(57)【要約】【課題】窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき、銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが確実に接合された信頼性の高い銅／セラミックス接合体、及び、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材との銅／セラミックス接合体であって、前記銅部材とセラミックス部材との接合界面には、セラミックス部材側から順に、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層３１と、Ａｇ−Ｃｕ共晶層と、が形成されており、窒化化合物層３１の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下であり、前記銅部材と前記セラミックス部材との間には、前記窒化物形成元素とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、窒化化合物層３１の粒界３１ａにはＣｕ及びＳｉ３４が存在している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、前記セラミックス部材側から順に、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層と、Ａｇ−Ｃｕ共晶層と、が形成されており、
前記窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下であり、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間には、前記窒化物形成元素とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、
前記窒化化合物層の粒界にはＣｕ及びＳｉが存在していることを特徴とする銅／セラミックス接合体。
【請求項２】
前記窒化化合物層の内部にＡｇ粒子が分散されていることを特徴とする請求項１に記載の銅／セラミックス接合体。
【請求項３】
前記窒化化合物層の内部に分散する前記Ａｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。
【請求項４】
前記窒化化合物層において、前記セラミックス部材側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、前記銅部材側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が０．８以下であることを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体。
【請求項５】
窒化ケイ素からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅層が形成された絶縁回路基板であって、
前記銅層と前記セラミックス基板とが、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体で構成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体、及び、窒化ケイ素からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅層が形成された絶縁回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。ここで、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板は、特に強度に優れている。
【０００３】
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することにより、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせて、銅板とセラミックス基板とを接合している。
【０００４】
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この絶縁回路基板においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている（いわゆる活性金属ろう付け法）。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるＴｉが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０１−２５１７８１号公報
【特許文献２】特許第３２１１８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されているように、ＤＢＣ法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を１０６５℃以上（銅と銅酸化物との共晶点温度以上）にする必要があることから、接合時にセラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。
また、特許文献２に開示されているように、例えばＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材等を用いた活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度が９００℃と比較的高温とされていることから、やはり、セラミックス基板が劣化してしまうといった問題があった。ここで、単に接合温度を低下させた場合には、ろう材がセラミックス基板と十分に反応せず、セラミックス基板と銅板の界面での接合率が低下してしまい、信頼性の高い絶縁回路基板を提供することができない。
さらに、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いて接合する際の接合温度が高い場合、接合界面に形成される窒化化合物層（窒化チタン層）が厚く成長し、この窒化化合物層（窒化チタン層）においてクラックが発生し易くなるといった問題があった。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき、銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが確実に接合された信頼性の高い銅／セラミックス接合体、及び、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、前記セラミックス部材側から順に、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層と、Ａｇ−Ｃｕ共晶層と、が形成されており、前記窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下であり、前記銅部材と前記セラミックス部材との間には、前記窒化物形成元素とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、前記窒化化合物層の粒界にはＣｕ及びＳｉが存在していることを特徴としている。
【０００９】
この構成の銅／セラミックス接合体においては、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面にＡｇ−Ｃｕ共晶層が形成されているとともに、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に前記窒化物形成元素とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在していることから、窒化ケイ素からなるセラミックス基板の接合面において十分に分解反応が生じており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることができる。なお、金属間化合物相はＡｇ−Ｃｕ共晶層の内部に存在する場合や、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。また、金属間化合物相は前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。
さらに、前記Ａｇ−Ｃｕ共晶層とセラミックス部材との間に厚さ０．１５μｍ以上１．０μｍ以下の前記窒化化合物層が形成されており、前記窒化化合物層の粒界においてＣｕ及びＳｉが存在しているので、この窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制することができるとともに、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に未反応部が生じることが無く、接合強度の高い銅／セラミックス接合体を得ることができる。
【００１０】
ここで、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層の内部にＡｇ粒子が分散されていることが好ましい。
このＡｇ粒子は、窒化物形成元素と窒素とが反応して上述の前記窒化化合物層が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、前記窒化化合物層の内部にＡｇ粒子が分散されていることで、上述の窒化化合物層が十分に形成されており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層の内部に分散する前記Ａｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている構成としてもよい。
