WO2018159590A1 - 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法 Download PDF

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    • Y10T428/12576—Boride, carbide or nitride component

Definitions

  • the present invention relates to a copper / ceramic bonded body, an insulating circuit board, and a copper / ceramic bonded body manufacturing method in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of aluminum nitride or silicon nitride are bonded.
  • the present invention relates to a method for manufacturing an insulated 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 to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one surface of the insulating layer.
  • a power semiconductor element for high power control used for controlling wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, and the like generates a large amount of heat during operation. Therefore, as a substrate on which the power semiconductor element is mounted, for example, a ceramic substrate made of aluminum nitride, silicon nitride, or the like, and a circuit layer formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate, Insulated circuit boards having the above have been widely used.
  • an insulating circuit board there is also provided an insulating circuit board in which a metal layer is formed by bonding a metal plate to the other surface of a ceramic substrate.
  • Patent Document 1 proposes an insulated circuit board in which a first metal plate and a second metal plate constituting a circuit layer and a metal layer are copper plates, and this copper plate is directly bonded to a ceramic substrate by a DBC method. Yes.
  • the copper plate and the ceramic substrate are joined by generating a liquid phase at the interface between the copper plate and the ceramic substrate using a eutectic reaction between copper and copper oxide.
  • 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. .
  • Patent Document 3 proposes a paste containing a powder made of a Cu—Mg—Ti alloy as a bonding brazing material used when bonding a copper plate and a ceramic substrate in a high-temperature nitrogen gas atmosphere.
  • This Patent Document 3 has a structure in which bonding is performed by heating at 560 to 800 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and Mg in the Cu—Mg—Ti alloy sublimes and does not remain at the bonding interface.
  • titanium nitride (TiN) is not substantially formed.
  • 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 brazing material contains Ag, and Ag exists at the joining interface. This was likely to occur and could not be used for high voltage applications.
  • the bonding temperature is relatively high at 900 ° C., there is still a problem that the ceramic substrate is deteriorated.
  • Patent Document 3 when bonding is performed in a nitrogen gas atmosphere using a bonding brazing material made of a paste containing a powder made of a Cu—Mg—Ti alloy, gas remains at the bonding interface. However, there is a problem that partial discharge is likely to occur. Moreover, since the alloy powder is used, the melting state becomes uneven according to the variation in the composition of the alloy powder, and there is a possibility that a region where the interface reaction is insufficient is locally formed. Moreover, the organic substance contained in the paste may remain at the bonding interface, resulting in insufficient bonding.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is a copper / ceramic bonded body, an insulating circuit board, and the above-described copper which are reliably bonded to each other and have excellent migration resistance.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing a ceramic joined body and a method for producing an insulated circuit board.
  • a copper / ceramic bonded body includes a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of aluminum nitride or silicon nitride. 1 or 2 selected from Ti, Zr, Nb, and Hf on the ceramic member side between the copper member and the ceramic member.
  • An active metal nitride layer containing the above active metal nitride is formed, and an Mg solid solution layer in which Mg is dissolved in a Cu matrix is formed between the active metal nitride layer and the copper member.
  • the active metal is present in the Mg solid solution layer.
  • the copper / ceramic bonded body of this configuration between the copper member made of copper or copper alloy and the ceramic member made of aluminum nitride or silicon nitride, Ti, Zr, Nb, Hf are formed on the ceramic member side.
  • An active metal nitride layer containing a nitride of one or more selected active metals is formed. This active metal nitride layer is formed by a reaction between an active metal disposed between a ceramic member and a copper member and nitrogen in the ceramic member, and the ceramic member is sufficiently reacted. .
  • an Mg solid solution layer in which Mg is dissolved in the matrix of Cu is formed, and the active metal is present in the Mg solid solution layer.
  • Mg disposed between the ceramic member and the copper member is sufficiently diffused to the copper member side, and Cu and the active metal are sufficiently reacted. Therefore, the interface reaction sufficiently proceeds at the bonding interface between the copper member and the ceramic member, and a copper / ceramic bonded body in which the copper member and the ceramic member are securely bonded can be obtained. Moreover, since Ag does not exist in the joining interface, it is excellent in migration resistance.
  • an intermetallic compound phase containing Cu and the active metal may be dispersed in the Mg solid solution layer.
  • the active metal exists as an intermetallic compound phase of Cu and the active metal when Ti, Zr, and Hf are included as the active metal.
  • Mg disposed between the ceramic member and the copper member is sufficiently diffused to the copper member side, and Cu and The active metal reacts sufficiently, and a copper / ceramic bonded body in which the copper member and the ceramic member are securely bonded can be obtained.
  • Cu particles are dispersed inside the active metal nitride layer.
  • Cu of the copper member is sufficiently reacted with the ceramic member, and a copper / ceramic bonded body in which the copper member and the ceramic member are firmly bonded can be obtained.
  • Cu particles are a simple substance of Cu or an intermetallic compound containing Cu, and are produced by precipitation of Cu present in the liquid phase when an active metal nitride layer is formed.
  • the active metal may be Ti.
  • a titanium nitride layer is formed as the active metal nitride layer, and an intermetallic compound phase containing Cu and Ti is dispersed in the Mg solid solution layer. It is possible to provide a copper / ceramic bonded body that is bonded and has excellent migration resistance.
  • the rate is preferably 15% or less.
  • the area ratio of the fragile Cu 2 Mg phase is limited to 15% or less, for example, even when ultrasonic bonding or the like is performed, it is possible to suppress the occurrence of cracks or the like at the bonding interface. It becomes.
  • An insulated circuit board is an insulated circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of aluminum nitride or silicon nitride, the copper plate and the ceramic substrate Are formed on the ceramic substrate side an active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf.
  • An Mg solid solution layer in which Mg is dissolved in a matrix of Cu is formed between the physical layer and the copper plate, and the active metal is present in the Mg solid solution layer.
  • the copper plate and the ceramic substrate are reliably bonded and have excellent migration resistance, and can be used with high reliability even under high withstand voltage conditions.
  • an intermetallic compound phase containing Cu and the active metal may be dispersed in the Mg solid solution layer.
  • the active metal exists as an intermetallic compound phase of Cu and the active metal when Ti, Zr, and Hf are included as the active metal.
  • the insulated circuit board by which the copper plate and the ceramic substrate were reliably joined can be obtained by existing as an intermetallic compound phase of Cu and the said active metal in Mg solid solution layer.
  • Cu particles are dispersed inside the active metal nitride layer.
  • Cu of the copper plate is sufficiently reacted with the ceramic substrate, and it is possible to obtain an insulating circuit substrate in which the copper plate and the ceramic substrate are firmly bonded.
  • Cu particles are a simple substance of Cu or an intermetallic compound containing Cu, and are produced by precipitation of Cu present in the liquid phase when an active metal nitride layer is formed.
  • the active metal may be Ti.
  • a titanium nitride layer is formed as the active metal nitride layer, and an intermetallic compound phase containing Cu and Ti is dispersed in the Mg solid solution layer, so that the copper plate and the ceramic substrate are reliably bonded. Therefore, it is possible to provide an insulated circuit board having excellent migration resistance.
  • the area ratio of the Cu 2 Mg phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side to 50 ⁇ m is 15% between the ceramic substrate and the copper plate.
  • the following is preferable.
  • the area ratio of the fragile Cu 2 Mg phase is limited to 15% or less, for example, even when ultrasonic bonding or the like is performed, it is possible to suppress the occurrence of cracks or the like at the bonding interface. It becomes.
  • a method for producing a copper / ceramic bonded body according to an aspect of the present invention is a method for manufacturing the above-described copper / ceramic bonded body, and includes Ti, Zr, Nb, and the like between the copper member and the ceramic member.
  • a bonding step of heating and bonding in a vacuum atmosphere in a state in which the copper member and the ceramic member stacked via the active metal and Mg are pressed in the stacking direction, wherein in the active metal and Mg arrangement step, within an active metal amount of 0.4 ⁇ mol / cm 2 or more 47.0 ⁇ mol / cm 2 or less, Mg amount 7.0 ⁇ mol / cm 2 or more 143. is characterized in that the [mu] mol / cm 2 within the following ranges.
  • a single active metal element and a single Mg element are disposed between the copper member and the ceramic member, and in a state where they are pressed in the stacking direction, a vacuum atmosphere is provided. Since the heat treatment is performed below, no gas or organic residue remains at the bonding interface. Further, since the active metal simple substance and the Mg simple substance are arranged, there is no variation in composition, and a uniform liquid phase is generated.
  • the active metal and Mg arrangement step within an active metal amount of 0.4 ⁇ mol / cm 2 or more 47.0 ⁇ mol / cm 2 or less, Mg amount 7.0 ⁇ mol / cm 2 or more 143.2 ⁇ mol / cm 2 within the range Therefore, it is possible to sufficiently obtain a liquid phase necessary for the interfacial reaction, and to suppress an unnecessary reaction of the ceramic member. Therefore, it is possible to obtain a copper / ceramic bonded body in which the copper member and the ceramic member are securely bonded. Moreover, since Ag is not used for bonding, a copper / ceramic bonded body excellent in migration resistance can be obtained.
  • the pressure load in the bonding step is in a range of 0.049 MPa to 3.4 MPa
  • the heating temperature in the bonding step is Cu and
  • Mg is laminated in a contact state
  • it is within a range of 500 ° C. or more and 850 ° C. or less
  • Cu and Mg are laminated in a non-contact state
  • it is within a range of 670 ° C. or more and 850 ° C. or less. preferable.
  • the ceramic member, the copper member, the active metal, and Mg can be brought into close contact with each other during heating. Interfacial reaction can be promoted.
  • the heating temperature in the joining step is Cu and Mg laminated in a contact state
  • the heating temperature is 500 ° C. or higher, which is higher than the eutectic temperature of Cu and Mg, and Cu and Mg are laminated in a non-contact state. Is set to 670 ° C. or higher, which is higher than the melting point of Mg, so that a liquid phase can be sufficiently generated at the bonding interface.
  • the heating temperature in the joining step is set to 850 ° C. or less, the eutectic reaction between Cu and the active metal can be suppressed, and the generation of an excessive liquid phase can be suppressed. Further, the thermal load on the ceramic member is reduced, and deterioration of the ceramic member can be suppressed.
  • An insulating circuit board manufacturing method is an insulating circuit board that manufactures an insulating circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of aluminum nitride or silicon nitride.
  • An active metal and Mg arrangement in which a single element of two or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf and a single element of Mg are disposed between the copper plate and the ceramic substrate.
  • the amount of active metal is 0.4 ⁇ mol / c.
  • the amount of active metal is 0.4 ⁇ mol / c.
  • the range of 2 or more 47.0 ⁇ mol / cm 2 or less it is characterized in that in the range of Mg content of 7.0 ⁇ mol / cm 2 or more 143.2 ⁇ mol / cm 2 or less.
