(57)【要約】【課題】セラミックス基板に接合されるアルミニウム板の溶融を抑制することができ、かつ、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法を提供する。【解決手段】窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１に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２２、２３を接合することによって形成されたアルミニウム層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、セラミックス基板１１の表面に酸化膜１１ａを形成する酸化膜形成工程と、酸化膜１１ａを介してアルミニウム板２２，２３を接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、酸化膜形成工程では、酸化膜１１ａの平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウムからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板に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を接合することによって形成されたアルミニウム層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜を介して前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、
前記酸化膜形成工程では、前記酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とすることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記アルミニウム板接合工程では、ろう材を用いた液相接合で前記アルミニウム板を接合し、接合温度を５８０℃以上６３０℃以下の範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項３】
前記アルミニウム板接合工程では、前記アルミニウム板を固相拡散接合によって前記酸化膜に接合し、接合温度を６２０℃以上６５０℃以下の範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記酸化膜形成工程では、露点−２０℃以下の酸化雰囲気において前記酸化膜を形成す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絶縁回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記酸化膜形成工程では、処理温度を１１００℃以上１３００℃以下の範囲内、前記処理温度での保持時間を１５分以上６０分以下の範囲内とす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絶縁回路基板の製造方法。
【請求項６】
接合される前記アルミニウム板の厚さを０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内とすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の絶縁回路基板の製造方法。
【請求項７】
窒化アルミニウムからなるセラミックス基板に、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層が形成された絶縁回路基板であって、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との間に、平均厚さ０．７μｍ以上１８μｍ以下の酸化膜が形成されていることを特徴とすることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項８】
請求項７に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項９】
請求項７に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴とするＬＥＤモジュール。
【請求項１０】
請求項７に記載の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載された熱電素子と、を備えていることを特徴とする熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板に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を接合することによって形成されたアルミニウム層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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とされている。
また、上述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に導電性の優れた金属板を接合して回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層を形成した構造のものも提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁回路基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板からなる回路層が形成されるとともに他方の面にアルミニウム板からなる金属層が形成された絶縁回路基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
また、特許文献２に示すＬＥＤモジュールにおいては、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造とされている。
ここで、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板を接合する際には、通常、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開２０１５−０７０１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のＬＥＤモジュール等においては、発光素子が搭載される回路層の厚さをさらに薄くすることが求められており、例えば厚さ１００μｍ以下のアルミニウム板をセラミックス基板に接合する場合がある。
このように厚さの薄いアルミニウム板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した場合には、回路層となるアルミニウム板にＳｉが拡散して融点が低下し、回路層の一部が溶融してしまうおそれがあった。
【０００６】
回路層の溶融を抑制するために、ろう付け温度を低下させたり、固相拡散接合を適用したりした場合には、接合が不十分となり、接合信頼性が低下してしまう。このため、発熱密度が高い用途には適用することができなかった。