この場合、前記窒化化合物層内に分散するＡｇ粒子は、粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下と比較的微細であり、窒化物形成元素と窒素（Ｎ）とが反応して上述の窒化化合物層が形成される過程で生成したものであることから、窒化物形成元素を含む窒化物の生成が促進されて窒化化合物層が十分に形成されることになり、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることが可能となる。
【００１２】
さらに、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層において、前記セラミックス部材側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、前記銅部材側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が０．８以下であることが好ましい。
この場合、前記窒化化合物層内において、セラミックス部材側のＡｇ濃度が銅部材側のＡｇ濃度よりも高くなっているので、界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることが可能となる。
【００１３】
本発明の絶縁回路基板は、窒化ケイ素からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅層が形成された絶縁回路基板であって、前記銅層と前記セラミックス基板とが、上述の銅／セラミックス接合体で構成されていることを特徴としている。
【００１４】
この構成の絶縁回路基板によれば、前記銅層と前記セラミックス基板とが、上述の銅／セラミックス接合体で構成されているので、セラミックス基板と銅板とが確実に接合しており、接合信頼性を確保することができる。なお、セラミックス基板の表面に接合された銅層は、回路層あるいは金属層を構成するものとして用いられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき、銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが確実に接合された信頼性の高い銅／セラミックス接合体、及び、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板の回路層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。
【図３】図２に示す窒化化合物層の拡大説明図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】窒化化合物層及び金属間化合物相の形成過程を示す模式説明図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】本発明の第３の実施形態である絶縁回路基板の概略説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。
【図１３】本発明例１の銅／セラミックス接合体における断面のＳＥＭ像である。
【図１４】本発明例１の銅／セラミックス接合体におけるＳＴＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板２２（回路層１２）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１０とされている。
図１に、本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板１０及びこの絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
【００１９】
このパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方側（図１において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク５１と、を備えている。
ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。
【００２０】
絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高い窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
【００２１】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、回路層１２を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
【００２２】
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。なお、このアルミニウム板２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下とされている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
【００２３】
ヒートシンク５１は、前述の絶縁回路基板１０を冷却するためのものであり、絶縁回路基板１０と接合される天板部５２と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路５３とを備えている。ヒートシンク５１（天板部５２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
このヒートシンク５１（天板部５２）は、本実施形態においては、絶縁回路基板１０の金属層１３にろう材を用いて直接接合されている。
【００２４】
ここで、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）とは、図５に示すように、ＡｇとＣｕとＴｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含むろう材（本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを含むＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４）を用いて接合されている。
そして、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との接合界面には、図２に示すように、窒化化合物層３１と、Ａｇ−Ｃｕ共晶層３２と、が形成されている。
【００２５】
また、回路層１２（銅板２２）とセラミックス基板１１との間には、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相３３が存在している。本実施形態では、この金属間化合物相３３は、Ｔｉ５Ｓｉ３で構成されている。
そして、上述の窒化化合物層３１においては、図３に示すように、柱状晶組織とされており、この柱状晶の粒界３１ａにおいてＣｕ及びＳｉ３４が存在している。なお、この窒化化合物層３１の粒界３１ａに存在するＣｕ及びＳｉ３４は、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ  ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率９１万倍で観察し、０．１ｎｍ程度のビーム径によるＣｕとＳｉの元素マッピングによって検出することができる。
ここで、窒化化合物層３１の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下とされている。なお、窒化化合物層３１の厚さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
また、この窒化化合物層３１内には、Ａｇ粒子３５が分散している。Ａｇ粒子３５は、窒化化合物層３１のセラミックス基板１１側に多く分布しており、窒化化合物層３１のうちセラミックス基板１１との界面から５００ｎｍまでの界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．３原子％以上、好ましくは０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、窒化化合物層３１内で観察されるＡｇ粒子３５の９０％以上が、上述の界面近傍領域に分布している。なお、上記界面近傍領域に分布するＡｇ粒子３５のより好ましい割合は９５％以上であり、上限値は１００％であるが、これに限定されることはない。
また、本実施形態では、窒化化合物層３１内に分散するＡｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。なお、上記Ａｇ粒子の粒径は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内に設定されてもよい。
【００２７】
