WO2023008562A1 - 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 - Google Patents

銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 Download PDF

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Definitions

  • the present invention provides a copper/ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member are joined together, and an insulating circuit in which a copper plate made of copper or a copper alloy is joined to the surface of a ceramic substrate. It relates to substrates.
  • a power module, an LED module, and a thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are joined to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one side of an insulating layer.
  • power semiconductor elements for high power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc. generate a large amount of heat during operation.
  • Patent Document 1 proposes an insulated circuit board in which a circuit layer and a metal layer are formed by bonding copper plates to one side and the other side of a ceramic substrate.
  • copper plates are arranged on one surface and the other surface of a ceramic substrate with an Ag—Cu—Ti brazing material interposed therebetween, and the copper plates are joined by heat treatment (so-called active metal brazing method).
  • Patent Document 2 proposes a power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy and a ceramic substrate made of AlN or Al 2 O 3 are bonded using a bonding material containing Ag and Ti. ing.
  • an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy and a ceramic substrate are made of an alloy such as Al—Si, Al—Ge, Al—Cu, Al—Mg, or Al—Mn.
  • a power module substrate bonded using a brazing material consisting of In Patent Document 3 a projecting portion is formed around a circuit layer formed on one surface of the ceramic substrate and a heat dissipation layer formed on the other surface of the ceramic substrate. As a result, the insulation between the circuit layer and the heat dissipation layer is ensured, and the heat capacity of the circuit layer and the heat dissipation layer is increased.
  • Japanese Patent No. 3211856 (B) Japanese Patent No. 5757359 (B) Japanese Patent No. 5957862 (B)
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and provides a copper/ceramic bonded body having excellent thermal cycle reliability and sufficiently suppressed occurrence of brazing stains, and this copper/ceramic bonded body.
  • An object of the present invention is to provide an insulated circuit board comprising:
  • a copper/ceramic joined body is a copper/ceramic joined body formed by joining a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member, At the joint interface between the ceramic member and the copper member, the distance between the ceramic member and the copper member at the end of the copper member is set to be within a range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and the end of the copper member It is characterized in that the void ratio in the partial region is 10% or less.
  • the distance between the ceramic member and the copper member at the end of the copper member is 3 ⁇ m at the joint interface between the ceramic member and the copper member.
  • the void ratio in the end region of the copper member is set to 10% or less, the thickness of the bonding layer on the end face is secured, and the strength of the end can be sufficiently secured. Become. Therefore, it is possible to suppress cracking and peeling of the ceramic member when a thermal cycle is applied.
  • the distance between the ceramic member and the copper member at the end portion of the copper member is set to 30 ⁇ m or less, the protrusion of the bonding material can be suppressed, and the occurrence of “brazing stain” can be suppressed. .
  • an active metal compound layer is formed on the ceramic member side at the joint interface between the ceramic member and the copper member, and the copper member
  • the thickness t1A of the active metal compound layer at the end portion of the copper member and the thickness t1B of the active metal compound layer at the central portion of the copper member are in the range of 0.05 ⁇ m or more and 1.2 ⁇ m or less, and the thickness It is preferable that the ratio t1A / t1B is in the range of 0.7 or more and 1.4 or less.
  • the thickness t1A of the active metal compound layer at the end portion of the copper member and the thickness t1B of the active metal compound layer at the central portion of the copper member are in the range of 0.05 ⁇ m or more and 1.2 ⁇ m or less. Since the active metal is set to be inside, the ceramic member and the copper member are reliably and firmly joined by the active metal, and hardening of the joining interface is further suppressed. Further, since the thickness ratio t1A / t1B is within the range of 0.7 or more and 1.4 or less, there is no large difference in the hardness of the joint interface between the end portion and the central portion of the copper member. , it is possible to further suppress the occurrence of cracks in the ceramic member under thermal cycle load.
  • an Ag—Cu alloy layer is formed on the copper member side at the bonding interface between the ceramic member and the copper member, and the copper member
  • the thickness t2 A of the Ag—Cu alloy layer at the end portion of the copper member and the thickness t2 B of the Ag—Cu alloy layer at the central portion of the copper member are in the range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and the thickness ratio t2 A / t2B is preferably in the range of 0.7 or more and 1.4 or less.
  • the thickness t2A of the Ag—Cu alloy layer at the end portion of the copper member and the thickness t2B of the Ag — Cu alloy layer at the central portion of the copper member are in the range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • the Ag of the bonding material reacts sufficiently with the copper member to reliably and firmly bond the ceramic member and the copper member together, and hardening of the bonding interface is further suppressed.
  • the thickness ratio t2A / t2B is within the range of 0.7 or more and 1.4 or less, there is a large difference in the hardness of the bonding interface between the end portion and the central portion of the copper member. Moreover, it is possible to further suppress the occurrence of cracks in the ceramic member under thermal cycle load.
  • An insulated circuit board is an insulated circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to a surface of a ceramic substrate, wherein the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate includes: The distance between the ceramic substrate and the copper plate at the edge of the copper plate is in the range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and the void ratio in the edge region of the copper plate is 10% or less.
  • the distance between the ceramic substrate and the copper plate at the end of the copper plate is set to 3 ⁇ m or more at the joint interface between the ceramic substrate and the copper plate. Since the void ratio in the edge region of the copper plate is set to 10% or less, the thickness of the bonding layer at the edge is ensured, and the strength of the edge can be sufficiently ensured. Therefore, it is possible to suppress cracking and peeling of the ceramic substrate when a thermal cycle is applied. In addition, since the distance between the ceramic substrate and the copper plate at the end of the copper plate is set to 30 ⁇ m or less, the protrusion of the bonding material can be suppressed, and the occurrence of “brazing stain” can be suppressed.
  • the thickness t1A of the active metal compound layer at the end of the copper plate and the thickness t1B of the active metal compound layer at the central portion of the copper plate are It is preferable that the thickness is in the range of 0.05 ⁇ m or more and 1.2 ⁇ m or less, and the thickness ratio t1A / t1B is in the range of 0.7 or more and 1.4 or less.
  • the thickness t1A of the active metal compound layer at the edge of the copper plate and the thickness t1B of the active metal compound layer at the central portion of the copper plate are in the range of 0.05 ⁇ m or more and 1.2 ⁇ m or less. Therefore, the ceramic substrate and the copper plate are reliably and strongly bonded by the active metal, and hardening of the bonding interface is further suppressed. Further, since the thickness ratio t1A / t1B is in the range of 0.7 or more and 1.4 or less, there is no large difference in the hardness of the joint interface between the end portion and the central portion of the copper plate, It is possible to further suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate under a thermal cycle load.
  • an Ag—Cu alloy layer is formed on the side of the copper plate at the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate, and at the end of the copper plate.