  • the pressure load in the joining step is in the range of 0.049 MPa to 3.4 MPa, and the heating temperature in the joining step is Cu and Mg.
  • the heating temperature in the joining step is Cu and Mg.
  • the pressure load in the joining step is in the range of 0.049 MPa to 3.4 MPa
  • the ceramic substrate, the copper plate, the active metal, and Mg can be brought into close contact with each other during heating.
  • the reaction can be promoted.
  • the heating temperature in the joining step is Cu and Mg laminated in a contact state
  • the heating temperature is 500 ° C. or higher, which is higher than the eutectic temperature of Cu and Mg, and Cu and Mg are laminated in a non-contact state.
  • the heating temperature in the joining step is set to 850 ° C. or less, the eutectic reaction between Cu and the active metal can be suppressed, and the generation of an excessive liquid phase can be suppressed. Further, the thermal load on the ceramic substrate is reduced, and deterioration of the ceramic substrate can be suppressed.
  • a copper member and a ceramic member are reliably joined, and the copper / ceramic joined body excellent in migration resistance, an insulated circuit board, the manufacturing method of the above-mentioned copper / ceramic joined body, and the insulated circuit board It is possible to provide a manufacturing method.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of the joining interface of the circuit layer (copper member) and ceramic substrate (ceramic member) of the insulated circuit board which is the 2nd Embodiment of this invention. It is a flowchart which shows the manufacturing method of the insulated circuit board which is the 2nd Embodiment of this invention. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the insulated circuit board which is the 2nd Embodiment of this invention. It is an observation result of the joining interface of the copper plate in the copper / ceramics joined body of Example 5 of this invention, and a ceramic substrate. It is an observation result of the joining interface of the copper plate in the copper / ceramics joined body of Example 5 of this invention, and a ceramic substrate.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a method for measuring pull strength in Example 3.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing a method for measuring pull strength in Example 3.
  • the copper / ceramic bonding body is configured by bonding a ceramic substrate 11 as a ceramic member, a copper plate 22 (circuit layer 12) and a copper plate 23 (metal layer 13) as copper members.
  • the insulating circuit board 10 is used.
  • 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 one side (the upper side in FIG. 1) of the insulating circuit board 10 via a first solder layer 2, and the other side of the insulating circuit board 10. And a heat sink 51 joined via a second solder layer 8 (on the lower side in FIG. 1).
  • 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 is composed of aluminum nitride having high insulation in this embodiment.
  • the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.
  • 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.
  • a copper plate 22 made of copper or a copper alloy
  • 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 within a range of 0.1 mm to 2.0 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • the metal layer 13 is formed by bonding a copper plate 23 made of copper or a copper alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • a copper plate 23 made of copper or a copper alloy
  • an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate 23 constituting the metal layer 13.
  • the thickness of the metal layer 13 is set within a range of 0.1 mm to 2.0 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • the heat sink 51 is for cooling the insulating circuit board 10 described above, and in the present embodiment, is constituted by a heat radiating plate made of a material having good thermal conductivity. In the present embodiment, the heat sink 51 is made of copper or a copper alloy having excellent thermal conductivity. The heat sink 51 and the metal layer 13 of the insulated circuit board 10 are joined via the second solder layer 8.
  • the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22), and the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 (copper plate 23) are one or two selected from Ti, Zr, Nb, and Hf.
  • the active metal film 24 Ti film in this embodiment
  • a metal nitride layer 31 (in this embodiment, a titanium nitride layer) and an Mg solid solution layer 32 in which Mg is dissolved in a matrix of Cu are stacked.
  • the Mg solid solution layer 32 contains the above active metal.
  • an intermetallic compound phase 33 containing Cu and an active metal (Ti) is dispersed in the Mg solid solution layer 32.
  • Ti is used as the active metal, and examples of the intermetallic compound constituting the intermetallic compound phase 33 containing Cu and Ti include Cu 4 Ti, Cu 3 Ti 2 , Cu 4 Ti 3 , and CuTi. , CuTi 2 , CuTi 3 and the like.
  • the Mg content in the Mg solid solution layer 32 is in the range of 0.01 atomic% to 0.5 atomic%.
  • the thickness of the Mg solid solution layer 32 is in the range of 0.1 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the Mg content in the Mg solid solution layer 32 is preferably in the range of 0.01 atomic% to 0.3 atomic%, but is not limited thereto.
  • Cu particles 35 are dispersed inside the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer).
  • the particle size of the Cu particles 35 dispersed in the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer) is in the range of 10 nm to 100 nm.
  • the Cu concentration in the region near the interface from the interface with the ceramic substrate 11 to 20% of the thickness of the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer) in the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer) is 0. It is within the range of 3 atomic% or more and 15 atomic% or less.
  • the thickness of the active metal nitride layer 31 is in the range of 0.03 ⁇ m to 1.2 ⁇ m.
  • the Cu concentration in the region near the interface from the interface with the ceramic substrate 11 to 20% of the thickness of the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer) is 0.3.
  • the area ratio of the Cu 2 Mg phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 side to 50 ⁇ m between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 is 15% or less.
  • the area ratio of the Cu 2 Mg phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 side up to 50 ⁇ m is preferably 0.01% or more and 10% or less, but is limited to this. Absent.
  • the above-described Cu 2 Mg phase is a region in which Mg element MAP is obtained with an electron beam microanalyzer, and in the region where the presence of Mg is confirmed, the Mg concentration is in a range of 30 atomic percent to 40 atomic percent. .
  • each of Ti, Zr, Nb, and Hf is selected between the copper plate 22 that becomes the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 and between the copper plate 23 that becomes the metal layer 13 and the ceramic substrate 11.
  • One or more active metal simple substances Ti simple substance in this embodiment
  • Mg simple substance are arranged (active metal and Mg arranging step S01).
  • active metal film 24 (Ti film) and Mg film 25 are formed by depositing active metal (Ti) and Mg, and Mg film 25 is laminated in a non-contact state with copper plate 22. ing.
  • the lower limit of the amount of active metal is preferably 2.8 ⁇ mol / cm 2 or more, and the upper limit of the amount of active metal is preferably 18.8 ⁇ mol / cm 2 or less.
  • the lower limit of the Mg amount is preferably 8.8 ⁇ mol / cm 2 or more, and the upper limit of the Mg amount is preferably 37.0 ⁇ mol / cm 2 or less.
  • the copper plate 22, the ceramic substrate 11, and the copper plate 23 are laminated via the active metal film 24 (Ti film) and the Mg film 25 (lamination step S02).
  • the laminated copper plate 22, ceramic substrate 11, and copper plate 23 are pressurized in the laminating direction, and are loaded into a vacuum furnace and heated to join the copper plate 22, the ceramic substrate 11 and the copper plate 23 (joining step S03).
  • the pressurizing load in the joining step S03 is set in the range of 0.049 MPa to 3.4 MPa.
  • the pressure load in the joining step S03 is preferably in the range of 0.294 MPa to 1.47 MPa, but is not limited thereto.
  • the heating temperature in the bonding step S03 is in the range of 670 ° C. or higher and 850 ° C. or lower higher than the melting point of Mg because Cu and Mg are laminated in a non-contact state.
  • the lower limit of the heating temperature is preferably 700 ° C.
  • the degree of vacuum in the bonding step S03 is preferably in the range of 1 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa to 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa.
  • the holding time at the heating temperature is preferably in the range of 5 min to 360 min. In order to reduce the area ratio of the Cu 2 Mg phase, the lower limit of the holding time at the heating temperature is preferably 60 min or more. The upper limit of the holding time at the heating temperature is preferably 240 min or less.
  • the insulated circuit board 10 is manufactured by the active metal and Mg arrangement step S01, the lamination step S02, and the bonding step S03.
  • the heat sink 51 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 (heat sink bonding step S04).
  • the insulating circuit board 10 and the heat sink 51 are laminated via a solder material and inserted into a heating furnace, and the insulating circuit board 10 and the heat sink 51 are soldered via the second solder layer 8.
  • the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 by soldering (semiconductor element joining step S05).
  • soldering semiconductor element joining step S05.
  • the copper plate 22 (circuit layer 12) and the copper plate 23 (metal layer 13) made of oxygen-free copper and aluminum nitride are used.
  • the ceramic substrate 11 is joined via an active metal film 24 (Ti film) and an Mg film 25, and the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22) and the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 (copper plate 23).
  • the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer) formed on the ceramic substrate 11 side and the Mg solid solution layer 32 in which Mg is dissolved in the matrix of Cu are laminated on the bonding interface of FIG. Yes.
  • the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer) is formed by reaction of active metal (Ti) disposed between the ceramic substrate 11 and the copper plates 22 and 23 and nitrogen of the ceramic substrate 11. Therefore, in the present embodiment, the ceramic substrate 11 is sufficiently reacted at the bonding interface. Further, an Mg solid solution layer 32 in which Mg is dissolved in the matrix phase of Cu is formed so as to be stacked on the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer). Of active metals. In the present embodiment, since the intermetallic compound phase 33 containing Cu and active metal (Ti) is dispersed in the Mg solid solution layer 32, the Mg disposed between the ceramic substrate 11 and the copper plates 22 and 23 is reduced. It is sufficiently diffused on the copper plates 22 and 23 side. Therefore, in this embodiment, Cu and the active metal (Ti) are sufficiently reacted.
  • the interface reaction sufficiently proceeds at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the copper plates 22, 23, and the circuit layer 12 (copper plate 22), the ceramic substrate 11, the metal layer 13 (copper plate 23), and the ceramic substrate 11.
  • the insulated circuit board 10 (copper / ceramic bonding body) bonded reliably can be obtained. Further, since Ag does not exist at the bonding interface, it is possible to obtain the insulating circuit substrate 10 (copper / ceramic bonding body) having excellent migration resistance.
  • the Cu particles 35 are dispersed inside the active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer), the Cu of the copper plates 22 and 23 sufficiently reacts at the bonding surface of the ceramic substrate 11. is doing. Therefore, it is possible to obtain an insulating circuit substrate 10 (copper / ceramic bonding body) in which the copper plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are firmly bonded.
  • the area ratio of the Cu 2 Mg phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (copper plate 22) side to 50 ⁇ m between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22). Is limited to 15% or less, for example, even when ultrasonic bonding or the like is performed, it is possible to suppress the occurrence of cracks or the like at the bonding interface.
  • the active metal (Ti) simple substance (active metal film 24) and the Mg simple substance between the copper plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are used.
  • An active metal and Mg disposing step S01 for disposing (Mg film 25), a laminating step S02 for laminating the copper plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 through the active metal film 24 and the Mg film 25, and a laminated copper plate 22, the ceramic substrate 11, and the copper plate 23 are joined in a state of being pressurized in the stacking direction by heat treatment and joining in a vacuum atmosphere. It does not remain.
  • the active metal (Ti) simple substance and Mg simple substance are arranged, there is no variation in composition, and a uniform liquid phase is generated.