ここで、本実施形態では、図２に示すように、窒化化合物層３１において、セラミックス基板１１側の界面から窒化化合物層３１の全厚ｔの２５％位置までの領域Ａ１におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、銅板２２（回路層１２）側の界面から窒化化合物層３１の全厚ｔの２５％位置までの領域Ａ２におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が０．８以下とされていることが好ましい。また、Ｃ２／Ｃ１の下限は０以上であり、０．０１以上であることが好ましい。
なお、本実施形態では、図２に示すように、窒化化合物層３１の銅板２２（回路層１２）側にはＡｇ−Ｃｕ共晶層３２が形成されていることから、上述の「窒化化合物層３１の銅板２２（回路層１２）側の界面」は、Ａｇ−Ｃｕ共晶層３２との界面となる。
【００２８】
次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。
【００２９】
（銅板積層工程Ｓ０１）
まず、図４及び図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、ＡｇとＣｕとＴｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含むろう材（本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを含むＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４）を介して、回路層１２となる銅板２２を積層する。
ここで、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４においては、Ｃｕの含有量は、１８ｍａｓｓ％以上３４ｍａｓｓ％以下、Ｔｉの含有量は、０．３ｍａｓｓ％以上７ｍａｓｓ％以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。なお、本実施形態では、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４として箔材を用い、厚さは３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定するとよい。
【００３０】
（銅板接合工程Ｓ０２）
次に、セラミックス基板１１及び銅板２２を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（４．９×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１とを接合する。
【００３１】
ここで、銅板接合工程Ｓ０２においては、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。また、接合温度が８５０℃を超えると、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板１１の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を８５０℃以下とすることが好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、２５０℃・ｍｉｎ以上とすることが好ましく、５００℃・ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、１９００℃・ｍｉｎ以下とすることが好ましく、１７００℃・ｍｉｎ以下とすることがさらに好ましい。
【００３２】
この銅板接合工程Ｓ０２においては、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、図６に示すように、ＡｇとＣｕの共晶反応によりＡｇ−Ｃｕ共晶液相３８が形成され、このＡｇ−Ｃｕ共晶液相３８中において、セラミックス基板１１との界面で、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４中の窒化物形成元素（Ｔｉ）とＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１との反応によりＳｉが形成され、このＳｉとＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４中のＣｕとが共晶反応してＣｕ−Ｓｉ共晶液相３９が形成される。そして、このＣｕ−Ｓｉ共晶液相３９中において、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）とが反応して窒化チタンが生成される。これにより、セラミックス基板１１の表面が侵食される形で、窒化チタンからなる窒化化合物層３１が形成されることになる。
【００３３】
さらに、セラミックス基板１１中のＳｉとＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４中の窒化物形成元素（Ｔｉ）が反応し、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相３３が形成される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層３１の粒界に、Ｃｕ及びＳｉ３４が存在することになる。
さらに、窒化化合物層３１内に、Ａｇ粒子３５が分散される。
【００３４】
（アルミニウム板積層工程Ｓ０３）
次に、セラミックス基板１１の他方の面側にろう材２５を介して金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する。このとき、ろう材２５としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いることができる。
【００３５】
（アルミニウム板接合工程Ｓ０４）
次に、セラミックス基板１１及びアルミニウム板２３を積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（９．８×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、真空または窒素雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１とを接合する。
このとき、ろう付け温度を６００℃以上６５０℃以下の範囲内、保持時間を１５ｍｉｎ以上１２０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００３６】
以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造されることになる。
【００３７】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
次に、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側に、ヒートシンク５１を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク５１とを、ろう材２６を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク５１の天板部５２とを接合する。このとき、ろう材２６としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は、アルミニウム板接合工程Ｓ０４におけるろう付け温度よりも低温に設定することが好ましい。
【００３８】
（半導体素子搭載工程Ｓ０６）
次に、絶縁回路基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
【００３９】
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）によれば、無酸素銅からなる銅板２２（回路層１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との接合界面にＡｇ−Ｃｕ共晶層３２が形成されているとともに、銅板２２（回路層１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との間に窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相３３が存在しているので、セラミックス基板１１の接合面において十分に分解反応が生じており、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０を得ることができる。
【００４０】
さらに、本実施形態においては、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）を含む窒化物からなる窒化化合物層３１が形成されており、この窒化化合物層３１の粒界においてＣｕ及びＳｉ３４が存在しているので、この窒化化合物層３１におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、窒化化合物層３１の厚さが０．１５μｍ以上とされているので、銅板２２（回路層１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板１０を得ることができる。さらに窒化化合物層３１の厚さが１．０μｍ以下とされているので、窒化化合物層３１にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板１０を得ることができる。
