(57)【要約】【課題】セラミックス部材とＣｕ部材とが良好に接合され、かつ、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できる接合体、及びパワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】セラミックスからなるセラミックス部材１１と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材１２とがＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して接合された接合体１０であって、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層中には、Ｐ及びＴｉを含有する金属間化合物が分散している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とがＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して接合された接合体であって、
前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層が形成され、
このＣｕ−Ｓｎ層中には、Ｐ及びＴｉを含有する金属間化合物が分散していることを特徴とする接合体。
【請求項２】
請求項１に記載の接合体からなり、
前記セラミックス部材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Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して前記Ｃｕ部材からなるＣｕ板が接合されてなる回路層と、を備え、
前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層が形成され、
このＣｕ−Ｓｎ層中には、Ｐ及びＴｉを含有する金属間化合物が分散していることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記金属層は、
前記セラミックス基板の他方の面に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介してＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ板が接合されてなり、
前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層が形成され、
このＣｕ−Ｓｎ層中には、Ｐ及びＴｉを含有する金属間化合物が分散していることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記金属層は、Ａｌ又はＡｌ合金からなることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックス部材とＣｕ部材とが接合された接合体、及びセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用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、電気自動車等の電気車両など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、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）などからなる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回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
【０００３】
例えば、特許文献１に示すパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板（セラミックス部材）の一方の面に、Ｃｕ板（Ｃｕ部材）を接合することで回路層が形成された構造とされている。このパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介在させてＣｕ板を配置し、加熱処理を行うことによりＣｕ板が接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３７５７３０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、特許文献１に開示されたように、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介してセラミックス基板とＣｕ板とを接合し回路層を形成すると、セラミックス基板とろう材との接合界面には、Ｃｕ、Ｍｇ、又はＴｉを含む金属間化合物層が厚く形成される。
【０００６】
このセラミックス基板とろう材との接合界面に形成される金属間化合物層は、硬いため、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に発生する熱応力が大きくなり、セラミックス基板にクラックが生じ易くなる問題があった。
また、セラミックス基板とＣｕ板とを、ろう材を介して接合する際に、セラミックス基板とろう材との接合界面に硬い金属間化合物層が厚く形成されると、セラミックス基板と回路層の接合率が悪化し、良好に接合できないおそれもあった。
【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、セラミックス部材とＣｕ部材とが良好に接合され、かつ、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できる接合体、及びパワーモジュール用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】
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とがＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して接合された接合体であって、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層中には、Ｐ及びＴｉを含有する金属間化合物が分散していることを特徴としている。
【０００９】
本発明の接合体によれば、セラミックス部材とＣｕ部材との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、金属間化合物に取り込まれることにより、Ｃｕ−Ｓｎ層が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層中に金属間化合物が分散している。すなわち、セラミックス部材とＣｕ−Ｓｎ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス部材に生じる熱応力を低減し、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できる。
また、セラミックス部材とＣｕ−Ｓｎ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、セラミックス部材とＣｕ部材との接合率が向上し、セラミックス部材とＣｕ部材とが良好に接合されている。
【００１０】
本発明のパワーモジュール用基板は、上述の接合体からなり、前記セラミックス部材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Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介して前記Ｃｕ部材からなるＣｕ板が接合されてなる回路層と、を備え、前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層中には、Ｐ及びＴｉを含有する金属間化合物が分散していることを特徴としている。
【００１１】
本発明のパワーモジュール用基板によれば、セラミックス基板と回路層との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、金属間化合物に取り込まれることにより、Ｃｕ−Ｓｎ層が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層中に金属間化合物が分散している。すなわち、セラミックス基板とＣｕ−Ｓｎ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制できる。また、セラミックス基板とＣｕ−Ｓｎ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、セラミックス基板と回路層との接合率が向上し、セラミックス基板と回路層とが良好に接合される。
【００１２】
また、本発明のパワーモジュール用基板において、前記セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板の他方の面に金属層が形成されているので、金属層を介してセラミックス基板側の熱を効率的に放散することができる。