  • a liquid phase necessary for the interfacial reaction can be sufficiently obtained, and an excessive reaction of the ceramic substrate 11 can be suppressed. Therefore, the insulated circuit board 10 (copper / ceramic joined body) in which the copper plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 are securely joined can be obtained.
  • Ag is not used for joining, the insulated circuit board 10 excellent in migration resistance can be obtained.
  • Active metal content of less than 0.4 ⁇ mol / cm 2 (Ti content is less than 0.02 mg / cm 2), and, when Mg content is 7.0 ⁇ mol / cm less than 2 (less than 0.17 mg / cm 2) is There was a risk that the interfacial reaction would be insufficient and the bonding rate would decrease. Further, when the amount of active metal exceeds 47.0 ⁇ mol / cm 2 (Ti amount exceeds 2.25 mg / cm 2 ), an excessive amount of active metal and a relatively hard intermetallic compound phase 33 are generated excessively. The Mg solid solution layer 32 becomes too hard and the ceramic substrate 11 may be cracked.
  • Mg amount exceeds 143.2 ⁇ mol / cm 2 (greater than 3.48 mg / cm 2) in the case, the decomposition reaction of the ceramic substrate 11 becomes excessive, Al is excessively generated, these and Cu and active metal There was a possibility that a large amount of (Ti) or Mg intermetallic compound was generated, and the ceramic substrate 11 was cracked.
  • the active metal amount 0.4 ⁇ mol / cm 2 or more 47.0 ⁇ mol / cm 2 within the range of (Ti amount 0.02 mg / cm 2 or more 2.25 mg / cm 2 or less of range), and the Mg content of 7.0 ⁇ mol / cm 2 or more 143.2 ⁇ mol / cm 2 within the range of (0.17 mg / cm 2 or more 3.48 mg / cm 2 within the range).
  • the pressing load in the joining step S03 is 0.049 MPa or more
  • the ceramic substrate 11, the copper plates 22, 23, the active metal film 24 (Ti film), and the Mg film 25 are brought into close contact with each other. These interface reactions can be promoted during heating.
  • the pressurization load in joining process S03 shall be 3.4 MPa or less, the crack etc. of the ceramic substrate 11 can be suppressed.
  • the heating temperature in the joining step S03 is set to 670 ° C. or more which is equal to or higher than the melting point of Mg. Can be generated.
  • the heating temperature in the bonding step S03 is 850 ° C. or lower, generation of eutectic reaction between Cu and the active metal (Ti) can be suppressed, and generation of an excessive liquid phase can be suppressed. . Further, the thermal load on the ceramic substrate 11 is reduced, and deterioration of the ceramic substrate 11 can be suppressed.
  • the copper / ceramic bonding body according to this embodiment is an insulating circuit board 110 configured by bonding a ceramic substrate 111 as a ceramic member and a copper plate 122 (circuit layer 112) as a copper member.
  • FIG. 5 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 bonded to a surface on one side (upper side in FIG. 5) of the insulating circuit board 110 via a solder layer 2, and the other side of the insulating circuit board 110. And a heat sink 151 disposed on the lower side (lower side in FIG. 5).
  • the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
  • the insulated circuit board 110 is arranged on the ceramic substrate 111, the circuit layer 112 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 111, and the other surface (the lower surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 111. And a metal layer 113 provided.
  • the ceramic substrate 111 prevents electrical connection between the circuit layer 112 and the metal layer 113.
  • the ceramic substrate 111 is made of highly insulating silicon nitride.
  • the thickness of the ceramic substrate 111 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.32 mm in this 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 111.
  • a copper plate 122 made of copper or a copper alloy
  • an oxygen-free copper rolled plate 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. 5) 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 to 2.0 mm, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
  • the metal layer 113 is formed by joining an aluminum plate 123 to the other surface of the ceramic substrate 111.
  • the metal layer 113 is formed by joining an aluminum plate 123 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 111.
  • This aluminum plate 123 has a 0.2% proof stress of 30 N / mm 2 or less.
  • the thickness of the metal layer 113 (aluminum plate 123) is set within a range of 0.5 mm or more and 6 mm or less, and is set to 2.0 mm in the present embodiment.
  • the metal layer 113 is formed by bonding an aluminum plate 123 to the ceramic substrate 111 using an Al—Si brazing material 128.
  • the heat sink 151 is for cooling the insulating circuit board 110 described above, and in the present embodiment, is constituted by a heat radiating plate made of a material having good thermal conductivity.
  • the heat sink 151 is made of A6063 (aluminum alloy).
  • the heat sink 151 is bonded to the metal layer 113 of the insulating circuit substrate 110 using, for example, an Al—Si brazing material.
  • the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 include an active metal film 124 (this embodiment) made of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf. In the embodiment, they are bonded via a Ti film) and an Mg film 125.
  • an active metal nitride layer 131 in this embodiment, a titanium nitride layer formed on the ceramic substrate 111 side, A Mg solid solution layer 132 in which Mg is dissolved in a Cu mother phase is laminated.
  • the Mg solid solution layer 132 contains the active metal described above.
  • an intermetallic compound phase 133 containing Cu and an active metal (Ti) is dispersed in the Mg solid solution layer 132.
  • Ti is used as the active metal, and examples of the intermetallic compound constituting the intermetallic compound phase 133 containing Cu and Ti include Cu 4 Ti, Cu 3 Ti 2 , Cu 4 Ti 3 , CuTi, CuTi 2, CuTi 3, and the like.
  • the Mg content in the Mg solid solution layer 132 is in the range of 0.01 atomic% to 0.5 atomic%.
  • the thickness of the Mg solid solution layer 132 is in the range of 0.1 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • Cu particles 135 are dispersed inside the active metal nitride layer 131 (titanium nitride layer).
  • the particle size of the Cu particles 135 dispersed in the active metal nitride layer 131 (titanium nitride layer) is in the range of 10 nm to 100 nm.
  • the Cu concentration in the region near the interface from the interface with the ceramic substrate 111 to 20% of the thickness of the active metal nitride layer 131 (titanium nitride layer) is 0.3 atom. % Or more and 15 atomic% or less.
  • the thickness of the active metal nitride layer 131 (titanium nitride layer) is in the range of 0.03 ⁇ m to 1.2 ⁇ m.
  • the area ratio of the Cu 2 Mg phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate 111 to the circuit layer 112 side to 50 ⁇ m between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 is 15% or less.
  • Ti simple substance) and Mg simple substance are arranged (active metal and Mg arrangement step S101).
  • active metal film 124 (Ti film) and Mg film 125 are formed by depositing active metal (Ti) and Mg, and Mg film 125 is formed so as to be in contact with copper plate 122. Yes.
  • Active metal content of less than 0.4 ⁇ mol / cm 2 (Ti content is less than 0.02 mg / cm 2), and, when Mg content is 7.0 ⁇ mol / cm less than 2 (less than 0.17 mg / cm 2) is The interface reaction becomes insufficient, and the bonding rate may be reduced. Further, when the amount of active metal exceeds 47.0 ⁇ mol / cm 2 (Ti amount exceeds 2.25 mg / cm 2 ), an excessive amount of active metal and a relatively hard intermetallic compound phase 133 are generated excessively. The Mg solid solution layer 132 becomes too hard and the ceramic substrate 111 may be cracked.
  • Mg amount exceeds 143.2 ⁇ mol / cm 2 (greater than 3.48 mg / cm 2) in the case, the decomposition reaction of the ceramic substrate 111 becomes excessive, Al is excessively generated, these and Cu and active metal There is a possibility that a large amount of (Ti) or Mg intermetallic compound is generated and the ceramic substrate 111 is cracked.
  • the lower limit of the amount of active metal is preferably 2.8 ⁇ mol / cm 2 or more, and the upper limit of the amount of active metal is preferably 18.8 ⁇ mol / cm 2 or less.
  • the lower limit of the Mg amount is preferably 8.8 ⁇ mol / cm 2 or more, and the upper limit of the Mg amount is preferably 37.0 ⁇ mol / cm 2 or less.
  • the copper plate 122 and the ceramic substrate 111 are laminated via the active metal film 124 (Ti film) and the Mg film 125 (lamination step S102).
  • the active metal film 124 Ti film
  • the Mg film 125 laminated via the active metal film 124 (Ti film) and the Mg film 125 (lamination step S102).
  • an aluminum plate 123 to be the metal layer 113 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 111 with an Al—Si brazing material 128 interposed.
  • the laminated copper plate 122, the ceramic substrate 111, and the aluminum plate 123 are pressurized in the laminating direction, and are inserted into a vacuum furnace and heated to join the copper plate 122, the ceramic substrate 111, and the aluminum plate 123 (joining process).
  • the pressurizing load in the joining step S103 is set in the range of 0.049 MPa to 3.4 MPa.
  • the pressure load in the joining step S103 is preferably in the range of 0.294 MPa to 1.47 MPa, but is not limited thereto.
  • the eutectic temperature of Cu and active metal (Ti) is 500 ° C. or higher which is higher than the eutectic temperature of Mg and Cu.
  • the following is set to 850 ° C. or lower.
  • the lower limit of the heating temperature is preferably 700 ° C. or higher.
  • the heating temperature is set in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
  • the degree of vacuum in the bonding step S103 is preferably in the range of 1 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa to 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa.
  • the holding time at the heating temperature is preferably in the range of 5 min to 360 min.
  • the lower limit of the holding time at the heating temperature is preferably 60 min or more.
  • the upper limit of the holding time at the heating temperature is preferably 240 min or less.
  • the insulated circuit board 110 is manufactured by the active metal and Mg arrangement step S101, the stacking step S102, and the bonding step S103.
  • the heat sink 151 is bonded to the other surface side of the metal layer 113 of the insulating circuit board 110 (heat sink bonding step S104).
  • the insulating circuit board 110 and the heat sink 151 are laminated through a brazing material, pressurized in the laminating direction, and inserted into a vacuum furnace for brazing. Thereby, the metal layer 113 of the insulated circuit board 110 and the heat sink 151 are joined.
  • a brazing material having a thickness of 20 to 110 ⁇ m can be used as the brazing material, and the brazing temperature is preferably set lower than the heating temperature in the joining step S103.
  • the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 112 of the insulating circuit substrate 110 by soldering (semiconductor element joining step S105). Through the above steps, the power module 101 shown in FIG. 5 is produced.
  • the copper plate 122 (circuit layer 112) and the ceramic substrate 111 made of silicon nitride are combined with the active metal film 124 (
  • the active metal nitride layer 131 (titanium nitride layer) formed on the ceramic substrate 111 side is joined to the bonding interface between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (copper plate 122).
  • a Mg solid solution layer 132 in which Mg is dissolved in the mother phase of Cu, and an active metal is present in the Mg solid solution layer 132.
  • the circuit layer 112 (copper plate 122) and the ceramic substrate 111 are securely connected as in the first embodiment.