なお、金属間化合物相３３はＡｇ−Ｃｕ共晶層３２の内部に存在する場合や、窒化化合物層３１に隣接するように存在している場合もある。また、金属間化合物相３３は銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１との接合界面から銅板２２（回路層１２）に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。
【００４１】
さらに、本実施形態においては、窒化化合物層３１の内部にＡｇ粒子３５が分散しているので、接合時に窒化化合物層３１が十分に形成されており、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とがさらに確実に接合されている。
また、本実施形態では、窒化化合物層３１内に分散するＡｇ粒子３５は、その粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内と比較的微細とされており、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＮ（窒素）とが反応して上述の窒化化合物層３１が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、セラミックス基板１１の界面に窒化化合物層３１が十分に形成されていることになり、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０を得ることができる。
【００４２】
また、本実施形態では、窒化化合物層３１のうちセラミックス基板１１との界面近傍領域におけるＡｇ濃度が０．３原子％以上とされているので、セラミックス基板１１の接合界面に窒化化合物層３１が十分に形成されており、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが強固に接合されることになる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１側の界面から窒化化合物層３１の全厚ｔの２５％位置までの領域Ａ１におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、銅板２２（回路層１２）側の界面から窒化化合物層３１の全厚ｔの２５％位置までの領域Ａ２におけるにＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が０．８以下とされており、セラミックス基板１１側のＡｇ濃度が銅板２２（回路層１２）側よりも高くなっているので、界面反応が十分に進行しており、銅板２２（回路層１２）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０を得ることが可能となる。
【００４４】
さらに、本実施形態では、銅板接合工程Ｓ０２において、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等を規定しているので、Ｃｕ−Ｓｉ共晶液相３９において、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉと窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との反応、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）との反応、及び、セラミックス基板１１中のＳｉとＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材２４中のＴｉとの反応を促進することができ、Ａｇ−Ｃｕ共晶層３２の内部にＴｉとＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相３３が存在し、窒化化合物層３１の粒界においてＣｕ及びＳｉ３４が存在する絶縁回路基板１０を製造することができる。また、窒化化合物層３１には、Ａｇ粒子３５が分散されることになる。
【００４５】
また、銅板接合工程Ｓ０２において、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定されていればよく、銅板接合工程Ｓ０２における温度条件が比較的低温であっても、セラミックス基板１１と銅板２２とを確実に接合することができる。よって、セラミックス基板１１の劣化を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、接合温度が８５０℃以下とされているので、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物形成反応が過剰に進行することを抑制でき、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図７から図９を参照して説明する。
本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１１０とされている。
図７に本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板１１０及びこの絶縁回路基板１１０を用いたパワーモジュール１０１を示す。
【００４７】
このパワーモジュール１０１は、絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の一方側（図７において上側）の面に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１１０の他方側（図７において下側）に配置されたヒートシンク１５１と、を備えている。
【００４８】
絶縁回路基板１１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図７において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図７において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
【００４９】
回路層１１２は、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２２が接合されることにより形成されている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、回路層１１２を構成する銅板１２２として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図７において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。ここで、回路層１１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
【００５０】
金属層１１３は、図９に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に銅又は銅合金からなる銅板１２３が接合されることにより形成されている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、金属層１１３を構成する銅板１２３として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層１１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
【００５１】
ヒートシンク１５１は、前述の絶縁回路基板１１０を冷却するためのものであり、絶縁回路基板１１０と接合される放熱板１５２と、この放熱板１５２に積層配置される冷却器１５４とで構成されている。
放熱板１５２は、前述の絶縁回路基板１１０からの熱を面方向に拡げるものであり、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、放熱板１５２と絶縁回路基板１１０の金属層１１３とは、第２はんだ層８を介して接合されている。
【００５２】
冷却器１５４は、図７に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１５３を備えている。冷却器１５４は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
なお、放熱板１５２と冷却器１５４とは、図７に示すように、グリース層（図示なし）を介して固定ネジ１５６によって締結されている。
【００５３】
ここで、セラミックス基板１１と回路層１１２（銅板１２２）、及び、セラミックス基板１１と金属層１１３（銅板１２３）とは、図９に示すように、Ａｇと、Ｃｕと、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含むろう材（本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを含むＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４）を用いて接合されている。
【００５４】