【００１３】
また、前記金属層は、前記セラミックス基板の他方の面に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を介してＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ板が接合されてなり、前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層中には、Ｐ及びＴｉを含有する金属間化合物が分散していることが好ましい。
【００１４】
この場合、セラミックス基板と金属層との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰが、金属間化合物に取り込まれることにより、Ｃｕ−Ｓｎ層が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層中に金属間化合物が分散している。すなわち、セラミックス基板とＣｕ−Ｓｎ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制できる。また、セラミックス基板とＣｕ−Ｓｎ層との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、セラミックス基板と金属層との接合率が向上し、セラミックス基板と金属層とが良好に接合される。
【００１５】
また、前記金属層は、Ａｌ又はＡｌ合金からなる構成とされても良い。
この場合、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層は、強度が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス基板に生じる熱応力を低減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、セラミックス部材とＣｕ部材とが良好に接合され、かつ、冷熱サイクルが負荷された際に、セラミックス部材にクラックが発生することを抑制できる接合体、及びパワーモジュール用基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用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】本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図３】図２に示す回路層とセラミックス基板との接合界面における断面を撮影した電子顕微鏡写真とその概略説明図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図８】本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。
【図９】本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。
【図１０】本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図１１】本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図１２】本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。
【図１３】本発明の第三実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。
【図１４】本発明の第四実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図１５】図１４に示す回路層とセラミックス基板との接合界面における断面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１６】本発明の第四実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法を説明するフロー図である。
【図１７】本発明の第四実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第一実施形態）
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。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
本実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、Ｃｕ部材であるＣｕ板２２（回路層１２）とが接合されてなるパワーモジュール用基板１０である。図１に、本実施形態であるパワーモジュール用基板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が配設されたパワーモジュール用基板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とを備えている。
【００１９】
パワーモジュール用基板１０は、図２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２において上面）に配設された回路層１２とを備えている。
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）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。
【００２０】
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Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板（Ｃｕ板２２）が、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材を介して接合されることにより形成されている。
Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材として、具体的には、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｚｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｃｒ系ろう材などが挙げられ、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材としてＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５を用いている。
なお、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の融点は７１０℃以下であり、本実施形態で用いられるＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５の融点は５８０℃である。なお、本実施形態においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の固相線温度をＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の融点としている。
【００２１】
本実施形態において、回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、Ｔｉ材としてＴｉペースト２４、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２を順に積層し、これらを加熱処理してＣｕ板２２を接合することで、形成されている（図５参照）。ここで、Ｔｉペーストは、例えば、Ｔｉ粉末と、樹脂と、溶剤とを含有するペーストである。
樹脂としては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を用いることができる。
また、溶剤としては、例えば、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、トルエン、テキサノ−ル、トリエチルシトレート等を用いることができる。
なお、回路層１２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。
【００２２】
図３に、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面の電子顕微鏡写真及びその概略説明図を示す。セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面には、図３に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ層１４が形成されている。そして、このＣｕ−Ｓｎ層１４には、Ｐ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物１７が分散している。