  • the thickness t2 A of the Ag--Cu alloy layer and the thickness t2 B of the Ag--Cu alloy layer at the central portion of the copper plate are in the range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and the thickness ratio t2 A /t2 B is 0. .7 or more and 1.4 or less.
  • the thickness t2A of the Ag--Cu alloy layer at the edge of the copper plate and the thickness t2B of the Ag--Cu alloy layer at the central portion of the copper plate are in the range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less. Therefore, the Ag of the bonding material sufficiently reacts with the copper plate to ensure firm bonding between the ceramic substrate and the copper plate, and hardening of the bonding interface is further suppressed. Further, since the thickness ratio t2A / t2B is within the range of 0.7 or more and 1.4 or less, there is no large difference in the hardness of the joint interface between the end portion and the central portion of the copper plate, It is possible to further suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate under a thermal cycle load.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION it is possible to provide a copper/ceramic bonded body excellent in thermal cycle reliability and sufficiently inhibiting the occurrence of brazing stains, and an insulated circuit board made of this copper/ceramic bonded body. .
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a power module using an insulated circuit board according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is an enlarged explanatory view of end portions of the circuit layer and the metal layer of the insulated circuit board according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between a circuit layer and a metal layer of an insulated circuit board and a ceramic substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3B is an enlarged view of an end portion of a bonding interface in the insulating circuit board of FIG. 3A
  • 3B is an enlarged view of the central portion of the bonding interface in the insulating circuit board of FIG. 3A
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing an insulated circuit board according to an embodiment of the present invention
  • FIG. It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on embodiment of this invention.
  • the copper/ceramic bonded body according to the present embodiment includes a ceramic substrate 11 as a ceramic member made of ceramics, and a copper plate 42 (circuit layer 12) and a copper plate 43 (metal layer 13) as copper members made of copper or a copper alloy. is an insulating circuit board 10 formed by bonding the .
  • FIG. 1 shows a power module 1 having an insulated circuit board 10 according to this embodiment.
  • This power module 1 includes an insulating circuit board 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are arranged, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a bonding layer 2. and a heat sink 5 arranged on the other side (lower side in FIG. 1) of the metal layer 13 .
  • the semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si.
  • the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded via the bonding layer 2 .
  • the bonding layer 2 is made of, for example, a Sn--Ag-based, Sn--In-based, or Sn--Ag--Cu-based solder material.
  • the heat sink 5 is for dissipating heat from the insulating circuit board 10 described above.
  • the heat sink 5 is made of copper or a copper alloy, and is made of phosphorus-deoxidized copper in this embodiment.
  • the heat sink 5 is provided with a channel through which cooling fluid flows.
  • the heat sink 5 and the metal layer 13 are joined by a solder layer 7 made of a solder material.
  • the solder layer 7 is made of, for example, a Sn--Ag-based, Sn--In-based, or Sn--Ag--Cu-based solder material.
  • the insulating circuit board 10 of the present embodiment includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 provided on one surface (upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and a ceramic substrate. and a metal layer 13 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 1) of the substrate 11 .
  • the ceramics substrate 11 is made of ceramics such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3 ), etc., which are excellent in insulation and heat dissipation.
  • the ceramic substrate 11 is made of aluminum nitride (AlN), which has excellent heat dissipation properties.
  • the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of, for example, 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in this embodiment.
  • the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 42 made of copper or a copper alloy to one surface (upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11. As shown in FIG. In this embodiment, the circuit layer 12 is formed by bonding a rolled plate of oxygen-free copper to the ceramic substrate 11 .
  • the thickness of the copper plate 42 that forms the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • the metal layer 13 is formed by bonding a copper plate 43 made of copper or a copper alloy to the other surface (lower surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11. As shown in FIG. In this embodiment, the metal layer 13 is formed by bonding a rolled plate of oxygen-free copper to the ceramic substrate 11 .
  • the thickness of the copper plate 43 that forms the metal layer 13 is set within a range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • a distance h between the substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is in the range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less. Furthermore, in the insulating circuit board 10 of the present embodiment, as shown in FIG. The void ratio is set to 10% or less.
  • the end region in the present embodiment means that, as shown in FIG. 2 , the end region in the present embodiment means that, as shown in FIG. From the surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 and the metal layer 13 side, starting from the intersection point P of the ceramic substrate 11 and the perpendicular line from the end face position of the circuit layer 12 and the metal layer 13 at the position of 1/3 of the thickness of the ceramic substrate 13 The area has a height of 30 ⁇ m and a width of 400 ⁇ m toward the central portion of the circuit layer 12 and the metal layer 13 along the surface of the ceramic substrate 11 .
  • the end region means the position of the circuit layer 12 and the metal layer 13 at a position 1 ⁇ 3 of the thickness of the circuit layer 12 and the metal layer 13 from the ceramic substrate 11 . 1/3 of the thickness of the circuit layer 12 and the metal layer 13 from the surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 and the metal layer 13 side, starting from the intersection P of the perpendicular line from the end face position of the layer 13 and the ceramic substrate 11 and a width of 400 ⁇ m along the surface of the ceramic substrate 11 toward the central portion of the circuit layer 12 and the metal layer 13 . Furthermore, the void fraction is calculated as follows.
  • the region where the metal constituting the circuit layer 12 and the metal layer 13 does not exist is defined as the void portion, and the ratio of the void portion in the above-mentioned end region is defined as the void ratio.
  • the active metal compound layers are sequentially formed from the ceramic substrate 11 side.
  • 21 and an Ag—Cu alloy layer 22 are preferably formed.
  • the active metal compound layer 21 is part of the ceramic substrate (ceramic member) 11 .
  • the Ag—Cu alloy layer 22 is part of the circuit layer (copper member) 12 and the metal layer (copper member) 13 . Therefore, the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and metal layer 13 (copper plates 42 and 43) is the interface between the active metal compound layer 21 and the Ag--Cu alloy layer 22.
  • FIG. Without the Ag—Cu alloy layer 22, the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 (copper plates 42 and 43) is the active metal compound layer 21, the circuit layer 12 and the metal layer 13 (copper plate 42 , 43).
  • the end A of the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is located in the lamination direction of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the ceramic substrate 11, as shown in FIG. 3A. 200 ⁇ m inward in the width direction from the width direction end portions of the circuit layer 12 and the metal layer 13 in the cross section along .
  • the central portion B of the bonding interface between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13 is a cross section along the lamination direction of the circuit layer 12, the metal layer 13, and the ceramic substrate 11. , a region of 200 ⁇ m in the width direction including the centers of the circuit layer 12 and the metal layer 13 in the width direction.