  • Insulated circuit board 110 (copper / ceramic bonded body) bonded to each other can be obtained.
  • Ag does not exist at the bonding interface, an insulating circuit substrate 110 (copper / ceramic bonding body) having excellent migration resistance can be obtained.
  • the Cu particles 135 are dispersed inside the active metal nitride layer 131 (titanium nitride layer), the Cu of the copper plate 122 is sufficiently reacted at the bonding surface of the ceramic substrate 111.
  • an insulating circuit substrate 110 (copper / ceramic bonding body) in which the circuit layer 112 (copper plate 122) and the ceramic substrate 111 are firmly bonded.
  • the area ratio of the Cu 2 Mg phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate 111 to the circuit layer 112 (copper plate 122) side to 50 ⁇ m between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (copper plate 122). Is limited to 15% or less, for example, even when ultrasonic bonding or the like is performed, it is possible to suppress the occurrence of cracks or the like at the bonding interface.
  • the liquid phase is formed at the bonding interface between the circuit layer 112 (copper plate 122) and the ceramic board 111, as in the first embodiment.
  • the insulating circuit substrate 110 (copper / ceramic bonding body) in which the copper plate 122 and the ceramic substrate 111 are reliably bonded can be obtained.
  • Ag is not used for bonding, the insulating circuit substrate 110 having excellent migration resistance can be obtained.
  • the heating temperature in the bonding step S103 is set to 500 ° C. or higher which is equal to or higher than the eutectic temperature of Cu and Mg.
  • a liquid phase can be produced.
  • an aluminum plate 123 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 111 via an Al—Si brazing material 128, and the copper plate 122 and the ceramic substrate 111, the ceramic substrate 111 and the aluminum plate 123, As a result, the insulating circuit board 110 including the circuit layer 112 made of copper and the metal layer 113 made of aluminum can be efficiently manufactured. Further, the occurrence of warpage in the insulating circuit board 110 can be suppressed.
  • 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%, but is not limited to this, and aluminum having a purity of 99 mass% (2N aluminum) It may be composed of other aluminum or aluminum alloy.
  • the heat sink has been described as an example of the heat sink, it is not limited to this, and the structure of the heat sink is not particularly limited. For example, what has a flow path through which a refrigerant circulates or a cooling fin may be used.
  • a composite material containing aluminum or an aluminum alloy (for example, AlSiC) can also be used as the heat sink.
  • 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 sink and the metal layer.
  • the active metal and Mg arrangement process has been described as forming the active metal film (Ti film) and the Mg film.
  • the present invention is not limited to this, and the active metal and Mg are co-evaporated. May be. Also in this case, the formed active metal film and Mg film are not alloyed, and the active metal simple substance and Mg simple substance are arranged.
  • the active metal and Mg film are formed by co-evaporation, Mg and Cu are brought into contact with each other, so that the lower limit of the heating temperature in the bonding step can be set to 500 ° C. or higher.
  • Ti is used as the active metal.
  • the present invention is not limited to this, and one or more selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is used as the active metal. May be.
  • Zr is used as the active metal
  • Zr exists as an intermetallic compound phase with Cu in the Mg solid solution layer.
  • the intermetallic compound constituting the intermetallic compound phase include Cu 5 Zr, Cu 51 Zr 14 , Cu 8 Zr 3 , Cu 10 Zr 7 , CuZr, Cu 5 Zr 8 , and CuZr 2 .
  • Hf is used as the active metal, Hf exists as an intermetallic compound phase with Cu in the Mg solid solution layer.
  • intermetallic compound constituting this intermetallic compound phase examples include Cu 51 Hf 14 , Cu 8 Hf 3 , Cu 10 Hf 7 , and CuHf 2 .
  • Ti and Zr are used as the active metal, Ti and Zr exist as an intermetallic compound phase containing Cu and the active metal in the Mg solid solution layer.
  • Examples of the intermetallic compound constituting the intermetallic compound phase include Cu 1.5 Zr 0.75 Ti 0.75 .
  • Nb is used as the active metal, Nb exists as a solid solution in the Mg solid solution layer.
  • active metal and Mg arrangement step within an active metal amount in the bonded interface 0.4 ⁇ mol / cm 2 or more 47.0 ⁇ mol / cm 2 or less, Mg amount 7.0 ⁇ mol / cm 2 or more 143.2 ⁇ mol / cm 2
  • the active metal film and the Mg film may be laminated in multiple layers, for example, Mg film / active metal film / Mg film.
  • a Cu film may be formed between the active metal film and the Mg film.
  • the active metal simple substance and the Mg simple substance may be provided with a foil material or may be formed by sputtering.
  • the power module is configured by mounting the power semiconductor element on the circuit layer of the insulating circuit board.
  • the LED module may be configured by mounting an LED element on an insulating circuit board, or the thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on a circuit layer of the insulating circuit board.
  • Example 1 A copper / ceramic bonding body having the structure shown in Table 1 was formed. More specifically, as shown in Table 1, a copper plate on which Ti and Mg are deposited as active metals is laminated on both sides of a 40 mm square ceramic substrate and bonded under the bonding conditions shown in Table 1. A joined body was formed. The thickness of the ceramic substrate was 0.635 mm in the case of aluminum nitride and 0.32 mm in the case of silicon nitride. The vacuum degree of the vacuum furnace at the time of joining was set to 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa.
  • the bonding interface was observed, and the active metal nitride layer (titanium nitride layer), Mg solid solution layer, intermetallic compound phase, active metal nitride layer (titanium nitride layer) ) In the presence of Cu particles and the Cu concentration. Further, the initial bonding rate of the copper / ceramic bonded body, the cracking of the ceramic substrate after the cooling and heating cycle, and the migration property were evaluated as follows.
  • Mg solid solution layer Using a EPMA apparatus (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.), an area including the bonding interface (400 ⁇ m ⁇ 600 ⁇ m) was observed under the conditions of a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV, using the EPMA apparatus (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.). Quantitative analysis was performed at 10 points with an interval of 10 ⁇ m from the surface of the ceramic substrate (active metal nitride layer surface) toward the copper plate side, and a region having an Mg concentration of 0.01 atomic% or more was defined as an Mg solid solution layer.
  • the Cu concentration is 5 atom% or more and the active metal concentration (Ti concentration) is 16 atoms or more and 90 atom% or less with an average of five points in the quantitative analysis in the region where the presence of the active metal (Ti) is confirmed.
  • a region satisfying the above condition was defined as an intermetallic compound phase.
  • 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 was defined as 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.
  • (Bonding rate) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area) ⁇ 100
  • the electrical resistance between circuit patterns was measured after leaving for 500 hours under the conditions of a distance between circuit patterns of the circuit layer of 0.8 mm, a temperature of 60 ° C., a humidity of 95% RH, and a voltage of DC 50V.
  • the case where the resistance value was 1 ⁇ 10 6 ⁇ or less was judged as short-circuited, and “B” was assigned.
  • the case where the resistance value did not become 1 ⁇ 10 6 ⁇ or less was defined as “A”.
  • the amount of active metal (Ti amount) is 0.1 ⁇ mol / cm 2 (0.005 mg / cm 2 ), which is lower than the range of the present invention, and the initial bonding rate is low. It was. It is presumed that the active metal (Ti) was not present as an intermetallic compound phase in the Mg solid solution layer, and the interfacial reaction was insufficient. In the active metal and Mg arrangement step, cracking of the ceramic substrate was confirmed in Comparative Example 2 in which the amount of active metal (Ti amount) was 66.9 ⁇ mol / cm 2 (3.20 mg / cm 2 ), which is larger than the range of the present invention. It was done. This is presumably because a relatively hard intermetallic compound phase was formed in a large amount.
  • the initial bonding rate was low in Comparative Example 3 in which the amount of Mg was 2.1 ⁇ mol / cm 2 (0.05 mg / cm 2 ), which is less than the range of the present invention. It is presumed that the Mg solid solution layer was not observed and the interface reaction was insufficient. In the active metal and Mg arrangement step, cracks in the ceramic substrate were confirmed in Comparative Example 4 where the Mg content was 220.1 ⁇ mol / cm 2 (5.35 mg / cm 2 ), which is larger than the range of the present invention. It is presumed that the decomposition reaction of the ceramic substrate became excessive, Al was generated excessively, and an intermetallic compound of Cu, active metal (Ti), and Mg was generated in large quantities.
  • Example 1 to 12 of the present invention the initial bonding rate was high, and no cracks in the ceramic substrate were confirmed. Also, the migration was good. As shown in FIG. 9A, FIG. 9B and FIG. 9C, as a result of observing the bonding interface, an active metal nitride layer 31 (titanium nitride layer) and a Mg solid solution layer 32 are observed. It was observed that the intermetallic compound phase 33 was dispersed.
  • Example 2 A copper / ceramic bonding body having the structure shown in Table 3 was formed. More specifically, as shown in Table 3, a copper plate having a single active metal layer and a single Mg layer formed thereon is laminated on both sides of a 40 mm square ceramic substrate, and bonded under the bonding conditions shown in Table 3. Copper / ceramic bonding Formed body. The thickness of the ceramic substrate was 0.635 mm in the case of aluminum nitride and 0.32 mm in the case of silicon nitride. The vacuum degree of the vacuum furnace at the time of joining was set to 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa.
  • Example 4 The presence or absence of active metal in the active metal nitride layer, Mg solid solution layer, Mg solid solution layer (metal) The presence or absence of an intermetallic phase), the presence or absence of Cu particles in the active metal nitride layer, and the Cu concentration were confirmed. Further, the initial bonding rate of the copper / ceramic bonding body, the cracking of the ceramic substrate after the thermal cycle, and the migration property were evaluated in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 4.
  • the amount of active metal is 50.4 ⁇ mol / cm 2, which is more than the range of the present invention, and the amount of active metal (Nb amount) is 61.2 ⁇ mol / cm 2.
  • Comparative Example 22 which was larger than the range of the present invention, cracks in the ceramic substrate were confirmed. It is presumed that the amount of active metal present in the Mg solid solution layer was large and the Mg solid solution layer became hard.
  • the amount of active metal (Hf amount) is 0.2 ⁇ mol / cm 2, which is less than the range of the present invention, and the amount of active metal (Hf amount + Nb amount) is 0.2 ⁇ mol / cm 2.
  • Comparative Example 24 which is less than the range of cm 2 and the present invention, the initial bonding rate was low.
  • the copper member and the ceramic member can be reliably bonded and a copper / ceramic bonded body (insulated circuit board) excellent in migration resistance can be provided. .
  • Example 3 An insulated circuit board having the structure shown in Table 5 was formed. More specifically, as shown in Table 5, a copper plate having a single active metal layer and a single Mg layer formed thereon is laminated on both sides of a 40 mm square ceramic substrate and bonded under the bonding conditions shown in Table 5 to have a circuit layer. An insulated circuit board was formed. The thickness of the ceramic substrate was 0.635 mm in the case of aluminum nitride and 0.32 mm in the case of silicon nitride. The vacuum degree of the vacuum furnace at the time of joining was set to 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa.