このセラミックス基板１１と回路層１１２（銅板１２２）との接合界面、および、セラミックス基板１１と金属層１１３（銅板１２３）との接合界面には、第１の実施形態と同様に、その粒界においてＣｕ及びＳｉが存在するとともに内部にＡｇ粒子が分散した窒化化合物層と、Ａｇ−Ｃｕ共晶層と、が形成されている。そして、セラミックス基板１１と回路層１１２（銅板１２２）との間、および、セラミックス基板１１と金属層１１３（銅板１２３）との間には窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在している（図２及び図３参照）。なお、窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下とされている。窒化化合物層の厚さが０．１５μｍ以上とされているので、銅板１２２（回路層１１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板１１０を得ることができる。さらに窒化化合物層の厚さが１．０μｍ以下とされているので、窒化化合物層にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板１１０を得ることができる。また、窒化化合物層の厚さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。
【００５５】
また、金属間化合物相はＡｇ−Ｃｕ共晶層の内部に存在する場合や、窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。さらに、金属間化合物相は回路層１１２（銅板１２２）とセラミックス基板１１との接合界面から回路層１１２（銅板１２２）に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。また、セラミックス基板１１と金属層１１３（銅板１２３）との接合界面から金属層１１３（銅板１２３）に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。
【００５６】
次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１１０の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。
【００５７】
（銅板積層工程Ｓ１０１）
まず、図８及び図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４を介して回路層１１２となる銅板１２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４を介して金属層１１３となる銅板１２３を積層する。
ここで、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４においては、Ｃｕの含有量は、１８ｍａｓｓ％以上３４ｍａｓｓ％以下、Ｔｉの含有量は、０．３ｍａｓｓ％以上７ｍａｓｓ％以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。また、本実施形態では、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４として箔材を用い、厚さは３μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定するとよい。
【００５８】
（銅板接合工程Ｓ１０２）
次に、銅板１２２、セラミックス基板１１及び銅板１２３を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（４．９×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板１２２とセラミックス基板１１と銅板１２３とを接合する。
【００５９】
この銅板接合工程Ｓ１０２においては、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。ここで、接合温度が８５０℃を超えると、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板１１の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を８５０℃以下とすることが好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、２５０℃・ｍｉｎ以上とすることが好ましく、５００℃・ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、１９００℃・ｍｉｎ以下とすることが好ましく、１７００℃・ｍｉｎ以下とすることがさらに好ましい。
【００６０】
この銅板接合工程Ｓ１０２においては、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、Ａｇ−Ｃｕ共晶の液相中において、セラミックス基板１１との界面で、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４中のＴｉと窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との反応によりＳｉが形成され、このＳｉとＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４中のＣｕとが共晶反応して液相が形成される。そして、このＣｕ−Ｓｉ共晶液相中において、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）とが反応して窒化チタンが生成する。これにより、セラミックス基板１１の表面が侵食される形で窒化化合物層が形成されることになる。
【００６１】
さらに、セラミックス基板１１中のＳｉとＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４中のＴｉが反応し、金属間化合物相が形成される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層の粒界に、Ｃｕ及びＳｉが存在することになる。
さらに、窒化化合物層内に、Ａｇ粒子が分散される。
【００６２】
以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造されることになる。
【００６３】
（放熱板接合工程Ｓ１０３）
次に、絶縁回路基板１１０の金属層１１３の他方の面側に放熱板１５２を接合する。
絶縁回路基板１１０と放熱板１５２とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、絶縁回路基板１１０と放熱板１５２とをはんだ接合する。
【００６４】
（冷却器配設工程Ｓ１０４）
次に、放熱板１５２の他方の面側に、冷却器１５４を配設する。
放熱板１５２と冷却器１５４との間にグリース（図示無し）を塗布し、放熱板１５２と冷却器１５４とを固定ネジ１５６によって連結する。
【００６５】
（半導体素子搭載工程Ｓ１０５）
次に、絶縁回路基板１１０の回路層１１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図７に示すパワーモジュール１０１が製出される。
【００６６】
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）によれば、タフピッチ銅からなる銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１とが、それぞれＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材１２４を用いて接合されており、銅板接合工程Ｓ１０２において、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が上述の範囲内とされているので、第１の実施形態と同様の接合界面を有しており、銅板１２２（回路層１１２）とセラミックス基板１１、銅板１２３（金属層１１３）とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１１０を得ることができる。
【００６７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図１０から図１２を参照して説明する。
本実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、図１０に示すように、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板２２２（回路層２１２）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板２１０とされている。
【００６８】
セラミックス基板１１は、絶縁性の高い窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で構成されており、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の構成とされている。
回路層２１２は、図１２に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に無酸素銅やタフピッチ銅等の銅又は銅合金からなる銅板２２２が接合されることにより形成されている。本実施形態では、銅板２２２は無酸素銅の圧延板とされている。
【００６９】
