窒化物形成元素の濃度が、セラミックス基板側から見て初めて１０ａｔ％以上となった位置を界面とした。
　また、銅板と窒化化合物層との界面は、ライン分析における窒化物形成元素の濃度が、銅板側から見て初めて１０ａｔ％以上となった位置を界面とした。
　そして、窒化化合物層の全厚ｔは、上述のように規定されたセラミックス基板との界面位置及び銅板との界面位置から算出した。
（初期接合率）
　銅板とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて以下の式を用いて求めた。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち銅板の接合面の面積とした。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）
（セラミックス基板の割れ）
　冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ－７２ＥＳ）を使用し、－４０℃×５分←→１５０℃×５分の冷熱サイクルを２００回繰り返す毎に、セラミックス基板の割れの有無を確認し、割れが確認された回数を測定した。なお、１４００回負荷時に割れが確認されなかったものは「＞１４００」と記載した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　窒化化合物層におけるセラミックス基板側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、銅板側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が小さいと、初期接合率が高く、かつ、セラミックス基板の割れが抑制される傾向にあった。これは、セラミックス基板側にＡｇが十分に拡散しており、界面反応が進行しているためと推測される。
　以上のことから、本発明例によれば、銅部材と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）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を提供可能であることが確認された。
　本発明の銅／セラミックス接合体及び絶縁回路基板は、窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されているので、信頼性が高く、ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置に好適である。
１０、１１０、２１０　絶縁回路基板
１１　セラミックス基板
１２、１１２、２１２　回路層（銅層）
１３、１１３　金属層
２２、１２２、１２３、２２２　銅板
２４　Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材
３１　窒化化合物層
３２　Ａｇ－Ｃｕ共晶層
３３　金属間化合物相
３４　Ｃｕ及びＳｉ
３５　Ａｇ粒子
１２４　Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材
２２４　Ａｇ－Ｔｉ系ろう材ペースト

Claims (5)

  1. 　銅又は銅合金からなる銅部材と窒化ケイ素からなる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、前記セラミックス部材側から順に、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層と、Ａｇ－Ｃｕ共晶層と、が形成されており、
    　前記窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下であり、
    　前記銅部材と前記セラミックス部材との間には、前記窒化物形成元素とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、
    　前記窒化化合物層の粒界にはＣｕ及びＳｉが存在していることを特徴とする銅／セラミックス接合体。
  2. 　前記窒化化合物層の内部にＡｇ粒子が分散され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。
  3. 　前記窒化化合物層の内部に分散する前記Ａｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。
  4. 　前記窒化化合物層において、前記セラミックス部材側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、前記銅部材側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が０．８以下であることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体。
  5. 　窒化ケイ素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層が形成された絶縁回路基板であって、
    　前記銅層と前記セラミックス基板とが、請求項１から請求項４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絶縁回路基板。
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