【００２３】
Ｃｕ−Ｓｎ層１４は、ＳｎがＣｕ中に固溶した層である。このＣｕ−Ｓｎ層１４は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５に含まれるＰ及びＮｉが、金属間化合物１７に取り込まれることにより形成される層である。
【００２４】
金属間化合物１７は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５に含まれるＰ及びＮｉが、Ｔｉ粉末のＴｉと結合することにより形成される。本実施形態において、金属間化合物１７は、図３に示すように、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相１７ａ、Ｐ−Ｔｉ相１７ｂ、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ相１７ｃと、を有している。これらの相は、Ｃｕ−Ｓｎ層１４中に存在するＴｉ粒子１８を囲うようにＣｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相１７ａ、Ｐ−Ｔｉ相１７ｂ、及びＰ−Ｎｉ−Ｔｉ相１７ｃが、内側から順に年輪状に形成されている。すなわち、Ｃｕ−Ｓｎ層１４中には、Ｔｉ粒子１８をコアとして、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相１７ａ、Ｐ−Ｔｉ相１７ｂ、及びＰ−Ｎｉ−Ｔｉ相１７ｃが、この順にシェルとして形成されたコアシェル型の介在物が分散しているのである。なお、このＴｉ粒子１８が存在せず、金属間化合物１７のみが年輪状に形成されているものも存在する。また、この年輪状に形成された金属間化合物１７を構成するＣｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相１７ａ、Ｐ−Ｔｉ相１７ｂ、及びＰ−Ｎｉ−Ｔｉ相１７ｃは、一部消失し不連続となっていることもある。
【００２５】
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とは、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系のはんだ材とされている。
【００２６】
次に、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、及びパワーモジュール１の製造方法について、図４のフロー図及び図５を参照して説明する。
まず、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、スクリーン印刷法により、Ｔｉペースト２４を塗布した後、乾燥させる。（Ｔｉペースト塗布工程Ｓ０１）。本実施形態においては、このＴｉペースト２４に含有されるＴｉ粉の粒径は、５μｍ以上４０μｍ以下とされている。また、Ｔｉペースト２４中のＴｉ粉の含有量は、４０ｍａｓｓ％以上９０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
また、Ｔｉペースト２４は、Ｔｉ量が１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下となるように塗布するとよい。より好ましくは、Ｔｉ量が２ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下となるよう塗布するとよい。
また、乾燥は１２０℃以上１５０℃以下で、１０分以上３０分以下の範囲で行うことが好ましい。
【００２７】
次に、セラミックス基板１１の一方の面のＴｉペースト２４が配置された位置に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、及び回路層１２となるＣｕ板２２を順に積層する（積層工程Ｓ０２）。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板２２の間において、セラミックス基板１１側にＴｉペースト２４を配置し、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５を配置している。
なお、Ｔｉペースト２４とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５の配置を逆にすることも可能である。この場合、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が配置され、Ｃｕ板２２側にＴｉペースト２４が配置される。
【００２８】
本実施形態において、セラミックス基板１１の一方の面に印刷されたＴｉペースト２４の厚さは、乾燥後において、１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲とされている。
また、本実施形態において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５の組成は、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされている。また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５の厚みは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とされ、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５の厚みを３０μｍとしている。
【００２９】
次に、セラミックス基板１１、Ｔｉペースト２４、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、及びＣｕ板２２を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ０３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度を６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間を３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
【００３０】
この加熱処理工程Ｓ０３においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が溶融して液相が形成され、この液相にＴｉペースト２４が溶け込み、液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とが接合されることになる。このとき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５中に含まれるＰ及びＮｉは、Ｔｉペースト２４に含まれるＴｉ粉末と結合し、金属間化合物１７が形成される。そして、セラミックス基板１１と回路層１２との間には、母相にＰとＮｉを含有しない若しくは非常に少ないＣｕ−Ｓｎ層１４が形成される。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
【００３１】
次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ０４）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１が製造される。
【００３２】
以上のような構成とされた本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０によれば、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５に含まれるＰ及びＮｉが、金属間化合物１７に取り込まれることにより、Ｃｕ−Ｓｎ層１４が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層１４中に金属間化合物１７が分散している。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板１１にクラックが発生することを抑制できる。また、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、セラミックス基板１１と回路層１２との接合率が向上し、セラミックス基板１１と回路層１２とが良好に接合されている。
【００３３】
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、パワーモジュール１によれば、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ板２２からなる回路層１２が形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げてセラミックス基板１１側に放散することができる。また、Ｃｕ板２２は比較的変形抵抗が大きいので、冷熱サイクルが負荷された際に、回路層１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２とを接合する接合層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