  • the area ratio of the Cu 2 Mg phase at the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer, and the pull strength of the terminals ultrasonically bonded to the circuit layer are as follows. evaluated.
  • the Mg interface in the region (120 ⁇ m ⁇ 160 ⁇ m) including the bonding interface is used at a magnification of 750 times and an acceleration voltage of 15 kV.
  • An area where the Mg concentration was 30 atomic% or more and 40 atomic% or less was obtained as a Cu 2 Mg phase by the five-point average of quantitative analysis in the area where the presence of Mg was confirmed.
  • the area A of the ceramic substrate bonding surface and the region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 ⁇ m is obtained.
  • a copper terminal (width: 5 mm) is formed on the circuit layer of the insulated circuit board using an ultrasonic metal bonding machine (60C-904 manufactured by Ultrasonic Industry Co., Ltd.) including the stage 40.
  • Thickness T 1.0 mm, length L 1 : 20 mm, length L 2 : 10 mm
  • the value obtained by dividing the breaking load when the copper terminal is pulled under the condition that the tool speed Y is 5 mm / s and the stage speed X is 5 mm / s by the joining area is shown in Table 5.
  • a copper member and a ceramic member are reliably joined, and the copper / ceramic joined body excellent in migration resistance, an insulated circuit board, the manufacturing method of the above-mentioned copper / ceramic joined body, and the insulated circuit board The manufacturing method of can be provided.

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Abstract

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、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材と、が接合され、銅部材とセラミックス部材との間においては、セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物からなる活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と銅部材との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、Ｍｇ固溶層には、活性金属が存在する。

Description

銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法
　この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウム又は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、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法に関する。
　本願は、２０１７年２月２８日に、日本に出願された特願２０１７－０３６８４１号、および２０１８年１月２５日に、日本に出願された特願２０１８－０１０９６４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においては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、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を備えている。
　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は、動作時の発熱量が多い。そのため、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や窒化ケイ素などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。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を形成したものも提供されている。
　例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合した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して、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせることにより、銅板とセラミックス基板とを接合している。
　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。
　特許文献３には、高温の窒素ガス雰囲気下で銅板とセラミックス基板とを接合する際に用いられる接合用ろう材として、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉ合金からなる粉末を含有するペーストが提案されている。この特許文献３においては、窒素ガス雰囲気下にて５６０～８００℃で加熱することによって接合する構成を備えており、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉ合金中のＭｇは昇華して接合界面には残存せず、かつ、窒化チタン（ＴｉＮ）が実質的に形成しないものとされている。
特開平０４－１６２７５６号公報 特許第３２１１８５６号公報 特許第４３７５７３０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。
　特許文献２に開示されているように、活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、ろう材がＡｇを含有しており、接合界面にＡｇが存在することから、マイグレーションが生じやすく、高耐圧用途には使用することができなかった。また、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。
　特許文献３に開示されているように、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉ合金からなる粉末を含有するペーストからなる接合用ろう材を用いて窒素ガス雰囲気下で接合した場合には、接合界面にガスが残存し、部分放電が発生しやすいといった問題があった。また、合金粉を用いていることから、合金粉の組成ばらつきに応じて溶融状況が不均一となり、界面反応が不十分な領域が局所的に形成されるおそれがあった。また、ペーストに含まれる有機物が接合界面に残存し、接合が不十分となるおそれがあった。
　この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法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、本発明の一態様である銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウム又は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間においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅部材との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層には、前記活性金属が存在す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、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材との間においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されている。この活性金属窒化物層は、セラミックス部材と銅部材の間に配設された活性金属とセラミックス部材中の窒素とが反応することにより形成されるものであり、セラミックス部材が十分に反応している。
　活性金属窒化物層と前記銅部材との間には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、このＭｇ固溶層に前記活性金属が存在するので、セラミックス部材と銅部材の間に配設されたＭｇが銅部材側に十分に拡散しており、さらに、Ｃｕと活性金属とが十分に反応している。
　したがって、銅部材とセラミックス部材との接合界面において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できる。また、接合界面にＡｇが存在していないので、耐マイグレーション性にも優れている。
　本発明の一態様である銅／セラミックス接合体においては、前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属を含む金属間化合物相が分散されている構成としてもよい。
　Ｍｇ固溶層において活性金属は、活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆを含む場合には、Ｃｕと前記活性金属との金属間化合物相として存在する。このため、Ｍｇ固溶層にＣｕと前記活性金属との金属間化合物相が存在することで、セラミックス部材と銅部材の間に配設されたＭｇが銅部材側に十分に拡散し、Ｃｕと活性金属とが十分に反応しており、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できる。
　本発明の一態様である銅／セラミックス接合体においては、前記活性金属窒化物層の内部に、Ｃｕ粒子が分散されていることが好ましい。
　この場合、銅部材のＣｕがセラミックス部材と十分に反応していることになり、銅部材とセラミックス部材とが強固に接合された銅／セラミックス接合体を得ることが可能となる。Ｃｕ粒子は、Ｃｕ単体又はＣｕを含有する金属間化合物であり、活性金属窒化物層が形成される際に、液相中に存在していたＣｕが析出することで生成されている。
　本発明の一態様である銅／セラミックス接合体においては、前記活性金属がＴｉであってもよい。
　この場合、前記活性金属窒化物層として窒化チタン層が形成され、前記Ｍｇ固溶層に、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物相が分散されることになり、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体を提供することができる。
　本発明の一態様である銅／セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材と前記銅部材との間において、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされていることが好ましい。
　この場合、脆弱なＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下に制限されているので、例えば超音波接合等を実施した場合であっても、接合界面における割れ等の発生を抑制することが可能となる。
　本発明の一態様である絶縁回路基板は、窒化アルミニウム又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板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間においては、前記セラミックス基板側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層には、前記活性金属が存在することを特徴としている。
　この構成の絶縁回路基板においては、銅板とセラミックス基板とが確実に接合されるとともに、耐マイグレーション性に優れており、高耐圧条件下においても信頼性高く使用することができる。
　本発明の一態様である絶縁回路基板においては、前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属を含む金属間化合物相が分散されている構成としてもよい。
　Ｍｇ固溶層において活性金属は、活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆを含む場合には、Ｃｕと前記活性金属との金属間化合物相として存在する。このため、Ｍｇ固溶層にＣｕと前記活性金属との金属間化合物相として存在することで、銅板とセラミックス基板とが確実に接合された絶縁回路基板を得ることができる。
　本発明の一態様である絶縁回路基板においては、前記活性金属窒化物層の内部に、Ｃｕ粒子が分散されていることが好ましい。
　この場合、銅板のＣｕがセラミックス基板と十分に反応していることになり、銅板とセラミックス基板とが強固に接合された絶縁回路基板を得ることが可能となる。Ｃｕ粒子は、Ｃｕ単体又はＣｕを含有する金属間化合物であり、活性金属窒化物層が形成される際に、液相中に存在していたＣｕが析出することで生成されている。
　本発明の一態様である絶縁回路基板においては、前記活性金属がＴｉであってもよい。
　この場合、前記活性金属窒化物層として窒化チタン層が形成され、前記Ｍｇ固溶層に、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物相が分散されることになり、銅板とセラミックス基板とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板を提供することができる。
　本発明の一態様である絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板と前記銅板との間において、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされていることが好ましい。
　この場合、脆弱なＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下に制限されているので、例えば超音波接合等を実施した場合であっても、接合界面における割れ等の発生を抑制することが可能となる。
　本発明の一態様である銅／セラミックス接合体の製造方法は、上述した銅／セラミックス接合体を製造する方法であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体及びＭｇ単体を配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とす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の製造方法によれば、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に活性金属の単体及びＭｇ単体を配置し、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理するので、接合界面にガスや有機物の残渣等が残存することがない。また、活性金属の単体及びＭｇ単体を配置しているので、組成のばらつきがなく、均一に液相が生じる。
　活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができるとともに、セラミックス部材の必要以上の反応を抑制することができる。
　よって、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、接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体を得ることができる。
　本発明の一態様である銅／セラミックス接合体の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、前記接合工程における加熱温度は、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合は５００℃以上８５０℃以下の範囲内、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合は６７０℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
　この場合、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされているので、セラミックス部材と銅部材と活性金属及びＭｇとを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。
　前記接合工程における加熱温度が、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合はＣｕとＭｇの共晶温度よりも高い５００℃以上とし、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合にはＭｇの融点よりも高い６７０℃以上としているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。
　前記接合工程における加熱温度が８５０℃以下とされているので、Ｃｕと活性金属との共晶反応の発生を抑制することができ、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス部材への熱負荷が小さくなり、セラミックス部材の劣化を抑制することができる。
　本発明の一態様である絶縁回路基板の製造方法は、窒化アルミニウム又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板が接合されてなる絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体及びＭｇ単体を配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、前記銅板と前記セラミックス基板とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とすることを特徴としている。
　この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、銅板とセラミックス基板とが確実に接合された絶縁回路基板を得ることができる。また、接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板を得ることができる。
　本発明の一態様である絶縁回路基板の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、前記接合工程における加熱温度は、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合は５００℃以上８５０℃以下の範囲内、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合は６７０℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることが好ましい。