以上のように、従来の絶縁回路基板においては、回路層を薄く形成した場合には、回路層の溶融を抑制し、かつ、回路層とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることは困難であった。
【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、セラミックス基板に接合されるアルミニウム板の溶融を抑制することができ、かつ、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュール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】
上述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板の製造方法は、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板に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を接合することによって形成されたアルミニウム層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜を介して前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記酸化膜形成工程では、前記酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とすることを特徴としている。
【０００９】
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、ＡｌＮからなるセラミックス基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜を介してアルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、を備えているので、低温条件で接合した場合であっても、セラミックス基板とアルミニウム板とを強固に接合することができる。すなわち、酸化膜が形成されることにより、アルミニウム板との密着性が向上することから、低温条件で接合しても、アルミニウム板とセラミックス基板とを確実に接合することが可能となる。
【００１０】
また、酸化膜形成工程では、酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上としているので、セラミックス基板の表面全体に酸化膜を形成することができる。
一方、酸化膜形成工程では、酸化膜の平均厚さを１８μｍ以下としているので、酸化膜内部や酸化膜とセラミックス基板との界面におけるクラックの発生を抑制することができる。
上述のように、酸化膜の平均厚さを設定することによって、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を確実に向上させることが可能となる。
【００１１】
ここで、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記アルミニウム板接合工程では、ろう材を用いた液相接合で前記アルミニウム板を接合し、接合温度を５８０℃以上６３０℃以下の範囲内とすることが好ましい。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記アルミニウム板接合工程では、ろう材を用いた液相接合で前記アルミニウム板を接合しており、その接合温度を５８０℃以上としているので、アルミニウム板とセラミックス基板とを確実に接合することができ、接合信頼性を向上させることができる。一方、接合温度を６３０℃以下としているので、接合時においてアルミニウム板の一部が溶融してしまうことを抑制することができる。
【００１２】
また、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記アルミニウム板接合工程では、前記アルミニウム板を固相拡散接合によって前記酸化膜に接合し、接合温度を６２０℃以上６５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記アルミニウム板接合工程では、前記アルミニウム板を固相拡散接合によって前記酸化膜に接合しており、その接合温度を６２０℃以上としているので、アルミニウム板とセラミックス基板とを確実に接合することができ、接合信頼性を向上させることができる。一方、接合温度を６５０℃以下としているので、接合時においてアルミニウム板の一部が溶融してしまうことを抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記酸化膜形成工程では、露点−２０℃以下の酸化雰囲気において前記酸化膜を形成することが好ましい。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、露点−２０℃以下の酸化雰囲気においてセラミックス基板の表面に前記酸化膜を形成するので、酸化膜が異常成長することがなく、比較的均一な厚さで酸化膜を形成することができる。よって、接合温度を低く設定しても、セラミックス基板とアルミニウム板とを確実に接合することができる。
【００１４】
さらに、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記酸化膜形成工程では、処理温度を１１００℃以上１３００℃以下の範囲内、前記処理温度での保持時間を１５分以上６０分以下の範囲内とすることが好ましい。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、形成される酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とすることができる。よって、接合温度を低く設定しても、セラミックス基板とアルミニウム板とを確実に接合することができる。
【００１５】
また、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、接合される前記アルミニウム板の厚さを０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００１６】
本発明の絶縁回路基板は、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板に、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層が形成された絶縁回路基板であって、  前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との間に、平均厚さ０．７μｍ以上１８μｍ以下の酸化膜が形成されていることを特徴としている。
【００１７】
この構成の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との間に、平均厚さ０．７μｍ以上１８μｍ以下の酸化膜が形成されているので、接合界面に酸化膜が均一に形成されており、アルミニウム層とセラミックス基板とを均一に接合することができる。また、この酸化膜におけるクラックの発生を抑制することができる。よって、アルミニウム層とセラミックス基板との接合信頼性が向上する。
【００１８】