ここで、セラミックス基板１１と回路層２１２（銅板２２２）とは、図１２に示すように、Ａｇと、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含むろう材（本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを含むＡｇ−Ｔｉ系ろう材２２４）を用いて接合されている。
このセラミックス基板１１と回路層２１２（銅板２２２）との接合界面には、第１の実施形態と同様に、その粒界においてＣｕ及びＳｉが存在するとともに内部にＡｇ粒子が分散した窒化化合物層（窒化チタン層）と、Ａｇ−Ｃｕ共晶層と、が形成されている。そして、セラミックス基板１１と回路層２１２（銅板２２２）との間には、窒化物形成元素（本実施形態ではＴｉ）とＳｉを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在している（図２及び図３参照）。なお、窒化化合物層の厚さは０．１５μｍ以上１．０μｍ以下とされている。窒化化合物層の厚さが０．１５μｍ以上とされているので、銅板２２２（回路層２１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板２１０を得ることができる。さらに窒化化合物層の厚さが１．０μｍ以下とされているので、窒化化合物層にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板２１０を得ることができる。また、窒化化合物層の厚さは０．４μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。
また、金属間化合物相はＡｇ−Ｃｕ共晶層の内部に存在する場合や、窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。さらに、金属間化合物相は銅板２２２（回路層２１２）とセラミックス基板１１との接合界面から銅板２２２（回路層２１２）に向かって２０μｍ以内に存在している場合もある。
【００７０】
次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板２１０の製造方法について、図１１及び図１２を参照して説明する。
【００７１】
（ろう材ペースト塗布工程Ｓ２０１）
まず、セラミックス基板１１の一方の面に、スクリーン印刷によってＡｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を塗布する。なお、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４の厚さは、乾燥後で２０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００７２】
ここで、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４は、ＡｇおよびＴｉを含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものである。
本実施形態では、粉末成分の含有量が、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４全体の４０質量％以上９０質量％以下とされている。また、本実施形態では、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４の粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００７３】
粉末成分の組成は、Ｔｉの含有量が０．４質量％以上７５質量％以下とされ、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。本実施形態では、Ｔｉを１０質量％含んでおり、残部がＡｇ及び不可避不純物とされている。
また、本実施形態においては、Ａｇ及びＴｉを含む粉末成分として、ＡｇとＴｉとの合金粉末を使用している。この合金粉末は、アトマイズ法によって作製されたものであり、作製された合金粉末を篩い分けすることによって、粒径を４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下に設定している。
【００７４】
（銅板積層工程Ｓ２０２）
次に、セラミックス基板１１の一方の面に回路層２１２となる銅板２２２を積層する。
【００７５】
（銅板接合工程Ｓ２０３）
次に、銅板２２２とセラミックス基板１１を積層方向に０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（４．９×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下）の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板２２２とセラミックス基板１１とを接合する。
【００７６】
この銅板接合工程Ｓ２０３においては、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が１８０℃・ｍｉｎ以上３５００℃・ｍｉｎ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。ここで、接合温度が８５０℃を超えると、Ｃｕ−Ｔｉ金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板１１の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を８５０℃以下とすることが好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、２５０℃・ｍｉｎ以上とすることが好ましく、５００℃・ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、１９００℃・ｍｉｎ以下とすることが好ましく、１７００℃・ｍｉｎ以下とすることがさらに好ましい。
【００７７】
この銅板接合工程Ｓ２０３においては、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、Ａｇ−Ｃｕ共晶の液相中において、セラミックス基板１１との界面で、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４中のＴｉと窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１との反応によりＳｉが形成され、このＳｉと銅板２２２中のＣｕとが共晶反応して液相が形成される。この液相中において、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４中のＴｉとセラミックス基板１１中のＮ（窒素）とが反応して窒化チタンが生成する。これにより、セラミックス基板１１の表面が侵食される形で窒化チタンからなる窒化化合物層が形成されることになる。
【００７８】
さらに、セラミックス基板１１中のＳｉとＡｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４中のＴｉが反応し、金属間化合物相が形成される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層の粒界に、Ｃｕ及びＳｉが存在することになる。
さらに、窒化化合物層内に、Ａｇ粒子が分散される。
【００７９】
以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板２１０が製造されることになる。
【００８０】
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板２１０（銅／セラミックス接合体）によれば、無酸素銅からなる銅板２２２（回路層２１２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１とが、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト２２４を用いて接合されており、銅板接合工程Ｓ２０３において、Ｃｕ−Ｓｉ共晶温度（８０４℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が上述の範囲内とされているので、第１の実施形態と同様の接合界面を有しており、銅板２２２（回路層２１２）とセラミックス基板１１が確実に接合された絶縁回路基板２１０を得ることができる。
【００８１】
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、あるいは、タフピッチ銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
【００８２】
また、第１の実施形態において、金属層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９ｍａｓｓ％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
【００８３】
さらに、本実施形態では、窒化化合物層にＡｇ粒子が分散されているものとして説明したが、これに限定されることはない。
また、本実施形態では、窒化化合物層に分散されるＡｇ粒子の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされているものとして説明したが、これ以外のサイズのＡｇ粒子が分散していてもよい。