　この場合、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされているので、セラミックス基板と銅板と活性金属及びＭｇとを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。
　前記接合工程における加熱温度が、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合はＣｕとＭｇの共晶温度よりも高い５００℃以上とし、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合にはＭｇの融点よりも高い６７０℃以上としているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。
　前記接合工程における加熱温度が８５０℃以下とされているので、Ｃｕと活性金属との共晶反応の発生を抑制することができ、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス基板への熱負荷が小さくなり、セラミックス基板の劣化を抑制することができる。
　本発明によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法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）及び金属層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。 本発明の第１の実施形態である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。 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回路層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。 本発明の第２の実施形態である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。 本発明例５の銅／セラミックス接合体における銅板とセラミックス基板の接合界面の観察結果である。 本発明例５の銅／セラミックス接合体における銅板とセラミックス基板の接合界面の観察結果である。 本発明例５の銅／セラミックス接合体における銅板とセラミックス基板の接合界面の観察結果である。 実施例３におけるプル強度の測定方法を示す説明図である。 実施例３におけるプル強度の測定方法を示す説明図である。
　以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態について、図１から図４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）及び銅板２３（金属層１３）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）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１０の他方側（図１において下側）に第２はんだ層８を介して接合されたヒートシンク５１と、を備えている。
　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、絶縁性の高い窒化アルミニウムで構成されている。セラミックス基板１１の厚さは、０．２～１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
　回路層１２は、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面である。回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
　金属層１３は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に銅又は銅合金からなる銅板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を構成する銅板２３として、無酸素銅の圧延板が用いられている。金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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、本実施形態においては、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板で構成されている。本実施形態においては、ヒートシンク５１は、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。ヒートシンク５１と絶縁回路基板１０の金属層１３とは、第２はんだ層８を介して接合されている。
　セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）、及び、セラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）は、図４に示すように、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属からなる活性金属膜２４（本実施形態ではＴｉ膜）及びＭｇ膜２５を介して接合されている。
　セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との接合界面及びセラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）との接合界面においては、図２に示すように、セラミックス基板１１側に形成された活性金属窒化物層３１（本実施形態では窒化チタン層）と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３２と、が積層された構造を備えている。
　Ｍｇ固溶層３２には、上述の活性金属が含まれている。本実施形態においては、Ｍｇ固溶層３２には、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）とを含む金属間化合物相３３が分散されている。本実施形態では、活性金属としてＴｉを用いており、ＣｕとＴｉとを含む金属間化合物相３３を構成する金属間化合物としては、例えばＣｕ４Ｔｉ，Ｃｕ３Ｔｉ２，Ｃｕ４Ｔｉ３，ＣｕＴｉ，ＣｕＴｉ２，ＣｕＴｉ３等が挙げられる。
　このＭｇ固溶層３２におけるＭｇの含有量は、０．０１原子％以上０．５原子％以下の範囲内とされている。Ｍｇ固溶層３２の厚さは、０．１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。Ｍｇ固溶層３２におけるＭｇの含有量は、０．０１原子％以上０．３原子％以下の範囲内とされていることが好ましいが、これに限定されることはない。
　本実施形態では、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の内部に、Ｃｕ粒子３５が分散している。
　活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）内に分散するＣｕ粒子３５の粒径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。また、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）のうちセラミックス基板１１との界面から活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の厚さの２０％までの界面近傍領域におけるＣｕ濃度が０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。
　活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の厚さは、０．０３μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされている。活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）のうちセラミックス基板１１との界面から活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の厚さの２０％までの界面近傍領域におけるＣｕ濃度は、０．３原子％以上１２原子％以下の範囲内とされていることが好ましいが、これに限定されることはない。
　本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２との間において、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされている。セラミックス基板１１の接合面から回路層１２側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率は、０．０１％以上１０％以下とされていることが好ましいが、これに限定されることはない。
　本実施形態では、上述のＣｕ２Ｍｇ相は、電子線マイクロアナライザーでＭｇの元素ＭＡＰを取得し、Ｍｇの存在が確認された領域においてＭｇ濃度が３０原子％以上４０原子％以下の領域とした。
　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３及び図４を参照して説明する。
　図４に示すように、回路層１２となる銅板２２とセラミックス基板１１との間、及び、金属層１３となる銅板２３とセラミックス基板１１との間に、それぞれＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体（本実施形態ではＴｉ単体）及びＭｇ単体を配置する（活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１）。本実施形態では、活性金属（Ｔｉ）及びＭｇを蒸着することによって、活性金属膜２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜２５が形成されており、Ｍｇ膜２５は銅板２２とは非接触状態で積層されている。
　この活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内（本実施形態では、Ｔｉを０．０２ｍｇ／ｃｍ２以上２．２５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内）、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内（０．１７ｍｇ／ｃｍ２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内）としている。
　活性金属量の下限は２．８μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、活性金属量の上限は１８．８μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。また、Ｍｇ量の下限は８．８μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、Ｍｇ量の上限は３７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
　次に、銅板２２とセラミックス基板１１と銅板２３とを、活性金属膜２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜２５を介して積層する（積層工程Ｓ０２）。
　積層された銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３を、積層方向に加圧するとともに、真空炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１と銅板２３を接合する（接合工程Ｓ０３）。
　接合工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされている。接合工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．２９４ＭＰａ以上１．４７ＭＰａ以下の範囲内とされていることが好ましいが、これに限定されることはない。
　接合工程Ｓ０３における加熱温度は、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されていることから、Ｍｇの融点以上の６７０℃以上８５０℃以下の範囲内とされている。加熱温度の下限は７００℃以上とすることが好ましい。
　接合工程Ｓ０３における真空度は、１×１０－６Ｐａ以上１×１０－２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。
　加熱温度での保持時間は、５ｍｉｎ以上３６０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。上述のＣｕ２Ｍｇ相の面積率を低くするためには、加熱温度での保持時間の下限を６０ｍｉｎ以上とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間の上限は２４０ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
　以上のように、活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１と、積層工程Ｓ０２と、接合工程Ｓ０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
　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（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
　絶縁回路基板１０とヒートシンク５１とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、第２はんだ層８を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５１とをはんだ接合する。
　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（半導体素子接合工程Ｓ０５）。
　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）及び銅板２３（金属層１３）と窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１１とが、活性金属膜２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜２５を介して接合されており、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）及びセラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）の接合界面には、セラミックス基板１１側に形成された活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３２と、が積層されている。
　活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）は、セラミックス基板１１と銅板２２、２３の間に配設された活性金属（Ｔｉ）とセラミックス基板１１の窒素とが反応することにより形成される。そのため、本実施形態では、接合界面においてセラミックス基板１１が十分に反応している。また、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）に積層するように、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３２が形成されており、このＭｇ固溶層３２に、上述の活性金属が含まれている。本実施形態においてはＭｇ固溶層３２にＣｕと活性金属（Ｔｉ）を含む金属間化合物相３３が分散されているので、セラミックス基板１１と銅板２２，２３との間に配設されたＭｇが銅板２２，２３側に十分に拡散している。そのため、本実施形態では、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）とが十分に反応している。
　よって、セラミックス基板１１と銅板２２，２３との接合界面において十分に界面反応が進行しており、回路層１２（銅板２２）とセラミックス基板１１、金属層１３（銅板２３）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（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。また、接合界面にＡｇが存在していないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。
　特に、本実施形態においては、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の内部に、Ｃｕ粒子３５が分散しているので、銅板２２，２３のＣｕがセラミックス基板１１の接合面で十分に反応している。そのため、銅板２２，２３とセラミックス基板１１とが強固に接合された絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることが可能となる。
　本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との間において、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（銅板２２）側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下に制限されているので、例えば超音波接合等を実施した場合であっても、接合界面における割れ等の発生を抑制することが可能となる。
　本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）の製造方法によれば、銅板２２，２３とセラミックス基板１１との間に活性金属（Ｔｉ）の単体（活性金属膜２４）及びＭｇ単体（Ｍｇ膜２５）を配置する活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１と、これら活性金属膜２４及びＭｇ膜２５を介して銅板２２、２３とセラミックス基板１１とを積層する積層工程Ｓ０２と、積層された銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３を、積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程Ｓ０３と、を備えているので、接合界面にガスや有機物の残渣等が残存することがない。また、活性金属（Ｔｉ）の単体及びＭｇ単体を配置しているので、組成のばらつきがなく、均一に液相が生じる。
　活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内（本実施形態では、Ｔｉを０．０２ｍｇ／ｃｍ２以上２．２５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内）、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内（０．１７ｍｇ／ｃｍ２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内）としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができるとともに、セラミックス基板１１の必要以上の反応を抑制することができる。
　よって、銅板２２，２３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（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。また、接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１０を得ることができる。
　活性金属量が０．４μｍｏｌ／ｃｍ２未満（Ｔｉ量が０．０２ｍｇ／ｃｍ２未満）、及び、Ｍｇ量が７．０μｍｏｌ／ｃｍ２未満（０．１７ｍｇ／ｃｍ２未満）の場合には、界面反応が不十分となり、接合率が低下するおそれがあった。また、活性金属量が４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２を超える（Ｔｉ量が２．２５ｍｇ／ｃｍ２を超える）場合には、活性金属が多く比較的硬い金属間化合物相３３が過剰に生成してしまい、Ｍｇ固溶層３２が硬くなり過ぎて、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがあった。また、Ｍｇ量が１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２を超える（３．４８ｍｇ／ｃｍ２を超える）場合には、セラミックス基板１１の分解反応が過剰となり、Ａｌが過剰に生成し、これらとＣｕや活性金属（Ｔｉ）やＭｇの金属間化合物が多量に生じ、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがあった。