本発明のパワーモジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
本発明のＬＥＤモジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴としている。
本発明の熱電モジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載された熱電素子と、を備えていることを特徴としている。
【００１９】
本発明のパワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールによれば、上述の絶縁回路基板を有しているので、セラミックス基板とアルミニウム層との接合信頼性に優れており、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールの信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、セラミックス基板に接合されるアルミニウム板の溶融を抑制することができ、かつ、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板及びＬＥＤモジュールの断面説明図である。
【図２】本発明の実施形態である絶縁回路基板のセラミックス基板と回路層及び金属層の接合界面の拡大説明図である。
【図３】図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。
【図４】図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。
【図５】図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。
【図６】酸化膜形成工程後のセラミックス基板の断面拡大説明図である。
【図７】本発明例１において、酸化膜形成工程を実施した後のセラミックス基板の断面のＳＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２３】
図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板１０及びこれを用いたＬＥＤモジュール１を示す。
図１に示すＬＥＤモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合されたＬＥＤ素子３と、絶縁回路基板１０の下側に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。なお、ヒートシンク３１が接合された絶縁回路基板１０が、本実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板３０とされている。
【００２４】
ＬＥＤ素子３は、半導体材料で構成されており、電気エネルギーを光に変換する光電変換素子である。なお、ＬＥＤ素子３の光変換効率は２０〜３０％程度であり、残りの７０〜８０％のエネルギーは熱となるため、ＬＥＤモジュール１においては効率的に熱を放散させることが求められる。
ここで、このＬＥＤ素子３と絶縁回路基板１０とを接合する接合層２は、例えばＡｕ−Ｓｎ合金はんだ材等とされている。
【００２５】
本実施形態に係る絶縁回路基板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（アルミニウム層）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（アルミニウム層）と、を備えている。
【００２６】
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ＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、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。
【００２７】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有するアルミニウム板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、図４に示すように、回路層１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなるアルミニウム板２２がセラミックス基板１１に接合されることによって形成されている。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、ＬＥＤ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（アルミニウム板２２）の厚さは０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、本実施形態では、回路層１２となるアルミニウム板２２は、純度９９ｍａｓｓ％以上（２Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
また、アルミニウム板２２としては、Ａ１０５０、Ａ１０８５、Ａ１１００、Ａ３００３等や、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎアルミニウム）を用いることもできる。
【００２８】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に熱伝導性に優れたアルミニウム板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、図４に示すように、金属層１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金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に接合されることによって形成されている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは  ０．０５ｍｍ以上２．１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、本実施形態では、金属層１３となるアルミニウム板２３は、純度９９ｍａｓｓ％以上（２Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
また、アルミニウム板２３としては、Ａ１０５０、Ａ１０８５、Ａ１１００、Ａ３００３等や、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎアルミニウム）を用いることもできる。
【００２９】
ここで、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との接合界面には、図２に示すように、酸化膜１１ａが存在する。この酸化膜１１ａの平均厚さは、０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とされている。なお、この酸化膜１１ａは、後述するように、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１１の表面に形成されたものである。