【００３４】
また、本実施形態のパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との間に、Ｔｉペースト２４とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５とを介在させた状態で加熱処理を行う構成とされているので、加熱時にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が溶融した液相にＴｉが溶け込み、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５の液相とセラミックス基板１１との濡れ性が良好となる。
【００３５】
また、加熱処理工程Ｓ０３において、加熱温度が６００℃以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との接合界面において、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５を確実に溶融させることができ、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とを確実に接合可能となる。また、加熱温度が６５０℃以下の場合、セラミックス基板１１が熱劣化することを抑制できるとともに、セラミックス基板１１に生じる熱応力を低減することができる。このような理由のため、本実施形態では、加熱温度は、６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定されている。
【００３６】
また、加熱処理工程Ｓ０３において、加圧される圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０ＭＰａ）以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５との液相を密着させることができ、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４とを良好に接合できる。また、加圧される圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２（３．４３ＭＰａ）以下の場合、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。このような理由のため、本実施形態では、加圧される圧力は１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．１０ＭＰａ以上３．４３ＭＰａ以下）の範囲内に設定されている。
さらに、加熱処理工程Ｓ０３において、加熱時間が３０分以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ板２２との接合界面において、溶融したＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５に含まれるＰと、Ｔｉ粉に含まれるＴｉとが結合する時間が十分に確保され、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｓｎ層を確実に形成可能となる。また、加熱時間が３６０分を超えても、加熱時間が３６０分の場合以上にセラミックス基板１１と回路層１２との接合性が向上しない。さらに、加熱時間が３６０分を超えると生産性が低下してしまう。このような理由のため、本実施形態では、加熱時間は、３０分以上３６０分以下の範囲内に設定されている。
また、本実施形態においては、ろう材の融点が５８０℃であるＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５を用いているので、低温でろう材の液相を形成することができる。
【００３７】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図６に、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０を備えたパワーモジュール１０１を示す。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図６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、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図６において下側）に配置されたヒートシンク１３０と、を備えている。
【００３８】
パワーモジュール用基板１１０は、図７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、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００３９】
回路層１１２は、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１の一方の面に、Ｔｉ材としてＴｉペースト２４、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、無酸素銅からなるＣｕ板１２２を順に積層し、加熱処理してＣｕ板１２２を接合することで形成されている（図９参照）。
なお、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、第二実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００４０】
そして、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面には、第一実施形態と同様に、Ｃｕ−Ｓｎ層１４が形成されている。そして、このＣｕ−Ｓｎ層１４には、Ｐ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物１７が分散している。
【００４１】
金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板が、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材を介して接合されることにより形成されている。第二実施形態において、金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面にＴｉ材としてＴｉペースト２４、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、無酸素銅からなるＣｕ板１２３を積層した状態で、これらを加熱処理してＣｕ板１２３を接合することで形成されている（図９参照）。
この金属層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。
【００４２】
また、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面には、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面と同様に、Ｃｕ−Ｓｎ層１４が形成されており、このＣｕ−Ｓｎ層１４には、Ｐ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物１７が分散している。
【００４３】
ヒートシンク１３０は、前述のパワーモジュール用基板１１０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１３０は、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。このヒートシンク１３０には、冷却用の流体が流れるための流路１３１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１３０と金属層１１３とが、はんだ材からなるはんだ層１３２によって接合されている。
【００４４】
次に、本実施形態に係るパワーモジュール１０１の製造方法について、図８のフロー図及び図９を参照して説明する。
まず、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図９において上面）及び他方の面（図９において下面）に、スクリーン印刷法によりＴｉペースト２４を塗布した後、乾燥させる（Ｔｉペースト塗布工程Ｓ１１）。
【００４５】
次に、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、及び回路層１１２となるＣｕ板１２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ１２）とともに、セラミックス基板１１の他方の面にも、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、及び金属層１１３となるＣｕ１２３板を順に積層する（第二積層工程Ｓ１３）。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２、１２３の間において、セラミックス基板１１側にＴｉペースト２４を配置し、Ｃｕ板１２２、１２３側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５を配置している。