　以上のことから、本実施形態では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内（Ｔｉ量を０．０２ｍｇ／ｃｍ２以上２．２５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内）、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内（０．１７ｍｇ／ｃｍ２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内）としている。
　本実施形態においては、接合工程Ｓ０３における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上とされているので、セラミックス基板１１と銅板２２，２３と活性金属膜２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜２５とを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。また、接合工程Ｓ０３における加圧荷重が３．４ＭＰａ以下とされているので、セラミックス基板１１の割れ等を抑制することができる。
　本実施形態では、ＣｕとＭｇとが非接触状態で積層されており、接合工程Ｓ０３における加熱温度が、Ｍｇの融点以上である６７０℃以上とされているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。一方、接合工程Ｓ０３における加熱温度が８５０℃以下とされているので、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）との共晶反応の発生を抑制することができ、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス基板１１への熱負荷が小さくなり、セラミックス基板１１の劣化を抑制することができる。
　（第２の実施形態）
　本発明の第２の実施形態について、図５から図８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１１１と、銅部材である銅板１２２（回路層１１２）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５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５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１１０の他方側（図５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。
　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１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
　セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高い窒化ケイ素で構成されている。セラミックス基板１１１の厚さは、０．２～１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
　回路層１１２は、図８に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１１２を構成する銅板１２２として、無酸素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５において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面である。回路層１１２の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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８に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面にアルミニウム板１２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１１３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１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。このアルミニウム板１２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下とされている。金属層１１３（アルミニウム板１２３）の厚さは０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。金属層１１３は、図８に示すように、アルミニウム板１２３がＡｌ－Ｓｉ系ろう材１２８を用いてセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
　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、本実施形態においては、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板で構成されている。本実施形態においては、ヒートシンク１５１は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。本実施形態においては、このヒートシンク１５１は、絶縁回路基板１１０の金属層１１３に、例えばＡｌ－Ｓｉ系ろう材を用いて接合されている。
　セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）とは、図８に示すように、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属からなる活性金属膜１２４（本実施形態ではＴｉ膜）及びＭｇ膜１２５を介して接合されている。
　セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）との接合界面においては、図６に示すように、セラミックス基板１１１側に形成された活性金属窒化物層１３１（本実施形態では窒化チタン層）と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層１３２と、が積層されている。
　Ｍｇ固溶層１３２には、上述の活性金属が含まれている。本実施形態においては、Ｍｇ固溶層１３２には、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）とを含む金属間化合物相１３３が分散されている。本実施形態では、活性金属としてＴｉを用いており、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物相１３３を構成する金属間化合物としては、例えばＣｕ４Ｔｉ，Ｃｕ３Ｔｉ２，Ｃｕ４Ｔｉ３，ＣｕＴｉ，ＣｕＴｉ２，ＣｕＴｉ３等が挙げられる。
　このＭｇ固溶層１３２におけるＭｇの含有量は、０．０１原子％以上０．５原子％以下の範囲内とされている。Ｍｇ固溶層１３２の厚さは、０．１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。
　本実施形態では、活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）の内部に、Ｃｕ粒子１３５が分散している。
　活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）内に分散するＣｕ粒子１３５の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）のうちセラミックス基板１１１との界面から活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）の厚さの２０％までの界面近傍領域におけるＣｕ濃度が０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。
　活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）の厚さは、０．０３μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされている。
　本実施形態においては、セラミックス基板１１１と回路層１１２との間において、セラミックス基板１１１の接合面から回路層１１２側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされている。
　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７及び図８を参照して説明する。
　図８に示すように、回路層１１２となる銅板１２２とセラミックス基板１１１との間に、それぞれＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体（本実施形態ではＴｉ単体）及びＭｇ単体を配置する（活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１）。本実施形態では、活性金属（Ｔｉ）とＭｇを蒸着することによって、活性金属膜１２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜１２５が形成されており、銅板１２２に接触するようにＭｇ膜１２５が形成されている。
　この活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内（本実施形態では、Ｔｉを０．０２ｍｇ／ｃｍ２以上２．２５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内）、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内（０．１７ｍｇ／ｃｍ２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内）としている。
　活性金属量が０．４μｍｏｌ／ｃｍ２未満（Ｔｉ量が０．０２ｍｇ／ｃｍ２未満）、及び、Ｍｇ量が７．０μｍｏｌ／ｃｍ２未満（０．１７ｍｇ／ｃｍ２未満）の場合には、界面反応が不十分となり、接合率が低下するおそれがある。また、活性金属量が４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２を超える（Ｔｉ量が２．２５ｍｇ／ｃｍ２を超える）場合には、活性金属が多く比較的硬い金属間化合物相１３３が過剰に生成してしまい、Ｍｇ固溶層１３２が硬くなり過ぎて、セラミックス基板１１１に割れが生じるおそれがある。また、Ｍｇ量が１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２を超える（３．４８ｍｇ／ｃｍ２を超える）場合には、セラミックス基板１１１の分解反応が過剰となり、Ａｌが過剰に生成し、これらとＣｕや活性金属（Ｔｉ）やＭｇの金属間化合物が多量に生じ、セラミックス基板１１１に割れが生じるおそれがある。
　活性金属量の下限は２．８μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、活性金属量の上限は１８．８μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。また、Ｍｇ量の下限は８．８μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、Ｍｇ量の上限は３７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
　次に、銅板１２２とセラミックス基板１１１とを、活性金属膜１２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜１２５を介して積層する（積層工程Ｓ１０２）。
　本実施形態では、図８に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面側に、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材１２８を介して、金属層１１３となるアルミニウム板１２３を積層する。
　積層された銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３を、積層方向に加圧するとともに、真空炉内に装入して加熱し、銅板１２２とセラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを接合する（接合工程Ｓ１０３）。
　接合工程Ｓ１０３における加圧荷重は、０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされている。接合工程Ｓ１０３における加圧荷重は、０．２９４ＭＰａ以上１．４７ＭＰａ以下の範囲内とされていることが好ましいが、これに限定されることはない。
　接合工程Ｓ１０３における加熱温度は、ＣｕとＭｇとが接触状態で積層されていることから、ＭｇとＣｕの共晶温度以上である５００℃以上、かつ、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）の共晶温度以下である８５０℃以下とする。加熱温度の下限は７００℃以上とすることが好ましい。
　本実施形態では、アルミニウム板１２３をＡｌ－Ｓｉ系ろう材１２８を用いて接合するため、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内としている。
　接合工程Ｓ１０３における真空度は、１×１０－６Ｐａ以上１×１０－２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。
　加熱温度での保持時間は、５ｍｉｎ以上３６０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。上述のＣｕ２Ｍｇ相の面積率を低くするためには、加熱温度での保持時間の下限を６０ｍｉｎ以上とすることが好ましい。加熱温度での保持時間の上限は２４０ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
　以上のように、活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１と、積層工程Ｓ１０２と、接合工程Ｓ１０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造される。
　絶縁回路基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、ヒートシンク１５１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）。
　絶縁回路基板１１０とヒートシンク１５１とを、ろう材を介して積層し、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１１０の金属層１１３とヒートシンク１５１とを接合する。このとき、ろう材としては、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、接合工程Ｓ１０３における加熱温度よりも低温に設定することが好ましい。
　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（半導体素子接合工程Ｓ１０５）。
　以上の工程により、図５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、銅板１２２（回路層１１２）と窒化ケイ素からなるセラミックス基板１１１とが、活性金属膜１２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜１２５を介して接合されており、セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）の接合界面には、セラミックス基板１１１側に形成された活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層１３２と、が積層され、このＭｇ固溶層１３２内に、活性金属が存在している。本実施形態では、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）とを含む金属間化合物相１３３が分散しているので、第１の実施形態と同様に、回路層１１２（銅板１２２）とセラミックス基板１１１とが確実に接合された絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。また、接合界面にＡｇが存在していないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。
　本実施形態においては、活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）の内部に、Ｃｕ粒子１３５が分散しているので、銅板１２２のＣｕがセラミックス基板１１１の接合面で十分に反応していることになり、回路層１１２（銅板１２２）とセラミックス基板１１１とが強固に接合された絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）を得ることが可能となる。
　本実施形態においては、セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）との間において、セラミックス基板１１１の接合面から回路層１１２（銅板１２２）側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下に制限されているので、例えば超音波接合等を実施した場合であっても、接合界面における割れ等の発生を抑制することが可能となる。
　本実施形態の絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）の製造方法によれば、第１の実施形態と同様に、回路層１１２（銅板１２２）とセラミックス基板１１１との接合界面において、液相を適度に出現させて十分に界面反応させることができ、銅板１２２とセラミックス基板１１１とが確実に接合された絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。また、接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１１０を得ることができる。
　本実施形態では、ＣｕとＭｇとが接触状態で積層されており、接合工程Ｓ１０３における加熱温度が、ＣｕとＭｇとの共晶温度以上である５００℃以上とされているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。
　本実施形態では、積層工程Ｓ１０２において、セラミックス基板１１１の他面側にアルミニウム板１２３をＡｌ－Ｓｉ系ろう材１２８を介して積層し、銅板１２２とセラミックス基板１１１、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを同時に接合しているので、銅からなる回路層１１２とアルミニウムからなる金属層１１３とを備えた絶縁回路基板１１０を効率良く製造することができる。また、絶縁回路基板１１０における反りの発生を抑制することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　例えば、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅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。
　第２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。
　ヒートシンクとして放熱板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。例えば、冷媒が流通する流路を有するものや冷却フィンを備えたものであってもよい。ヒートシンクとしてアルミニウムやアルミニウム合金を含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）を用いることもできる。