【００３０】
ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク３１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱板とされている。具体的には、Ａ６０６３合金からなる放熱板とされ、その厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
また、ヒートシンク３１としては、Ａ１０５０、Ａ１１００、Ａ３００３、Ａ６０６１等のアルミニウムを用いることもできる。
【００３１】
ここで、本実施形態においては、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク３１との間には緩衝層１５が配設されている。
本実施形態においては、図５に示すように、緩衝層１５は、アルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなるアルミニウム板２５が金属層１３及びヒートシンク３１に接合されることによって形成されている。ここで、緩衝層１５（アルミニウム板２５）の厚さは０．２ｍｍ以上１.２ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、本実施形態では、緩衝層１５となるアルミニウム板２５は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
また、金属層１３と緩衝層１５（アルミニウム板２５）、及び、緩衝層１５（アルミニウム板２５）とヒートシンク３１とは、図４に示すように、ろう材２８、２９を用いて接合されている。
【００３２】
次に、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２から図６を参照して説明する。
【００３３】
まず、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１を雰囲気炉５１内に装入して酸化処理を行い、セラミックス基板１１の表面に酸化膜１１ａを形成する（酸化膜形成工程Ｓ０１）。
ここで、図６に示すように、この酸化膜形成工程Ｓ０１によってセラミックス基板１１の表面に形成される酸化膜１１ａの平均厚さｔは、０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とされる。なお、図４に示すように、酸化膜１１ａは、回路層１２となるアルミニウム板２２及び金属層１３となるアルミニウム板２３が接合される領域にのみ形成されるようにマスキングを行ってもよい。
【００３４】
本実施形態では、酸化膜形成工程Ｓ０１においては、露点−２０℃以下の酸化雰囲気中で、処理温度：１１００℃以上１３００℃以下の範囲内、上述の処理温度での保持時間：１５分以上６０分以下の範囲内の条件で、セラミックス基板１１の酸化処理を実施している。
ここで、雰囲気の露点は、−３０℃以下とすることが好ましく、−４０℃以下とすることがさらに好ましい。
また、酸化膜形成工程Ｓ０１における処理温度の下限は、１１３０℃以上とすることが好ましく、１１８０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、酸化膜形成工程Ｓ０１における処理温度の上限は、１２５０℃以下とすることが好ましく、１２００℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、酸化膜形成工程Ｓ０１における処理温度での保持時間の下限は、２０分以上とすることが好ましく、３０分以上とすることがさらに好ましい。一方、処理温度での保持時間の上限は、５０分以下とすることが好ましく、４０分以下とすることがさらに好ましい。
【００３５】
次に、図４に示すように、酸化膜１１ａを形成したセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となるアルミニウム板２２を積層し、酸化膜１１ａを形成したセラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板積層工程Ｓ０２）。本実施形態では、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１との間にＡｌ−Ｓｉ系のろう材２６を介在させるとともに、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３との間にＡｌ−Ｓｉ系のろう材２７を介在させている。ここで、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６、２７においては、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内のものを用いることが好ましい。また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６、２７の厚さは５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
【００３６】
次いで、積層したアルミニウム板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３を、その積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上１０ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．０９８ＭＰａ以上０．９８０ＭＰａ以下）の範囲で加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合して金属層１３を形成する（アルミニウム板接合工程Ｓ０３）。
アルミニウム板接合工程Ｓ０３における接合条件は、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は５８０℃以上６３０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は１０分以上４５分以下の範囲内に設定されている。
【００３７】
ここで、積層方向の加圧荷重の下限は３ｋｇｆ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上とすることがさらに好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は８ｋｇｆ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、７ｋｇｆ／ｃｍ２以下とすることがさらに好ましい。
また、加熱温度の下限は、５８５℃以上とすることが好ましく、５９０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は、６２５℃以下とすることが好ましく、６２０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は、１５分以上とすることが好ましく、２０分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は、４０分以下とすることが好ましく、３０分以下とすることがさらに好ましい。