  • the thickness t1B of the active metal compound layer 21B formed in the central portion B of the bonding interface with the metal layer 13 is set to be in the range of 0.05 ⁇ m or more and 1.2 ⁇ m or less, and the thickness ratio t1A /t1 B is preferably in the range of 0.7 or more and 1.4 or less.
  • the active metal compound layers 21A and 21B are layers made of compounds of active metals (one or more selected from Ti, Zr, Nb, and Hf) used in the bonding material 45 . More specifically, when the ceramic substrate is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or aluminum nitride (AlN), the layer becomes a nitride of these active metals, and the ceramic substrate is made of alumina (Al 2 O 3 ), the layer consists of oxides of these active metals.
  • the active metal compound layers 21A and 21B are formed by aggregating active metal compound particles. The average particle size of these particles is 10 nm or more and 100 nm or less.
  • the bonding material 45 contains Ti as an active metal and the ceramic substrate 11 is made of aluminum nitride
  • the active metal compound layers 21 (21A, 21B) are made of titanium nitride (TiN). Configured. That is, particles of titanium nitride (TiN) having an average particle diameter of 10 nm or more and 100 nm or less are aggregated and formed.
  • the thickness t2B of the Ag—Cu alloy layer 22B formed in the central portion B of the bonding interface between the layer 12 and the metal layer 13 is set within a range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, and the thickness ratio t2A /t2 B is preferably in the range of 0.7 or more and 1.4 or less.
  • FIG. 1 A method for manufacturing the insulating circuit board 10 according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 1 A method for manufacturing the insulating circuit board 10 according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • a copper plate 42 to be the circuit layer 12 and a copper plate 43 to be the metal layer 13 are prepared.
  • a chamfered portion is formed on the peripheral portion of the surface facing the ceramic substrate 11 side.
  • a bonding material 45 is applied to the bonding surfaces of the copper plate 42 to be the circuit layer 12 and the copper plate 43 to be the metal layer 13 and dried.
  • the coating thickness of the paste-like bonding material 45 is preferably within the range of 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less after drying. In this embodiment, the paste bonding material 45 is applied by screen printing.
  • the bonding material 45 contains Ag and an active metal (one or more selected from Ti, Zr, Nb, and Hf).
  • an Ag--Ti based brazing material (Ag--Cu--Ti based brazing material) is used as the bonding material 45.
  • Ag--Ti-based brazing material (Ag--Cu--Ti-based brazing material)
  • Cu is in the range of 0 mass% or more and 45 mass% or less
  • Ti which is an active metal
  • the Ag equivalent film thickness and the mass ratio Ag/active metal between Ag and active metal are adjusted. This makes it possible to control the absolute amount and fluidity of the Ag—Cu liquid phase generated in the pressurization and heating step S03, which will be described later.
  • the equivalent film thickness of Ag is preferably 2.5 ⁇ m or more, more preferably 3.5 ⁇ m or more.
  • the equivalent film thickness of Ag is preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 15 ⁇ m or less.
  • the mass ratio Ag/active metal of Ag to active metal is preferably 8 or more, more preferably 12 or more.
  • the mass ratio Ag/active metal between Ag and active metal is preferably 60 or less, more preferably 45 or less.
  • the specific surface area of the Ag powder contained in the bonding material 45 is preferably 0.15 m 2 /g or more, more preferably 0.25 m 2 /g or more, and more preferably 0.40 m 2 /g or more. is more preferable.
  • the specific surface area of the Ag powder contained in the bonding material 45 is preferably 1.40 m 2 /g or less, more preferably 1.00 m 2 /g or less, and 0.75 m 2 /g or less. is more preferable.
  • the particle size of the Ag powder contained in the paste-like bonding material 45 preferably has a D10 of 0.7 ⁇ m or more and 3.5 ⁇ m or less and a D100 of 4.5 ⁇ m or more and 23 ⁇ m or less. In the particle size distribution measured by the laser diffraction scattering particle size distribution measurement method, D10 is the particle size at which the cumulative frequency is 10% on a volume basis, and D100 is the particle size at which the cumulative frequency is 100% on a volume basis. be.
  • a copper plate 42 to be the circuit layer 12 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 (upper surface in FIG. 5) with a bonding material 45 interposed therebetween, and on the other surface of the ceramic substrate 11 (lower surface in FIG. 5).
  • a copper plate 43 to be the metal layer 13 is laminated with a bonding material 45 interposed therebetween.
  • the chamfered portions are formed on the peripheral edge portions of the copper plate 42 that forms the circuit layer 12 and the copper plate 43 that forms the metal layer 13 , a gap is formed at the end portion of the ceramic substrate 11 .
  • the heating temperature in the pressurizing and heating step S03 is preferably in the range of 800° C. or higher and 850° C. or lower. It is preferable that the sum of the temperature integral values in the heating step from 780° C. to the heating temperature and the holding step at the heating temperature be in the range of 7° C.h or more and 80° C.h or less.
  • the pressure load in the pressurization and heating step S03 is preferably within the range of 0.029 MPa or more and 2.94 MPa or less.
  • the degree of vacuum in the pressurizing and heating step S03 is preferably in the range of 1 ⁇ 10 ⁇ 6 Pa or more and 5 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less.
  • the cooling rate in this cooling step S04 is preferably within the range of 2° C./min or more and 20° C./min or less.
  • the cooling rate here is the cooling rate from the heating temperature to 780° C., which is the Ag—Cu eutectic temperature.
  • the insulated circuit board 10 of the present embodiment is manufactured through the bonding material disposing step S01, the laminating step S02, the pressurizing and heating step S03, and the cooling step S04.
  • Heat-sink bonding step S05 Next, the heat sink 5 is bonded to the other side of the metal layer 13 of the insulated circuit board 10 .
  • the insulating circuit board 10 and the heat sink 5 are laminated with a solder material interposed therebetween and placed in a heating furnace.
  • semiconductor element bonding step S06 Next, the semiconductor element 3 is soldered to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 .
  • the power module 1 shown in FIG. 1 is produced by the above-described steps.
  • the circuit layer 12 and the metal layer 13 at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13, the circuit layer 12 and the metal layer.
  • the distance h between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 at the end of the circuit layer 13 is set to 3 ⁇ m or more, and the void ratio in the end region of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is set to 10% or less. Therefore, the thickness of the bonding layer on the end surface is ensured, and the strength of the end portions of the circuit layer 12 and the metal layer 13 can be sufficiently ensured. Therefore, it is possible to suppress cracking and peeling of the ceramic substrate 11 when a thermal cycle is applied.
  • the distance h between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 at the ends of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is 30 ⁇ m or less, the protrusion of the bonding material 45 can be suppressed. It is possible to suppress the occurrence of stains.
  • the distance h between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and metal layer 13 at the ends of the circuit layer 12 and metal layer 13 is preferably 5 ⁇ m or more, more preferably 8 ⁇ m or more.