なお、Ｔｉペースト２４とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５の配置を逆にすることも可能である。この場合、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が配置され、Ｃｕ板１２２、１２３側にＴｉペースト２４が配置される。
【００４６】
次に、セラミックス基板１１、Ｔｉペースト２４、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、及びＣｕ板１２２、１２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ１４）。ここで、第二実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度を６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間を３０分以上３６０分以下の範囲に設定している。
【００４７】
この加熱処理工程Ｓ１４においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が溶融して液相を形成し、この液相にＴｉペースト２４が溶け込み、凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２、１２３とが接合されることになる。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２が形成されるとともに、他方の面に金属層１１３が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
【００４８】
次いで、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の下面に、はんだ材を介してヒートシンク１３０を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１５）。
次に、パワーモジュール用基板１１０の回路層１１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１６）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１０１が製造される。
【００４９】
以上のような構成とされた第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０においては、第一実施形態で説明したパワーモジュール用基板１０と同様の効果を奏する。
また、パワーモジュール用基板１１０においては、セラミックス基板１１の他方の面にＣｕ板１２３からなる金属層１１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を、金属層１１３を介して効率的に放散することができる。
【００５０】
そして、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面においては、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面と同様に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５に含まれるＰ及びＮｉが、金属間化合物１７に取り込まれることにより、Ｃｕ−Ｓｎ層１４が形成され、このＣｕ−Ｓｎ層１４中に金属間化合物１７が分散している。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板１１に生じる熱応力を低減し、セラミックス基板１１にクラックが発生することを抑制できる。また、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４との接合界面に硬い金属間化合物層が形成されていないので、セラミックス基板１１と金属層１１３との接合率が向上し、セラミックス基板１１と金属層１１３とが良好に接合されている。
また、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０において、金属層１１３には、ヒートシンク１３０が接合されているので、ヒートシンク１３０から熱を効率的に放散することができる。
【００５１】
また、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２を、他方の面に金属層１１３を同時に形成する構成とされているので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
【００５２】
（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図１０に、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０を備えたパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール２０１は、回路層２１２が配設されたパワーモジュール用基板２１０と、回路層２１２の一方の面（図１０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、パワーモジュール用基板２１０の他方側（図１０において下側）に接合層２３２を介して接合されたヒートシンク２３０と、を備えている。
【００５３】
パワーモジュール用基板２１０は、図１１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１１において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１１において下面）に配設された金属層２１３と、を備えている。
セラミックス基板１１は、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００５４】
回路層２１２は、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、Ｔｉ材としてＴｉペースト２４、無酸素銅からなるＣｕ板２２２を順に積層し、加熱処理してＣｕ板２２２を接合することで形成されている（図１３参照）。
なお、回路層２１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、第三実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００５５】
そして、セラミックス基板１１と回路層２１２との接合界面には、第一実施形態と同様に、Ｃｕ−Ｓｎ層１４が形成されている。そして、このＣｕ−Ｓｎ層１４には、Ｐ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物１７が分散している。
【００５６】
金属層２１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金の金属板が接合されることにより形成されている。第三実施形態において、金属層２１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のＡｌ板２２３を接合することで形成されている（図１３参照）。
この金属層２１３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、１．６ｍｍに設定されている。
【００５７】
ヒートシンク２３０は、Ａｌ又はＡｌ合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３（Ａｌ合金）で構成されている。このヒートシンク２３０には、冷却用の流体が流れるための流路２３１が設けられている。なお、このヒートシンク２３０と金属層２１３とが、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
【００５８】
次に、本実施形態に係るパワーモジュール２０１の製造方法について、図１２のフロー図及び図１３を参照して説明する。
まず、図１３に示すように、回路層２１２となるＣｕ板２２２の下面（接合面）に、スクリーン印刷法によりＴｉペースト２４を塗布した後、乾燥させる（Ｔｉペースト塗布工程Ｓ２１）。
【００５９】