【００３８】
また、アルミニウム板積層工程Ｓ０２においては、ろう材２６を用いることなく、酸化膜１１ａとアルミニウム板２２、２３を固相拡散接合によって接合し、回路層１２及び金属層１３を形成することもできる。
この場合、酸化膜１１ａを形成したセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となるアルミニウム板２２を直接積層し、酸化膜１１ａを形成したセラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となるアルミニウム板２３を直接積層する。
そして、積層方向への荷重８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下、好ましくは１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上２５ｋｇｆ／ｃｍ２以下、より好ましくは１５ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下とし、加熱温度６２０℃以上６５０℃以下、好ましくは６３０℃以上６５０℃以下、より好ましくは６４０℃以上６５０℃以下とし、加熱時間３０分以上１５０分以下、好ましくは４５分以上１２０分以下、より好ましくは６０分以上９０分以下の条件で接合する。また、接合雰囲気は真空雰囲気（１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内）とするとよい。
【００３９】
以上のような工程によって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。ここで、セラミックス基板１１に形成された酸化膜１１ａについては、アルミニウム板２２，２３を接合して回路層１２及び金属層１３を形成した後でも、その厚さはほとんど変化しない。
【００４０】
次に、図５に示すように、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側（図５において下側）にろう材２８を介して緩衝層１５となるアルミニウム板２５が積層されるとともに、アルミニウム板２５の他方の面側にろう材２９を介してヒートシンク３１が積層される。そして、これを積層方向に積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上１０ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．０９８ＭＰａ以上０．９８０ＭＰａ以下）の範囲で加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属層１３とアルミニウム板２５、アルミニウム板２５とヒートシンク３１とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
ヒートシンク接合工程Ｓ０４における接合条件は、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は５８０℃以上６１０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は５分以上３０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【００４１】
以上のような工程によって、図５に示すように、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板３０が製造される。
次いで、回路層１２の一方の面に、はんだ材を介してＬＥＤ素子３を積層し、加熱炉内においてはんだ接合する（ＬＥＤ素子接合工程Ｓ０５）。
上記のようにして、本実施形態であるＬＥＤモジュール１が製造される。
【００４２】
以上のような構成とされた本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１１の表面に酸化膜１１ａを形成する酸化膜形成工程Ｓ０１と、この酸化膜１１ａを介してアルミニウム板２２、２３を接合するアルミニウム板接合工程Ｓ０３と、を備えているので、アルミニウム板２２，２３とセラミックス基板１１との密着性が向上することになり、低温条件で接合しても、アルミニウム板２２，２３とセラミックス基板１１とを確実に接合することが可能となる。
【００４３】
そして、酸化膜形成工程Ｓ０１においては、酸化膜１１ａの平均厚さｔを０．７μｍ以上としているので、セラミックス基板１１の表面に均一に酸化膜１１ａを形成することができ、アルミニウム板２２，２３とセラミックス基板１１とを確実に接合することが可能となる。
一方、酸化膜形成工程Ｓ０１においては、酸化膜１１ａの平均厚さｔを１８μｍ以下としているので、酸化膜１１ａ内部や酸化膜１１ａとセラミックス基板１１との界面におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００４４】
また、本実施形態では、酸化膜形成工程Ｓ０１において、露点−２０℃以下の酸化雰囲気で酸化膜１１ａを形成する構成としているので、酸化膜が異常成長することがなく、比較的均一な厚さで酸化膜を形成することができる。
さらに、本実施形態では、酸化膜形成工程Ｓ０１において、処理温度を１１００℃以上１３００℃以下の範囲内、前記処理温度での保持時間を１５分以上６０分以下の範囲内に設定しているので、形成される酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とすることができる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、アルミニウム板接合工程Ｓ０２における接合温度を５８０℃以上としているので、アルミニウム板２２、２３とセラミックス基板１１とを確実に接合することができ、接合信頼性を向上させることができる。一方、アルミニウム板接合工程Ｓ０２における接合温度を６３０℃以下としているので、接合時においてアルミニウム板２２，２３の一部が溶融してしまうことを抑制することができる。
【００４６】
さらに、本実施形態では、接合されるアルミニウム板２２，２３の厚さを０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内に設定しているので、接合時にアルミニウム板２２，２３が溶融することを抑制することができる。
なお、本実施形態では、金属層１３の厚さが薄くなっているが、緩衝層１５を備えているので、熱応力を緩衝層１５によって緩和することができる。
【００４７】
また、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３の接合界面に酸化膜１１ａが形成されており、この酸化膜１１ａの平均厚さが０．７μｍ以上１８μｍ以下とされているので、接合界面に酸化膜１１ａが均一に形成されており、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３を均一に接合することができる。また、酸化膜１１ａが必要以上に厚くないため、酸化膜１１ａにおけるクラックの発生を抑制することができる。
【００４８】
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。