  • the distance h between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and metal layer 13 at the ends of the circuit layer 12 and metal layer 13 is preferably 25 ⁇ m or less, more preferably 20 ⁇ m or less.
  • the void ratio in the end region E of the circuit layer 12 and the metal layer 13 at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and the metal layer 13 is preferably 8% or less, and preferably 5% or less. is more preferred.
  • the thickness t1 A of the active metal compound layer 21A formed at the end portion A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 , and the thickness t1 A formed at the central portion B of the circuit layer 12 and the metal layer 13 When the thickness t1B of the active metal compound layer 21B is in the range of 0.05 ⁇ m or more and 1.2 ⁇ m or less, the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 and the metal layer 13 are reliably firmly bonded by the active metal. , and hardening of the bonding interface is further suppressed.
  • the thickness t1 A of the active metal compound layer 21A formed at the end A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is preferably 0.08 ⁇ m or more, more preferably 0.15 ⁇ m or more.
  • the thickness t1B of the active metal compound layer 21B formed in the central portion B of the metal layer 13 is preferably 1.0 ⁇ m or less, more preferably 0.6 ⁇ m or less.
  • the thickness t1 A of the active metal compound layer 21A formed at the end A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the active metal layer 21A formed at the central portion B of the circuit layer 12 and the metal layer 13 When the thickness ratio t1A / t1B to the thickness t1B of the compound layer 21B is in the range of 0.7 to 1.4, the ends A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 There is no large difference in the hardness of the joint interface between the center portion b and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 during thermal cycle loads.
  • the thickness t1 A of the active metal compound layer 21A formed at the end A of the circuit layer 12 and the metal layer 13, and Further, the ratio t1A / t1B of the thickness t1B of the active metal compound layer 21B formed in the central portion B of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is in the range of 0.8 or more and 1.2 or less. Preferably, it is more preferably in the range of 0.9 or more and 1.1 or less.
  • the thickness t2 A of the Ag—Cu alloy layer 22A formed at the end A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the thickness t2 A formed at the central portion B of the circuit layer 12 and the metal layer 13 When the thickness t2B of the Ag—Cu alloy layer 22B is in the range of 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less, the Ag of the bonding material 45, which will be described later, reacts sufficiently with the circuit layer 12 and the metal layer 13. , the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 and the metal layer 13 are reliably and strongly bonded together, and hardening of the bonding interface is further suppressed.
  • the Ag—Cu alloy layer 22A formed at the end A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 should have a thickness t2 A
  • the thickness t2B of the Ag—Cu alloy layer 22B formed in the center portion B of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is preferably 5 ⁇ m or more, more preferably 7 ⁇ m or more.
  • the thickness t2 A of the Ag—Cu alloy layer 22A formed at the end A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the thickness t2 A of the circuit layer is preferably 25 ⁇ m or less, more preferably 20 ⁇ m or less.
  • the thickness t2 A of the Ag—Cu alloy layer 22A formed at the end A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 and the thickness t2 A formed at the central portion B of the circuit layer 12 and the metal layer 13 When the ratio t2 A /t2 B to the thickness t2 B of the Ag—Cu alloy layer 22B is within the range of 0.7 or more and 1.4 or less, the end portions of the circuit layer 12 and the metal layer 13 There is no large difference in the hardness of the bonding interface between A and the central portion B, and cracking of the ceramic substrate under thermal cycle load can be further suppressed.
  • the thickness t2A of the Ag—Cu alloy layer 22A formed at the end A of the circuit layer 12 and the metal layer 13 is set within the range of 0.8 or more and 1.2 or less. is more preferable, and more preferably within the range of 0.9 or more and 1.1 or less.
  • a power module is configured by mounting a semiconductor element on an insulated circuit board, but the present invention is not limited to this.
  • an LED module may be configured by mounting an LED element on the circuit layer of the insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on the circuit layer of the insulating circuit board.
  • the ceramic substrate is made of aluminum nitride ( AlN).
  • other ceramic substrates such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) may be used.
  • Ti was used as an example of the active metal contained in the bonding material. It suffices if it contains the above active metals. These active metals may be contained as hydrides.
  • the circuit layer was described as being formed by bonding a rolled plate of oxygen-free copper to a ceramic substrate, but the present invention is not limited to this, and a copper piece punched out of a copper plate is used.
  • a circuit layer may be formed by bonding to a ceramic substrate while being arranged in a circuit pattern. In this case, each copper piece should have the interface structure with the ceramic substrate as described above.
  • a ceramic substrate (40 mm ⁇ 40 mm) shown in Table 1 was prepared.
  • the thickness of AlN and Al 2 O 3 was 0.635 mm, and the thickness of Si 3 N 4 was 0.32 mm.
  • a copper plate made of oxygen-free copper and having a thickness of 37 mm ⁇ 37 mm and having a thickness shown in Table 1 was prepared as a copper plate serving as a circuit layer and a metal layer.
  • a chamfered portion was formed on the peripheral edge portion on the ceramic substrate side.
  • a bonding material was applied to the copper plate that was to become the circuit layer and the metal layer.
  • a paste material was used as the bonding material, and the amounts of Ag, Cu, and active metal were as shown in Table 1.
  • Table 1 the Ag-equivalent thickness and the mass ratio Ag/active metal between Ag and active metal were adjusted.
  • a copper plate which will be the circuit layer, is laminated on one side of the ceramic substrate.
  • a copper plate serving as a metal layer was laminated on the other surface of the ceramic substrate.
  • This laminate was heated while being pressed in the lamination direction to generate an Ag—Cu liquid phase.
  • the pressure load was set to 0.294 MPa, and the temperature integral value was set as shown in Table 1. Then, by cooling the heated laminate, the copper plate serving as the circuit layer, the ceramic substrate, and the metal plate serving as the metal layer were bonded to obtain an insulated circuit substrate (copper/ceramic bonded body).
  • the void ratio at the edge the distance between the ceramic substrate and the copper plate at the edge, the active metal compound layer, the Ag—Cu alloy layer, the thermal cycle reliability, The presence or absence of waxy stains was evaluated as follows.
  • the insulating circuit substrate described above was subjected to the following cooling and heating cycles, and the presence or absence of cracks in the ceramics was determined by SAT inspection (ultrasonic inspection).
  • Table 2 shows the evaluation results.
  • the number of occurrences of ceramic cracks in Table 2 means the number of thermal cycles required until ceramic cracks occur.
  • AlN and Al 2 O 3 One cycle is a load of ⁇ 40° C. ⁇ 10 min and 150° C. ⁇ 10 min, and SAT inspection is performed every 50 cycles up to 500 cycles.
  • Si 3 N 4 One cycle is a load of ⁇ 40° C. ⁇ 10 min and 150° C. ⁇ 10 min, and SAT inspection is performed every 200 cycles up to 2000 cycles.