　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。
　本実施形態では、活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属膜（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜を成膜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、活性金属とＭｇを共蒸着してもよい。この場合においても、成膜された活性金属膜及びＭｇ膜は、合金化されておらず、活性金属の単体及びＭｇ単体が配置される。共蒸着によって活性金属及びＭｇ膜を成膜した場合には、ＭｇとＣｕとが接触状態となるため、接合工程における加熱温度の下限を５００℃以上とすることができる。
　本実施形態では、活性金属としてＴｉを用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、活性金属として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上を用いてもよい。
　活性金属としてＺｒを用いた場合には、Ｍｇ固溶層において、Ｚｒは、Ｃｕとの金属間化合物相として存在する。この金属間化合物相を構成する金属間化合物としては、例えばＣｕ５Ｚｒ，Ｃｕ５１Ｚｒ１４，Ｃｕ８Ｚｒ３，Ｃｕ１０Ｚｒ７，ＣｕＺｒ，Ｃｕ５Ｚｒ８，ＣｕＺｒ２等が挙げられる。
　活性金属としてＨｆを用いた場合には、Ｍｇ固溶層において、Ｈｆは、Ｃｕとの金属間化合物相として存在する。この金属間化合物相を構成する金属間化合物としては、例えばＣｕ５１Ｈｆ１４，Ｃｕ８Ｈｆ３，Ｃｕ１０Ｈｆ７，ＣｕＨｆ２等が挙げられる。
　活性金属としてＴｉ及びＺｒを用いた場合には、Ｍｇ固溶層において、Ｔｉ及びＺｒは、Ｃｕと活性金属を含む金属間化合物相として存在する。この金属間化合物相を構成する金属間化合物としては、Ｃｕ１．５Ｚｒ０．７５Ｔｉ０．７５等が挙げられる。
　活性金属としてＮｂを用いた場合には、ＮｂはＭｇ固溶層に固溶して存在する。
　活性金属及びＭｇ配置工程においては、接合界面における活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とされていればよく、例えばＭｇ膜／活性金属膜／Ｍｇ膜のように活性金属膜とＭｇ膜を多層に積層してもよい。あるいは、活性金属膜とＭｇ膜の間にＣｕ膜を成膜してもよい。
　活性金属の単体及びＭｇ単体は、箔材を配置してもよいし、スパッタリングによって成膜してもよい。
　本実施形態では、絶縁回路基板の回路層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＞
　表１に示す構造の銅／セラミックス接合体を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角のセラミックス基板の両面に、表１に示すように、活性金属としてＴｉ単体及びＭｇ単体を成膜した銅板を積層し、表１に示す接合条件で接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。
　セラミックス基板の厚さは窒化アルミニウムの場合は厚さ０．６３５ｍｍ、窒化ケイ素の場合は厚さ０．３２ｍｍを用いた。また、接合時の真空炉の真空度は５×１０－３Ｐａ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、接合界面を観察して活性金属窒化物層（窒化チタン層）、Ｍｇ固溶層、金属間化合物相、活性金属窒化物層（窒化チタン層）中のＣｕ粒子の有無及びＣｕ濃度、を確認した。また、銅／セラミックス接合体の初期接合率、冷熱サイクル後のセラミックス基板の割れ、マイグレーション性を、以下のように評価した。
（Ｍｇ固溶層）
　銅板とセラミックス基板との接合界面を、ＥＰＭＡ装置（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）を観察し、セラミックス基板表面（活性金属窒化物層表面）から銅板側に向かって１０μｍ間隔の１０点で定量分析を行い、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上である領域をＭｇ固溶層とした。
（Ｍｇ固溶層における活性金属の有無（金属間化合物相の有無）
　銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）の活性金属（Ｔｉ）の元素ＭＡＰを取得し、活性金属（Ｔｉ）の有無を確認した。また、活性金属（Ｔｉ）の存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、活性金属濃度（Ｔｉ濃度）が１６原子以上９０原子％以下を満たした領域を金属間化合物相とした。
（活性金属窒化物層）
　銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ　ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ（ＥＤＳ検出器付き））を用いて、倍率１１５０００倍、加速電圧２００ｋＶの条件で観察を行い、エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）を用いてマッピングを行い、活性金属（Ｔｉ）とＮが重なる領域において、１ｎｍ程度に絞った電子ビームを照射すること（ＮＢＤ（ナノビーム回折）法）で電子回折図形を得て、活性金属窒化物層（窒化チタン層）の有無を確認した。
　活性金属窒化物層（窒化チタン層）と確認された領域におけるＣｕ粒子の有無を確認し、この領域における定量分析の５点平均から得られたＣｕ濃度を、活性金属窒化物層（窒化チタン層）内に分散されたＣｕの平均濃度とした。
（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。　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）×１００
（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、気相で、１サイクルが－５０℃で１０分と１５０℃で１０分であるサイクルを３００サイクル実施した。
　上述の冷熱サイクルを負荷した後のセラミックス基板の割れの有無を評価した。
（マイグレーション）
　回路層の回路パターン間距離０．８ｍｍ、温度６０℃、湿度９５％ＲＨ、電圧ＤＣ５０Ｖの条件で、５００時間放置後に、回路パターン間の電気抵抗を測定した。抵抗値が１×１０６Ω以下となった場合を短絡したと判断し、「Ｂ」とした。抵抗値が１×１０６Ω以下とならなかった場合を「Ａ」とした。
　評価結果を表２に示す。また、本発明例５の観察結果を図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属量（Ｔｉ量）が０．１μｍｏｌ／ｃｍ２（０．００５ｍｇ／ｃｍ２）と本発明の範囲よりも少ない比較例１においては、初期接合率が低くなった。Ｍｇ固溶層に、金属間化合物相として活性金属（Ｔｉ）が存在しておらず、界面反応が不十分だったためと推測される。
　活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属量（Ｔｉ量）が６６．９μｍｏｌ／ｃｍ２（３．２０ｍｇ／ｃｍ２）と本発明の範囲よりも多い比較例２においては、セラミックス基板の割れが確認された。比較的硬い金属間化合物相が多量に形成されたためと推測される。
　活性金属及びＭｇ配置工程において、Ｍｇ量が２．１μｍｏｌ／ｃｍ２（０．０５ｍｇ／ｃｍ２）と本発明の範囲よりも少ない比較例３においては、初期接合率が低くなった。Ｍｇ固溶層が観察されておらず、界面反応が不十分だったためと推測される。
　活性金属及びＭｇ配置工程において、Ｍｇ量が２２０．１μｍｏｌ／ｃｍ２（５．３５ｍｇ／ｃｍ２）と本発明の範囲よりも多い比較例４においては、セラミックス基板の割れが確認された。セラミックス基板の分解反応が過剰となり、Ａｌが過剰に生成し、これらとＣｕや活性金属（Ｔｉ）やＭｇの金属間化合物が多量に生じたためと推測される。
　Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材を用いてセラミックス基板と銅板を接合した従来例においては、マイグレーションが「Ｂ」と判断された。接合界面にＡｇが存在するためと推測される。
　これに対して、本発明例１～１２においては、初期接合率も高く、セラミックス基板の割れも確認されなかった。また、マイグレーションも良好であった。
　図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｃに示すように、接合界面を観察した結果、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）、Ｍｇ固溶層３２が観察され、このＭｇ固溶層３２の内部に金属間化合物相３３が分散していることが観察された。
＜実施例２＞
　表３に示す構造の銅／セラミックス接合体を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角のセラミックス基板の両面に、表３に示すように、活性金属の単体及びＭｇ単体を成膜した銅板を積層し、表３に示す接合条件で接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。セラミックス基板の厚さは窒化アルミニウムの場合は厚さ０．６３５ｍｍ、窒化ケイ素の場合は厚さ０．３２ｍｍを用いた。また、接合時の真空炉の真空度は５×１０－３Ｐａ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、実施例１と同様に、接合界面を観察して、活性金属窒化物層、Ｍｇ固溶層、Ｍｇ固溶層における活性金属の有無（金属間化合物相の有無）、活性金属窒化物層中のＣｕ粒子の有無及びＣｕ濃度、を確認した。また、銅／セラミックス接合体の初期接合率、冷熱サイクル後のセラミックス基板の割れ、マイグレーション性は、実施例１と同様に評価した。評価結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属量（Ｚｒ量）が５０．４μｍｏｌ／ｃｍ２と本発明の範囲よりも多い比較例２１、及び、活性金属量（Ｎｂ量）が６１．２μｍｏｌ／ｃｍ２と本発明の範囲よりも多い比較例２２においては、セラミックス基板の割れが確認された。Ｍｇ固溶層に存在する活性金属量が多く、Ｍｇ固溶層が硬くなったためと推測される。
　活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属量（Ｈｆ量）が０．２μｍｏｌ／ｃｍ２と本発明の範囲よりも少ない比較例２３、及び、活性金属量（Ｈｆ量＋Ｎｂ量）が０．２μｍｏｌ／ｃｍ２と本発明の範囲よりも少ない比較例２４においては、初期接合率が低くなった。
　これに対して、本発明例２１～２７においては、初期接合率も高く、セラミックス基板の割れも確認されなかった。また、マイグレーションも良好であった。
　以上のことから、本発明例によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体（絶縁回路基板）を提供可能であることが確認された。
＜実施例３＞
　表５に示す構造の絶縁回路基板を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角のセラミックス基板の両面に、表５に示すように、活性金属の単体及びＭｇ単体を成膜した銅板を積層し、表５に示す接合条件で接合し、回路層を有する絶縁回路基板を形成した。セラミックス基板の厚さは窒化アルミニウムの場合は厚さ０．６３５ｍｍ、窒化ケイ素の場合は厚さ０．３２ｍｍを用いた。また、接合時の真空炉の真空度は５×１０－３Ｐａとした。
　このようにして得られた絶縁回路基板について、セラミックス基板と回路層との接合界面におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率、及び、回路層に超音波接合した端子のプル強度を、以下のようにして評価した。
（Ｃｕ２Ｍｇ相の面積率）
　銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率７５０倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（１２０μｍ×１６０μｍ）のＭｇの元素ＭＡＰを取得し、Ｍｇの存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｍｇ濃度が３０原子％以上４０原子％以下を満たした領域をＣｕ２Ｍｇ相とした。
　観察視野内において、セラミックス基板の接合面とセラミックス基板の接合面から銅板側へ５０μｍまでの領域の面積Ａを求める。この領域内においてＣｕ２Ｍｇ相の面積Ｂを求め、Ｃｕ２Ｍｇ相の面積率Ｂ／Ａ×１００（％）を求めた。上述のようにＣｕ２Ｍｇ相の面積率を５視野で測定し、その平均値を表５に記載した。
（プル強度）
　図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、絶縁回路基板の回路層の上に、ステージ４０を含む超音波金属接合機（超音波工業株式会社製６０Ｃ－９０４）を用いて、銅端子（幅：５ｍｍ、厚さＴ：１．０ｍｍ、長さＬ１：２０ｍｍ、長さＬ２：１０ｍｍ）を、コプラス量０．３ｍｍの条件で超音波接合した。
　ツール速度Ｙが５ｍｍ／ｓ，ステージ速度Ｘが５ｍｍ／ｓの条件で銅端子をプルしたときの破断荷重を接合面積で割った値をプル強度として表５に記載した。
　本発明例３１～４３を比較すると、Ｃｕ２Ｍｇ相の面積率が低いほど、プル強度が高くなることが確認された。よって、超音波接合性を向上させる場合には、Ｃｕ２Ｍｇ相の面積率を低く抑えることが効果的であることが確認された。
　本発明によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。
１０、１１０　絶縁回路基板
１１、１１１　セラミックス基板
１２、１１２　回路層
１３、１１３　金属層
２２、２３、１２２　銅板
３１、１３１　活性金属窒化物層
３２、１３２　Ｍｇ固溶層
３３、１３３　金属間化合物相
３５、１３５　Ｃｕ粒子

Claims (14)

  1. 　銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウム又は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間においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、前記活性金属窒化物層と前記銅部材との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
    　前記Ｍｇ固溶層には、前記活性金属が存在することを特徴とする銅／セラミックス接合体。
  2. 　前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属を含む金属間化合物相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. 　前記活性金属窒化物層の内部に、Ｃｕ粒子が分散されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。
  4. 　前記活性金属がＴｉであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体。
  5. 　前記セラミックス部材と前記銅部材との間において、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下であることを特徴とする請求項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。
  6. 　窒化アルミニウム又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板が接合されてなる絶縁回路基板であって、
    　前記銅板と前記セラミックス基板との間においては、前記セラミックス基板側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
    　前記Ｍｇ固溶層には、前記活性金属が存在することを特徴とする絶縁回路基板。
  7. 　前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属を含む金属間化合物相が分散されていることを特徴とする請求項６に記載の絶縁回路基板。
  8. 　前記活性金属窒化物層の内部に、Ｃｕ粒子が分散されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の絶縁回路基板。
  9. 　前記活性金属がＴｉであることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
  10. 　前記セラミックス基板と前記銅板との間において、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ２Ｍｇ相の面積率が１５％以下であることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
  11. 　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体を製造する銅／セラミックス接合体の製造方法であって、
    　前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体及びＭｇ単体を配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、
    　前記銅部材と前記セラミックス部材とを、前記活性金属の単体及び前記Ｍｇ単体を介して積層する積層工程と、
    　前記活性金属の単体及び前記Ｍｇ単体を介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
    　を備えており、
    　前記活性金属及びＭｇ配置工程では、前記活性金属の単体の活性金属量が０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下であり、前記Ｍｇ単体のＭｇ量が７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下であることを特徴とする銅／セラミックス接合体の製造方法。
  12. 　前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下であり、
    　前記接合工程における加熱温度は、前記銅板のＣｕと前記Ｍｇ単体のＭｇとが接触状態で積層されている場合は５００℃以上８５０℃以下であり、前記Ｃｕと前記Ｍｇとが非接触状態で積層されている場合は６７０℃以上８５０℃以下であることを特徴とする請求項１１に記載の銅／セラミックス接合体の製造方法。
  13. 　窒化アルミニウム又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板が接合されてなる絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、
    　前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体及びＭｇ単体を配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、
    　前記銅板と前記セラミックス基板とを、前記活性金属の単体及び前記Ｍｇ単体を介して積層する積層工程と、
    　前記活性金属の単体及び前記Ｍｇ単体を介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
    　を備えており、
    　前記活性金属及びＭｇ配置工程では、前記活性金属の単体の活性金属量が０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以下であり、前記Ｍｇ単体のＭｇ量が７．０μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ２以下であることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
  14. 　前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下であり、
    　前記接合工程における加熱温度は、前記銅板のＣｕと前記Ｍｇ単体のＭｇとが接触状態で積層されている場合は５００℃以上８５０℃以下であり、前記Ｃｕと前記Ｍｇとが非接触状態で積層されている場合は６７０℃以上８５０℃以下であることを特徴とする請求項１３に記載の絶縁回路基板の製造方法。
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