【００８４】
さらに、ヒートシンクや放熱板は、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けてもよい。
【００８５】
さらに、本実施形態においては、窒化物形成元素としてＴｉを用いて、窒化チタンからなる窒化化合物層及びＴｉとＳｉを含む金属間化合物相を有するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を用いて、この窒化物形成元素を含む窒化化合物層及び窒化物形成元素とＳｉを含む金属間化合物相を有するものとしてもよい。
【００８６】
さらに、第３の実施形態では、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペーストを用いてセラミックス基板と銅板とを接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ペーストを用いてもよい。この場合、第１の実施形態と同様の界面構造を有することになる。
また、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペーストをセラミックス基板に塗布するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板にＡｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト等を塗布してもよい。
さらに、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペーストをスクリーン印刷によって塗布するものとして説明したが、塗布方法に限定はない。
また、積層工程（Ｓ２０２）の前に、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペーストの乾燥を行う工程を設けても良い。
【００８７】
さらに、第３の実施形態では、Ａｇ及びＴｉを含む粉末成分として、ＡｇとＴｉとの合金粉末を使用したが、これに限らず、Ａｇ粉末とＴｉ粉末との混合粉末を用いることができる。この場合、用いるＡｇ粉末の粒径は４０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下であるとよい。
また、Ｔｉ粉末の代わりにＴｉＨ２粉末を用いることもできる。ＴｉＨ２粉末を用いた場合、粉末成分の組成は、ＴｉＨ２の含有量が０．４質量％以上５０質量％以下とされ、残部がＡｇ及び不可避不純物とすると良い。用いられるＴｉＨ２粉末の粒径は１５μｍ以下が好ましく、より好ましくは５μｍ以下であるとよい。また、ＴｉＨ２粉末を用いたペーストの場合、塗布されたペーストの厚さは、乾燥後で２０μｍ以上３００μｍ以下とすると良い。
また、Ａｇ粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｔｉ粉末又はＴｉＨ２粉末との混合粉末からなるペーストを用いることもできる。
【００８８】
また、上記実施形態に記載したＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材やＡｇ−Ｔｉ系ろう材にＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の元素を添加させることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
さらに、Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペーストとして、ＴｉとＩｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の元素と、残部がＡｇ及び不可避不純物からなるペーストを用いることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
また、第２の実施形態において、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材箔の代わりに第３の実施形態で記載したＡｇ−Ｔｉ系ろう材ペーストを用いることもできる。
【００８９】
また、本実施形態では、絶縁回路基板にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
【実施例】
【００９０】
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。
【００９１】
（実施例１）
窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、銅／セラミックス接合体を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の片面に、表１記載の材質からなる銅板を接合した。銅板の大きさは、４４ｍｍ×２５ｍｍ（但し、セラミックス基板の端部から５ｍｍ突出している）とした。セラミックス基板と銅板の間にろう材を介し、表１に示す条件で、銅板を接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力（荷重）は１．５ｋｇｆ／ｃｍ２とし、接合雰囲気は真空（３×１０−５Ｐａ）とした。
【００９２】
また、ろう材は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ箔の場合にはＡｇ−２８ｍａｓｓ％Ｃｕ−３ｍａｓｓ％Ｔｉ（厚さ：２０μｍ）のろう材を用いた。
Ａｇ−Ｔｉ箔の場合にはＡｇ−１０ｍａｓｓ％Ｔｉ（厚さ：２０μｍ）のろう材を用いた。
Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ−２８ｍａｓｓ％Ｃｕ−３ｍａｓｓ％Ｔｉのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ａｇ−Ｔｉペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ−１０ｍａｓｓ％Ｔｉのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
【００９３】
Ａｇ−Ｚｒペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ−１７ｍａｓｓ％Ｚｒのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ａｇ−Ｈｆペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ−２９ｍａｓｓ％Ｈｆのろう材粉末（粒径４０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ａｇ−Ｎｂペーストの場合には、粉末成分の組成がＡｇ−１８ｍａｓｓ％Ｎｂのろう材粉末（粒径２０μｍ）と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが１５０μｍとなるよう塗布し、ろう材とした。
【００９４】
このようにして得られた銅／セラミックス接合体について、窒化化合物層の厚さ、Ａｇ−Ｃｕ共晶層中の金属間化合物相の有無、窒化化合物層の粒界におけるＣｕ及びＳｉの有無、窒化化合物層中のＡｇ粒子の有無（粒径）、銅板とセラミックス基板との間の９０°ピール強度を評価した。
【００９５】
（接合界面の観察）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５）を用いて、倍率１５０００倍（測定視野：６μｍ×８μｍ）、視野数５で観察を行い、窒化化合物層の厚さ、Ａｇ−Ｃｕ共晶層中の金属間化合物相の有無、窒化化合物層中のＡｇ粒子の有無（粒径）を確認した。
【００９６】
窒化化合物層の厚さについては、銅板とセラミックス基板との接合界面において、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒから選択される窒化物形成元素とＮの元素マッピングを取得し、窒化物形成元素と窒素（Ｎ）が共存する領域を窒化化合物層とみなし、この領域の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均を窒化化合物層の厚さとした。
【００９７】
なお、金属間化合物相の有無については、窒化物形成元素とＳｉの元素マッピングにおいて、窒化物形成元素とＳｉが共存する領域が存在し、その領域の窒化物形成元素の濃度が６０ｍａｓｓ％以上９０ｍａｓｓ％以下であった場合を金属間化合物相「有」とみなした。
また、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ  ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率９１万倍で観察し、０．１ｎｍ程度のビーム径による元素マッピングにより、窒化化合物層の粒界におけるＣｕ及びＳｉの有無を確認した。
【００９８】