  • Comparative Example 1 and Examples 1-3 of the present invention using AlN as the ceramic substrate are compared.
  • the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the edge of the circuit layer (metal layer) was 23.2 ⁇ m, and the void ratio in the edge region of the circuit layer (metal layer) was is 16.3%, and the number of cracks generated was 100 times in the thermal cycle test. Wax stains were also confirmed.
  • Example 1 of the present invention the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the end of the circuit layer (metal layer) was set to 24.7 ⁇ m.
  • the void ratio in the end region is set to 9.8%, and the number of cracks generated was 400 times in the thermal cycle test. Moreover, no wax stain was observed.
  • Example 2 of the present invention the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the edge of the circuit layer (metal layer) was 20.9 ⁇ m, and the voids in the edge region of the circuit layer (metal layer) The ratio is 5.3%, and the number of cracks generated was 450 times in the thermal cycle test. Moreover, no wax stain was observed.
  • the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the edge of the circuit layer (metal layer) was 12.1 ⁇ m, and the voids in the edge region of the circuit layer (metal layer) The ratio is 0.8%, and the number of cracks generated was 500 times in the thermal cycle test. Moreover, no wax stain was observed.
  • Comparative Example 2 Inventive Examples 4-6 using Si 3 N 4 as the ceramic substrate and Comparative Example 2 are compared.
  • Comparative Example 2 the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the edge of the circuit layer (metal layer) was 45.1 ⁇ m, and the void ratio in the edge region of the circuit layer (metal layer) was is 13.2%, and the number of cracks generated was 1200 times in the thermal cycle test. Wax stains were also confirmed.
  • Example 4 of the present invention the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the end of the circuit layer (metal layer) was set to 3.2 ⁇ m.
  • the void ratio in the end region is set to 0.3%, and the number of cracks generated was 1600 times in the thermal cycle test. Moreover, no wax stain was observed.
  • the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the edge of the circuit layer (metal layer) was set to 6.4 ⁇ m, and the voids in the edge region of the circuit layer (metal layer) The rate is 7.1%, and the number of cracks generated was 1800 in the thermal cycle test. Moreover, no wax stain was observed.
  • Example 6 of the present invention the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the edge of the circuit layer (metal layer) was set to 8.1 ⁇ m, and the voids in the edge region of the circuit layer (metal layer) The ratio is set to 0.1%, and cracks did not occur even after 2000 cycles in the thermal cycle test. Moreover, no wax stain was observed.
  • Comparative Example 3 the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the edge of the circuit layer (metal layer) was set to 1.3 ⁇ m, and the void ratio in the edge region of the circuit layer (metal layer) was is 0.0%, and the number of cracks generated was 50 times in the thermal cycle test. No wax stain was observed.
  • Example 7 of the present invention the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the end of the circuit layer (metal layer) was set to 29.6 ⁇ m.
  • the void ratio in the end region is set to 8.2%, and the number of cracks generated was 350 times in the thermal cycle test. Moreover, no wax stain was observed.
  • Example 8 of the present invention the distance between the ceramic substrate and the circuit layer (metal layer) at the edge of the circuit layer (metal layer) was 19.6 ⁇ m, and the voids in the edge region of the circuit layer (metal layer) rate is 4.8%, and the number of cracks generated was 450 times in the thermal cycle test. Moreover, no wax stain was observed.
  • ADVANTAGE OF THE INVENTION it is possible to provide a copper/ceramic bonded body excellent in thermal cycle reliability and sufficiently inhibiting the occurrence of brazing stains, and an insulated circuit board made of this copper/ceramic bonded body. .
  • Insulated circuit board (copper/ceramic joint) 11 Ceramic substrate (ceramic member) 12 circuit layer (copper member) 13 metal layer (copper member) 21 (21A, 21B) active metal compound layer 22 (22A, 22B) Ag—Cu alloy layer

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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（１２），（１３）と、セラミックス部材（１１）とが接合されてなる銅／セラミックス接合体（１０）であって、セラミックス部材（１１）と銅部材（１２），（１３）との接合界面において、銅部材（１２），（１３）の端部におけるセラミックス部材（１１）と銅部材（１２），（１３）との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、銅部材（１２），（１３）の端部領域（Ｅ）におけるボイド率が１０％以下である。

Description

銅／セラミックス接合体、および、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、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、および、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に関するものである。
　本願は、２０２１年７月３０日に、日本に出願された特願２０２１－１２５５３１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モジュールおよ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素子および熱電素子が接合された構造とされている。
　例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、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、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
　例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、銅板を接合することにより回路層および金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この特許文献１においては、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、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）。
　また、特許文献２においては、銅又は銅合金からなる銅板と、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板とが、ＡｇおよびＴｉを含む接合材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
　さらに、特許文献３には、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板と、セラミックス基板とが、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系またはＡｌ－Ｍｎ系等の合金からなるろう材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。そして、この特許文献３においては、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層およびセラミックス基板の他方の面に形成された放熱層の周囲に張出部が形成されている。これにより、回路層と放熱層との絶縁性を確保するともに、回路層および放熱層における熱容量を増やしている。
日本国特許第３２１１８５６号公報（Ｂ） 日本国特許第５７５７３５９号公報（Ｂ） 日本国特許第５９５７８６２号公報（Ｂ）
　ところで、最近では、絶縁回路基板に搭載される半導体素子の発熱温度が高くなる傾向にあり、絶縁回路基板には、従来にも増して、厳しい冷熱サイクルに耐えることができる冷熱サイクル信頼性が求められている。
　ここで、銅板とセラミックス基板とを接合した絶縁回路基板において、特許文献３に記載されたように、回路層に張出部を形成した場合には、冷熱サイクルを負荷した際に、熱応力が回路層の端部に集中し、接合信頼性が低下するおそれがあった。
　一方、銅部材の端部おける強度を確保するために、端部の接合層の厚さを厚くした場合には、銅部材とセラミックス部材の間に配設された接合材がはみ出し、いわゆる「ろう染み」と呼ばれる欠陥が生じるおそれがあった。
　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、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、ろう染みの発生が十分に抑制された銅／セラミックス接合体、および、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。
　前述の課題を解決するために、本発明の一態様に係る銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、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、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記銅部材の端部領域におけるボイド率が１０％以下であることを特徴としている。