【００４９】
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤ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パワー半導体素子を搭載してパワー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。
【００５０】
また、本実施形態では、セラミックス基板とアルミニウム板とをろう材を用いて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、固相拡散接合によって接合してもよい。さらに、接合面にＣｕ、Ｓｉ等の添加元素を固着させ、これらの添加元素を拡散させることで溶融・凝固させる過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合してもよい。また、接合界面を半溶融状態として接合してもよい。
【００５１】
さらに、本実施形態では、緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層を備えていなくてもよい。
また、ヒートシンクをアルミニウム合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅又は銅合金等の他の金属で構成されていてもよいし、金属と炭素材との複合材料（例えばＡｌＳｉＣ等）で構成されていてもよい。
【００５２】
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にそれぞれアルミニウム板を接合して回路層及び金属層を形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板の一方の面にのみアルミニウム板を接合して回路層を形成し、金属層を形成しなくてもよいし、他の金属等で構成してもよい。また、セラミックス基板の他方の面にのみアルミニウム板を接合して金属層を形成し、回路層を他の金属等で構成してもよい。
【実施例】
【００５３】
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。
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）を準備し、表１に示す条件で酸化処理を行い、表面に酸化膜を形成した。なお、従来例では、酸化処理を実施しなかった。
【００５４】
上述のセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表２に示すアルミニウム板を積層し、真空条件下（３×１０‐４Ｐａ）でセラミックス基板とアルミニウム板とを接合した。
なお、表２において「ろう付け」は、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材（Ｓｉ：５ｍａｓｓ％、厚さ７μｍ）を用いて接合した。
表２において「固相拡散」は、アルミニウム板とセラミックス基板を固相拡散接合によって接合した。
表２において「ＴＬＰ」は、アルミニウム板の接合面にＣｕを０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように固着し、過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合した。
【００５５】
上述のようにして得られた絶縁回路基板について、以下のように評価した。
【００５６】
（酸化膜の平均厚さ）
酸化処理を実施した後のセラミックス基板の断面観察を行い、酸化膜の平均厚さを評価した。評価結果を表１に示す。
セラミックス基板の断面観察は、ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて行い、ＡｌＮと酸化物層との界面を含む領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）のＡｌ及びＯの元素ＭＡＰを取得し、Ａｌ濃度が２０ａｔ％以上かつＯ濃度が４５ａｔ％以上７５ａｔ％以下の領域を酸化膜と見做し、その面積を測定幅で割った値を酸化膜の厚さとした。このような測定を５視野で実施し、その平均値を酸化膜の平均厚さとした。
なお、本発明例１のセラミックス基板の断面観察結果を図７に示す。セラミックス基板の表面に酸化膜が形成されていることが確認される。
【００５７】
（冷熱サイクル試験）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ−７２ＥＳ）を使用し、絶縁回路基板に対して、気相で、−４０℃×５分←→１７５℃×５分の８００サイクルを実施した。
この後、セラミックス基板とアルミニウム板との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前（初期接合率）と冷熱サイクル試験後（サイクル後接合率）に行った。
【００５８】
接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、セラミックス基板とアルミニウム板（回路層及び金属層）との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
これらの結果を表３に記載した。
【００５９】
【表１】
2018046265.tif 000003
【００６０】
【表２】
2018046265.tif 000004
【００６１】
【表３】
2018046265.tif 000005
【００６２】
比較例１、２においては、セラミックス基板の表面に形成された酸化膜の平均厚さが本発明の範囲よりも薄く、酸化膜が均一に形成されなかったため、冷熱サイクル試験後の接合率が低くなった。
比較例３、４においては、セラミックス基板の表面に形成された酸化膜の平均厚さが本発明の範囲よりも厚く、冷熱サイクル負荷時に酸化膜にクラックが生じたため、冷熱サイクル試験後の接合率が低くなった。
従来例においては、酸化処理を行っていないことからセラミックス基板の表面に酸化膜が形成されておらず、６２０℃の接合温度では十分な接合強度が得られなかったため、冷熱サイクル試験後の接合率が低くなった。
【００６３】
これに対して、本発明例１−１０においては、いずれも冷熱サイクル試験後の接合率が９０．６％以上と高くなっており、接合信頼性に優れていたことが確認された。また、本発明例では、接合方式として「ろう付け」、「ＴＬＰ」、「固相拡散」を適用したが、いずれも、接合温度を６５０℃以下の比較的低温条件にしても、接合信頼性に優れていた。
【００６４】
以上のことから、本発明例によれば、低温条件で接合してもアルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板を提供できることが確認された。
【符号の説明】
【００６５】
１  ＬＥＤモジュール
３  ＬＥＤ素子
１０  絶縁回路基板
１１  セラミックス基板
１２  回路層（アルミニウム層）
１３  金属層（アルミニウム層）
３０  ヒートシンク付き絶縁回路基板
３１  ヒートシンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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