Ａｇ粒子の有無については、窒化化合物層内のＡｇの元素マッピングを８ビットグレースケールに変換し、Ａｇ分布像を取得し、Ｋａｐｕｒ−Ｓａｈｏｏ−Ｗｏｎｇ（Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｅｎｔｒｏｐｙ）ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ  ｍｒｔｈｏｄ（Ｋａｐｕｒ，ＪＮ；Ｓａｈｏｏ，ＰＫ；Ｗｏｎｇ，ＡＣＫ（１９８５）、“Ａ  Ｎｅｗ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｇｒａｙ−Ｌｅｖｅｌ  Ｐｉｃｔｕｒｅ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇｔｈｅ  Ｅｎｔｒｏｐｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ”，Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｍｏｄｅｌｓ  ａｎｄ  Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ２９（３）：２７３−２８５参照）に基づいて、Ａｇ分布像を２値化した。２値化した画像からＡｇ粒子の輪郭を抽出し、輪郭内の面積（ピクセル数）から円相当径（直径）を算出した。そして、算出された円相当径のＤ５０をＡｇ粒子の粒径とした。
【００９９】
（９０°ピール強度試験）
銅／セラミックス接合体において、１５０℃で５００時間放置後、接合された銅板のうちセラミックス基板から突出した部分を９０°折り曲げ、セラミックス基板と垂直方向に銅板を引っ張り、銅板がセラミックス基板から剥離するまでの最大の引っ張り荷重を測定した。この荷重を接合長さで割った値を９０°ピール強度とし、表１に記載した。
【０１００】
評価結果を表１に示す。また、本発明例１の銅／セラミックス接合体におけるＳＥＭ観察結果を図１３に、本発明例１の銅／セラミックス接合体におけるＳＴＥＭ観察結果を図１４に示す。
【０１０１】
【表１】
2018008869.tif 000003
【０１０２】
窒化化合物層にＣｕ及びＳｉが存在せず、窒化化合物層の厚さが０．１５μｍ未満であった比較例１においては、９０°ピール強度が３．２ｋＮ／ｍと低くなった。窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制できず、また、セラミックス基板と銅板との接合界面に未反応部が生じたためと推測される。
窒化化合物層の厚さが１．２４μｍとされた比較例２においては、９０°ピール強度が４．５ｋＮ／ｍと低くなった。窒化化合物層が必要以上に厚く形成され、クラックが生じたためと推測される。
【０１０３】
これに対して、本発明例１−１３においては、いずれも９０°ピール強度が高くなった。窒化化合物層の厚さが０．１５μｍ以上１．０μｍ以下とされ、窒化化合物層にＣｕ及びＳｉが存在しており、窒化化合物層におけるクラックの発生が抑制されたためと推測される。
【０１０４】
ここで、本発明例においては、図１３（ａ）（In Lens SE像）に示すように、セラミックス基板（Ｓｉ３Ｎ４）１１の接合界面に窒化化合物層３１とＡｇ−Ｃｕ共晶層３２（図１３（ａ）ではＡｇ−Ｃｕ共晶層３２を構成するＡｇ３２ａとＣｕ３２ｂが観察されている）が観察されている。
また、金属間化合物相３３は、銅板とセラミックス基板との間に存在しているとともに、Ａｇ−Ｃｕ共晶層３２の内部に窒化化合物層３１に隣接して存在していることが確認された。
また、図１３（ｂ）（ＢＳＥ像）に示すように、上述の窒化化合物層３１の内部にＡｇ粒子３５が分散していることが確認された。
そして、本発明例においては、図１４（上段の図はＨＡＡＤＦ像、中央の図はＣｕの元素マッピング、下段の図はＳｉの元素マッピング）に示すように、窒化化合物層の粒界にＣｕ及びＳｉが存在していることが確認された。
【０１０５】
（実施例２）
窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、絶縁回路基板を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の両面に、表２記載の材質からなる銅板を接合した。銅板の大きさは、３７ｍｍ角で厚さ０．８ｍｍとした。セラミックス基板と銅板の間にろう材を介し、表２に示す条件で、銅板を接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力（荷重）は１．５ｋｇｆ／ｃｍ２とし、接合雰囲気は真空（３×１０−５Ｐａ）とした。なお、表２に示すろう材は、上述の実施例１と同様のものを用いた。
【０１０６】
このようにして得られた絶縁回路基板について、窒化化合物層の厚さ、窒化化合物層におけるセラミックス基板側の界面から全厚の２５％位置の領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、銅板側の界面から全厚の２５％位置の領域におけるにＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１、セラミックス基板と銅板との初期接合率、冷熱サイクル試験によるセラミックス基板の割れを評価した。
【０１０７】
（窒化化合物層の厚さ、窒化化合物層におけるＡｇ濃度）
窒化化合物層の厚さ方向のライン分析を、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ  ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率９１万倍で実施し、縦軸をＡｇ濃度、横軸を測定位置としてグラフを作成した。
窒化化合物層の全厚をｔとして、セラミックス基板側の界面から窒化化合物層の全厚ｔの２５％（ｔ／４）位置までの領域において原点を通る横軸とＡｇ濃度曲線とで囲まれる面積をｔ／４で割ってＡｇの平均濃度Ｃ１とした。また、銅板側の界面から窒化化合物層の全厚ｔの２５％（ｔ／４）位置までの領域において原点を通る横軸とＡｇ濃度曲線とで囲まれる面積をｔ／４で割ってＡｇの平均濃度Ｃ２とした。
【０１０８】
ここで、セラミックス基板と窒化化合物層との界面は、ライン分析における窒化物形成元素の濃度が、セラミックス基板側から見て初めて１０ａｔ％以上となった位置を界面とした。
また、銅板と窒化化合物層との界面は、ライン分析における窒化物形成元素の濃度が、銅板側から見て初めて１０ａｔ％以上となった位置を界面とした。
そして、窒化化合物層の全厚ｔは、上述のように規定されたセラミックス基板との界面位置及び銅板との界面位置から算出した。
【０１０９】
（初期接合率）
銅板とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて以下の式を用いて求めた。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち銅板の接合面の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
【０１１０】
（セラミックス基板の割れ）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ−７２ＥＳ）を使用し、−４０℃×５分←→１５０℃×５分の冷熱サイクルを２００回繰り返す毎に、セラミックス基板の割れの有無を確認し、割れが確認された回数を測定した。なお、１４００回負荷時に割れが確認されなかったものは「＞１４００」と記載した。
【０１１１】
【表２】
2018008869.tif 000004
【０１１２】
窒化化合物層におけるセラミックス基板側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ１と、銅板側の界面から全厚の２５％位置までの領域におけるＡｇの平均濃度Ｃ２との比Ｃ２／Ｃ１が小さいと、初期接合率が高く、かつ、セラミックス基板の割れが抑制される傾向にあった。これは、セラミックス基板側にＡｇが十分に拡散しており、界面反応が進行しているためと推測される。
【０１１３】
以上のことから、本発明例によれば、銅部材と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【０１１４】
１０、１１０、２１０  絶縁回路基板
１１  セラミックス基板
１２、１１２、２１２  回路層
１３、１１３  金属層
２２、１２２、１２３、２２２  銅板
２４  Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材
３１  窒化化合物層
３２  Ａｇ−Ｃｕ共晶層
３３  金属間化合物相
３４  Ｃｕ及びＳｉ
３５  Ａｇ粒子
１２４  Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材
２２４  Ａｇ−Ｔｉ系ろう材ペースト
【図１】
2018008869.tif 000005
【図２】
2018008869.tif 000006
【図３】
2018008869.tif 000007
【図４】
2018008869.tif 000008
【図５】
2018008869.tif 000009
【図６】
2018008869.tif 000010
【図７】
2018008869.tif 000011
【図８】
2018008869.tif 000012
【図９】
2018008869.tif 000013
【図１０】
2018008869.tif 000014
【図１１】
2018008869.tif 000015
【図１２】
2018008869.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
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