　本発明の一態様に係る銅／セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３μｍ以上とされるとともに、前記銅部材の端部領域におけるボイド率が１０％以下とされているので、端面の接合層の厚さが確保され、端部の強度を十分に確保することが可能となる。よって、冷熱サイクルを負荷した際のセラミックス部材の割れや剥がれを抑制することができる。
　また、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３０μｍ以下とされているので、接合材のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
　ここで、本発明の一態様に係る銅／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接合界面において、前記セラミックス部材側には活性金属化合物層が形成されており、前記銅部材の前記端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
　この場合、前記銅部材の前記端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
　そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
　また、本発明の一態様に係る銅／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接合界面において、前記銅部材側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、前記銅部材の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
　この場合、前記銅部材の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、接合材のＡｇが銅部材と十分に反応してセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
　そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
　本発明の一態様に係る絶縁回路基板は、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、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記銅板の端部領域におけるボイド率が１０％以下であることを特徴としている。
　本発明の一態様に係る絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３μｍ以上とされるとともに、前記銅板の端部領域におけるボイド率が１０％以下とされているので、端面の接合層の厚さが確保され、端部の強度を十分に確保することが可能となる。よって、冷熱サイクルを負荷した際のセラミックス基板の割れや剥がれを抑制することができる。
　また、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３０μｍ以下とされているので、接合材のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
　ここで、本発明の一態様に係る絶縁回路基板においては、前記銅板の端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部における記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
　この場合、前記銅板の端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
　そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅板の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することが可能となる。
　また、本発明の一態様に係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接合界面において、前記銅板側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、前記銅板の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
　この場合、前記銅板の端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、接合材のＡｇが銅板と十分に反応してセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
　そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので前記銅板の端部と中央部とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
　本発明によれば、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、ろう染みの発生が十分に抑制された銅／セラミックス接合体、および、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できる。
本発明の実施形態に係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。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層および金属層の端部の拡大説明図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層および金属層とセラミックス基板との接合界面の拡大説明図である。 図３Ａの絶縁回路基板のうち、接合界面の端部を拡大した図である。 図３Ａの絶縁回路基板のうち、接合界面の中央部を拡大した図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法のフロー図である。 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。
　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。
　本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板１１と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板４２（回路層１２）および銅板４３（金属層１３）とが接合されてなる絶縁回路基板１０である。図１に、本実施形態である絶縁回路基板１０を備え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、回路層１２および金属層１３が配設された絶縁回路基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１３の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク５と、を備えている。
　半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
　接合層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。
　ヒートシンク５は、前述の絶縁回路基板１０からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク５は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク５には、冷却用の流体が流れるための流路が設けられている。
　なお、本実施形態においては、ヒートシンク５と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層７によって接合されている。このはんだ層７は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。
　そして、本実施形態である絶縁回路基板１０は、図１に示すように、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、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、銅又は銅合金からなる銅板４２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は、無酸素銅の圧延板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、回路層１２となる銅板４２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５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、銅又は銅合金からなる銅板４３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、無酸素銅の圧延板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、金属層１３となる銅板４３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。
　そして、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面において、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。
　さらに、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の回路層１２および金属層１３の端部領域Ｅにおけるボイド率が１０％以下とされている。
　ここで、本実施形態における端部領域とは、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の断面観察において、セラミックス基板１１から回路層１２および金属層１３の厚さの１／３の位置における回路層１２および金属層１３の端面位置からの垂線とセラミックス基板１１との交点Ｐを起点として、セラミックス基板１１の表面から回路層１２および金属層１３側へ３０μｍの高さ、かつ、セラミックス基板１１の表面に沿って回路層１２および金属層１３の中央部側へ４００μｍの幅、の領域である。
　なお、回路層１２および金属層１３の厚さが９０μｍ未満の場合、端部領域とは、セラミックス基板１１から回路層１２および金属層１３の厚さの１／３の位置における回路層１２および金属層１３の端面位置からの垂線とセラミックス基板１１との交点Ｐを起点として、セラミックス基板１１の表面から回路層１２および金属層１３側への回路層１２および金属層１３の厚さの１／３の高さ、かつ、セラミックス基板１１の表面に沿って回路層１２および金属層１３の中央部側へ４００μｍの幅、の領域である。
　さらに、ボイド率は、以下のように算出される。上述の端部領域において、回路層１２および金属層１３を構成する金属が存在しない領域をボイド部とし、上述の端部領域におけるボイド部が占める割合をボイド率とした。
　また、本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面においては、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示すように、セラミックス基板１１側から順に、活性金属化合物層２１、Ａｇ－Ｃｕ合金層２２が形成されていることが好ましい。
　活性金属化合物層２１は、セラミックス基板（セラミックス部材）１１の一部であると言うこともできる。Ａｇ－Ｃｕ合金層２２は、回路層（銅部材）１２および金属層（銅部材）１３の一部であると言うこともできる。このため、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３（銅板４２，４３）との接合界面は、活性金属化合物層２１とＡｇ－Ｃｕ合金層２２との界面である。Ａｇ－Ｃｕ合金層２２を有しない場合、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３（銅板４２，４３）との接合界面は、活性金属化合物層２１と回路層１２および金属層１３（銅板４２，４３）との界面である。
　ここで、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図３Ａに示すように、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の端部Ａと中央部Ｂにおける界面構造について、以下のように規定されている。
　なお、本実施形態において、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の端部Ａは、図３Ａに示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向端部から幅方向内方に２００μｍまでの領域である。
　また、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部Ｂは、図３Ａに示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向中心を含む幅方向２００μｍの領域である。
　本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂが、０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、これらの厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
　ここで、活性金属化合物層２１Ａ，２１Ｂは接合材４５で用いる活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される一種以上）の化合物からなる層である。より具体的には、セラミックス基板が窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる場合には、これらの活性金属の窒化物からなる層となり、セラミックス基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である場合には、これらの活性金属の酸化物からなる層となる。活性金属化合物層２１Ａ，２１Ｂは活性金属化合物の粒子が集合して形成されている。この粒子の平均粒径は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
　なお、本実施形態では、接合材４５が活性金属としてＴｉを含有し、セラミックス基板１１が窒化アルミニウムで構成されているため、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）で構成される。すなわち、平均粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化チタン（ＴｉＮ）の粒子が集合して形成されている。
　さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂが、３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、これらの厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
　以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板１０の製造方法について、図４および図５を参照して説明する。
（接合材配設工程Ｓ０１）
　回路層１２となる銅板４２と、金属層１３となる銅板４３とを準備する。ここで、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３においては、セラミックス基板１１側の向く面の周縁部に面取り部が形成されている。
　そして、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の接合面に、接合材４５を塗布し、乾燥させる。ペースト状の接合材４５の塗布厚さは、乾燥後で１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
　本実施形態では、スクリーン印刷によってペースト状の接合材４５を塗布する。
　接合材４５は、Ａｇと活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される一種以上）を含有するものとされている。本実施形態では、接合材４５として、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材（Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材）を用いている。なお、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材（Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材）としては、例えば、Ｃｕを０ｍａｓｓ％以上４５ｍａｓｓ％以下の範囲内、活性金属であるＴｉを０．５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、残部がＡｇおよび不可避不純物とされた組成のものを用いることが好ましい。
　ここで、塗布する接合材４５については、Ａｇの換算膜厚と、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を、調整する。これにより、後述する加圧および加熱工程Ｓ０３において、発生するＡｇ－Ｃｕ液相の絶対量および流動性を制御することが可能となる。
　具体的には、Ａｇの換算膜厚を２．５μｍ以上とすることが好ましく、３．５μｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、Ａｇの換算膜厚を２０μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることがさらに好ましい。
　また、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を８以上とすることが好ましく、１２以上とすることがさらに好ましい。一方、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を６０以下とすることが好ましく、４５以下とすることがさらに好ましい。
　また、接合材４５に含まれるＡｇ粉の比表面積は、０．１５ｍ２／ｇ以上とすることが好ましく、０．２５ｍ２／ｇ以上とすることがさらに好ましく、０．４０ｍ２／ｇ以上とすることがより好ましい。一方、接合材４５に含まれるＡｇ粉の比表面積は、１．４０ｍ２／ｇ以下とすることが好ましく、１．００ｍ２／ｇ以下とすることがさらに好ましく、０．７５ｍ２／ｇ以下とすることがより好ましい。
　なお、ペースト状の接合材４５に含まれるＡｇ粉の粒径は、Ｄ１０が０．７μｍ以上３．５μｍ以下、かつ、Ｄ１００が４．５μｍ以上２３μｍ以下の範囲内であることが好ましい。レーザー回折散乱式粒度分布測定法によって測定された粒度分布において、Ｄ１０は、体積基準で累積頻度が１０％になる粒径であり、Ｄ１００は、体積基準で累積頻度が１００％になる粒径である。
（積層工程Ｓ０２）
　次に、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、接合材４５を介して回路層１２となる銅板４２を積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、接合材４５を介して金属層１３となる銅板４３を積層する。なお、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の周縁部に面取り部が形成されているので、セラミックス基板１１の端部に空隙が形成されることになる。
（加圧および加熱工程Ｓ０３）
　次に、銅板４２とセラミックス基板１１と銅板４３とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、接合材４５を溶融する。
　ここで、加圧および加熱工程Ｓ０３における加熱温度は、８００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。７８０℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計が７℃・ｈ以上８０℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
　また、加圧および加熱工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０２９ＭＰａ以上２．９４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
　さらに、加圧および加熱工程Ｓ０３における真空度は、１×１０－６Ｐａ以上５×１０－２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。
（冷却工程Ｓ０４）
　そして、加圧および加熱工程Ｓ０３の後、冷却を行うことにより、溶融した接合材４５を凝固させて、回路層１２となる銅板４２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１と金属層１３となる銅板４３とを接合する。
　なお、この冷却工程Ｓ０４における冷却速度は、２℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、ここでの冷却速度は加熱温度からＡｇ－Ｃｕ共晶温度である７８０℃までの冷却速度である。
　以上のように、接合材配設工程Ｓ０１、積層工程Ｓ０２、加圧および加熱工程Ｓ０３、冷却工程Ｓ０４によって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造されることになる。
（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５を接合する。
　絶縁回路基板１０とヒートシンク５とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層７を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５とをはんだ接合する。
（半導体素子接合工程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。
　前述の工程により、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、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面において、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈが３μｍ以上とされるとともに、回路層１２および金属層１３の端部領域におけるボイド率が１０％以下とされているので、端面の接合層の厚さが確保され、回路層１２および金属層１３の端部の強度を十分に確保することが可能となる。よって、冷熱サイクルを負荷した際のセラミックス基板１１の割れや剥がれを抑制することができる。
　また、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈが３０μｍ以下とされているので、接合材４５のはみ出しを抑制でき、「ろう染み」の発生を抑制することができる。
　なお、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈは５μｍ以上とすることが好ましく、８μｍ以上とすることがさらに好ましい。一方、回路層１２および金属層１３の端部におけるセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との間の距離ｈは２５μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以下とすることがさらに好ましい。
　また、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面の回路層１２および金属層１３の端部領域Ｅにおけるボイド率は、８％以下であることが好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。
　また、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂが、０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされている場合には、活性金属によってセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
　なお、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とをさらに強固に接合するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂを、０．０８μｍ以上とすることが好ましく、０．１５μｍ以上とすることがより好ましい。
　また、接合界面が硬くなることがさらに確実に抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂを、１．０μｍ以下とすることが好ましく、０．６μｍ以下とすることがより好ましい。
　さらに、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａと回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂとの厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされている場合には、回路層１２および金属層１３の端部Ａと中央部ｂとで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制することができる。
　なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂの比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂを、０．８以上１．２以下の範囲内とすることがさらに好ましく、０．９以上１．１以下の範囲内とすることがより好ましい。
　また、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂが、３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている場合には、後述する接合材４５のＡｇと回路層１２および金属層１３とが十分に反応し、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
　なお、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とをさらに強固に接合するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂを、５μｍ以上とすることが好ましく、７μｍ以上とすることがより好ましい。
　また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂを、２５μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以下とすることがより好ましい。
　さらに、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａと、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂとの比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされている場合には、回路層１２および金属層１３の端部Ａと中央部Ｂとで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
　なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の端部Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａと、回路層１２および金属層１３の中央部Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂとの比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂを、０．８以上１．２以下の範囲内とすることがさらに好ましく、０．９以上１．１以下の範囲内とすることがより好ましい。
　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、本実施形態では、絶縁回路基板に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。
　また、本実施形態の絶縁回路基板では、セラミックス基板として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックス基板を用いたものであってもよい。
　さらに、本実施形態では、接合材に含まれる活性金属としてＴｉを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される１種又は２種以上の活性金属を含んでいればよい。なお、これらの活性金属は、水素化物として含まれていてもよい。
　さらに、本実施形態においては、回路層を、無酸素銅の圧延板をセラミックス基板に接合することにより形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板を打ち抜いた銅片を回路パターン状に配置された状態でセラミックス基板に接合されることによって回路層を形成してもよい。この場合、それぞれの銅片において、上述のようなセラミックス基板との界面構造を有していればよい。
　以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
　まず、表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。なお、厚さは、ＡｌＮおよびＡｌ２Ｏ３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４は０．３２ｍｍとした。
　また、回路層および金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、表１に示す厚さの３７ｍｍ×３７ｍｍの銅板を準備した。なお、回路層および金属層となる銅板においては、セラミックス基板側の周縁部に面取り部を形成した。
　そして、回路層および金属層となる銅板に、接合材を塗布した。なお、接合材はペースト材を用い、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の量は表１の通りとした。ここで、表１に示すように、Ａｇ換算厚さ、および、Ａｇと活性金属の質量比Ａｇ／活性金属を調整した。
　セラミックス基板の一方の面に、回路層となる銅板を積層した。また、セラミックス基板の他方の面に、金属層となる銅板を積層した。
　この積層体を、積層方向に加圧した状態で加熱し、Ａｇ－Ｃｕ液相を発生させた。このとき、加圧荷重を０．２９４ＭＰａとし，温度積分値は表１の通りとした。
　そして、加熱した積層体を冷却することにより、回路層となる銅板とセラミックス基板と金属層となる金属板を接合し、絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。
　得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、端部のボイド率、端部におけるセラミックス基板と銅板との間の距離、活性金属化合物層、Ａｇ－Ｃｕ合金層、冷熱サイクル信頼性、ろう染みの有無を、以下のようにして評価した。
（端部のボイド率）
　回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の端部断面について、ＥＰＭＡ装置（電子プローブマイクロアナライザ）を用いて、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ５視野で各元素マッピングを取得した。そして、端部領域においてＡｇ、Ｃｕ、活性金属が検出されなかった領域の面積（ボイド面積）を求めて、ボイド率＝１００×ボイド面積／端部領域面積の最大値を「端部のボイド率」とし、表２に記載した。
（端部におけるセラミックス基板と銅板との間の距離）
　回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面において、上述した端部断面を、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素のライン分析を実施した。交点Ｐを通り、かつセラミックス基板に対して垂直な方向に回路層、または金属層に向かって、それぞれ５視野で各元素のライン分析を実施した。そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、セラミックス基板表面からＣｕ濃度が９０ｍａｓｓ％以上である領域までの距離を測定し、それぞれ５視野、計１０視野の内最も短い距離を「端部におけるセラミックス基板と銅板との間の距離」とし、表２に記載した。
（活性金属化合物層）
　回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５、加速電圧１．８ｋＶ）を用いて倍率３００００倍で測定し、エネルギー分散型Ｘ線分析法により、Ｎ、Ｏ及び活性金属元素の元素マッピングを取得した。活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する場合に活性金属化合物層が有ると判断した。
　それぞれ５視野で観察を行い、活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する範囲の面積を測定した幅で割ったものの平均値を「活性金属化合物層の厚さ」とし表２に記載した。
（Ａｇ－Ｃｕ合金層）
　回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ５視野で各元素マッピングを取得した。
　そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、Ａｇ濃度が１５質量％以上である領域をＡｇ－Ｃｕ合金層とし、その面積を求めて、測定領域の幅で割った値（面積／測定領域の幅）を求めた。その値の平均をＡｇ－Ｃｕ合金層の厚さとして表２に記載した。
（冷熱サイクル信頼性）
　上述の絶縁回路基板を、セラミックス基板の材質に応じて、下記の冷熱サイクルを負荷し、ＳＡＴ検査（超音波探傷検査）によりセラミックス割れの有無を判定した。評価結果を表２に示す。表２のセラミックス割れの発生回数は、セラミックス割れが発生するまでに要した冷熱サイクル数を意味している。
　ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３の場合：－４０℃×１０ｍｉｎ、１５０℃×１０ｍｉｎの負荷を１サイクルとし、５００サイクルまで５０サイクル毎にＳＡＴ検査する。
　Ｓｉ３Ｎ４の場合：－４０℃×１０ｍｉｎ、１５０℃×１０ｍｉｎの負荷を１サイクルとし、２０００サイクルまで２００サイクル毎にＳＡＴ検査する。
（ろう染みの有無）
　回路層表面および金属層表面を、ＥＰＭＡ装置を用いてＡｇ、Ｃｕ、活性金属の各元素マッピングを取得した。そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００ｍａｓｓ％としたとき、Ａｇ濃度が１５質量％以上である領域を「ろう染み」とし、その面積を求めて、回路層及び金属層の外周から１００μｍの領域の面積で割った値が２０％以上の場合に「ろう染み」が有ると判断した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　はじめに、セラミックス基板としてＡｌＮを用いた本発明例１－３と比較例１とを比較する。
　比較例１においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２３．２μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が１６．３％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１００回となった。また、ろう染みが確認された。
　これに対して、本発明例１においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２４．７μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が９．８％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が４００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
　本発明例２においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２０．９μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が５．３％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が４５０回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
　本発明例３においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１２．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．８％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が５００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
　次に、セラミックス基板としてＳｉ３Ｎ４を用いた本発明例４－６と比較例２とを比較する。
　比較例２においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が４５．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が１３．２％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１２００回となった。また、ろう染みが確認された。
　これに対して、本発明例４においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が３．２μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．３％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１６００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
　本発明例５においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が６．４μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が７．１％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１８００回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
　本発明例６においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が８．１μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．１％とされており、冷熱サイクル試験において２０００回でも割れが発生しなかった。また、ろう染みは確認されなかった。
　次に、セラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３を用いた本発明例７，８と比較例３とを比較する。
　比較例３においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１．３μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が０．０％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が５０回となった。なお、ろう染みは確認されなかった。
　これに対して、本発明例７においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が２９．６μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が８．２％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が３５０回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
　本発明例８においては、回路層（金属層）の端部におけるセラミックス基板と回路層（金属層）との間の距離が１９．６μｍとされ、回路層（金属層）の端部領域におけるボイド率が４．８％とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が４５０回となった。また、ろう染みは確認されなかった。
　以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、ろう染みの発生が十分に抑制された絶縁回路基板（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。
　本発明によれば、冷熱サイクル信頼性に優れ、かつ、ろう染みの発生が十分に抑制された銅／セラミックス接合体、および、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できる。
１０　絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）
１１　セラミックス基板（セラミックス部材）
１２　回路層（銅部材）
１３　金属層（銅部材）
２１（２１Ａ，２１Ｂ）　活性金属化合物層
２２（２２Ａ，２２Ｂ）　Ａｇ－Ｃｕ合金層

Claims (6)

  1. 　銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、
    　前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材の端部における前記セラミックス部材と前記銅部材との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、
    　前記銅部材の端部領域におけるボイド率が１０％以下であることを特徴とする銅／セラミックス接合体。
  2. 　前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記セラミックス部材側には活性金属化合物層が形成されており、
    　前記銅部材の前記端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内と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. 　前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、
    　前記銅部材の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。
  4. 　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、
    　前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板の端部における前記セラミックス基板と前記銅板との間の距離が３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされるとともに、
    　前記銅板の端部領域におけるボイド率が１０％以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
  5. 　前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記セラミックス基板側には活性金属化合物層が形成されており、
    　前記銅板の前記端部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部における前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項４に記載の絶縁回路基板。
  6. 　前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、
    　前記銅板の前記端部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部における前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが３μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の絶縁回路基板。
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