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図１３において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、Ｃｕ板２２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ２２）とともに、セラミックス基板１１の他方の面（図１３において下面）に、接合材２２７を介して金属層２１３となるＡｌ板２２３を順に積層する（第二積層工程Ｓ２３）。そして、さらにＡｌ板２２３の下側に、接合材２４２を介してヒートシンク２３０を積層する（第三積層工程Ｓ２４）。ここで、第一積層工程Ｓ２２においては、Ｃｕ板２２２に印刷したＴｉペースト２４とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５とが重なるように配置する。
なお、接合材２２７、２４２は、本実施形態では、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材とされており、第三実施形態においては、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。
【００６０】
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、Ｔｉペースト２４、Ｃｕ板２２２、接合材２２７、Ａｌ板２２３、接合材２４２、及びヒートシンク２３０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ２５）。ここで、第三実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度を６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間を３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
【００６１】
この加熱処理工程Ｓ２５においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が溶融して液相を形成し、この液相にＴｉペースト２４が溶け込み、凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板２２２とが接合されることになる。また、加熱処理工程Ｓ２５においては、接合材２２７が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２２７を介してセラミックス基板１１とＡｌ板２２３とが接合される。さらに、加熱処理工程Ｓ２５においては、接合材２４２が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２４２を介してＡｌ板２２３とヒートシンク２３０とが接合される。
これにより、第三実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製造される。
【００６２】
次に、パワーモジュール用基板２１０の回路層２１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ２６）。
このようにして、第三実施形態に係るパワーモジュール２０１が製造される。
【００６３】
以上のような構成とされた第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０においては、第一実施形態で説明したパワーモジュール用基板１０と同様の効果を奏する。
また、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０においては、セラミックス基板１１の他方の面にＡｌ板２２３が接合されてなる金属層２１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を、金属層２１３を介して効率的に放散することができる。また、Ａｌは比較的変形抵抗が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、パワーモジュール用基板２１０とヒートシンク２３０との間に生じる熱応力を金属層２１３によって吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
【００６４】
また、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面に回路層２１２を、他方の面に金属層２１３を同時に接合するとともに、ヒートシンク２３０も金属層２１３に同時に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
なお、本実施形態では、Ｃｕ板２２２の下面（接合面）に、Ｔｉペースト２４を塗布したが、セラミックス基板１１の一方の面にＴｉペースト２４を塗布することもできる。この場合、セラミックス基板１１側にＴｉペースト２４が配置され、Ｃｕ板２２２側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が配置される。
【００６５】
（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図１４に、第四実施形態に係るパワーモジュール用基板３１０を示す。
このパワーモジュール用基板３１０は、図１４に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面（図１４において上面）に配設された回路層３１２と、を備えている。
セラミックス基板１１は、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。
【００６６】
回路層３１２は、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、Ｔｉ材としてＴｉペースト３２４、無酸素銅からなるＣｕ板３２２を順に積層し、加熱処理してＣｕ板３２２を接合することで形成されている（図１７参照）。
【００６７】
ここで、本実施形態におけるＴｉペースト３２４は、ＴｉＨ２粉（水素化チタン粉）と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有するペーストとされている。なお、必要に応じて可塑剤を含有していてもよい。
Ｔｉペースト３２４の組成は、ＴｉＨ２粉の含有量が３ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされ、残りが有機成分（樹脂＋溶剤＋分散剤＋可塑剤）とされている。
このＴｉペースト３２４の粘度は、１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下の範囲内とされており、好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下の範囲内とされている。
【００６８】
ここで、ＴｉＨ２粉は、金属Ｔｉ粉よりも反応性が低いことから、粒径を小さくすることが可能である。本実施形態では、ＴｉＨ２粉の粒径が１５μｍ以下とされており、好ましくは５μｍ以下とされている。
樹脂としては、例えば、エチルセルロース、アクリル樹脂等を用いることができる。本実施形態では、アクリル樹脂を用いている。
溶剤としては、例えば、テルピネオール系、アセテート系、シトレート系等を用いることができる。本実施形態では、α−テルピネオールを用いている。
分散剤としては、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤等を用いることができる。本実施形態では、アニオン性界面活性剤を用いている。
また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル、アジピン酸ジブチル等を用いることができる。
【００６９】
そして、セラミックス基板１１と回路層３１２との接合界面には、図１５に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ層１４が形成されている。そして、このＣｕ−Ｓｎ層１４には、Ｐ、Ｎｉ、及びＴｉを含有する金属間化合物３１７が分散している。
本実施形態では、Ｔｉペースト３２４が配設された位置に対応するように、金属間化合物３１７が層状に分散されている。ここで、本実施形態では、金属間化合物３１７の中心部にはＴｉ粒子がほとんど存在していない。これは、ＴｉＨ２粉の粒径が微細であることから、ＴｉＨ２粉に含まれるＴｉが金属間化合物３１７の形成に消費されたためと推測される。
また、セラミックス基板１１と回路層３１２との接合界面には、Ｃｕ３Ｐ相３１９が観察される。これは、Ｔｉと反応しなかったＰがＣｕと反応することで形成されたものと推測される。
【００７０】
次に、本実施形態に係るパワーモジュール用基板３１０の製造方法について、図１６のフロー図及び図１７を参照して説明する。
まず、図１７に示すように、回路層３１２となるＣｕ板３２２の下面（接合面）に、スクリーン印刷法によりＴｉペースト３２４を塗布した後、乾燥させる（Ｔｉペースト塗布工程Ｓ３１）。
本実施形態では、Ｔｉペースト塗布工程Ｓ３１において、乾燥後の膜厚が５μｍ以上２００μｍの範囲内となるように、Ｔｉペースト３２４の塗布量を調整している。このとき、Ｃｕ板３２２の下面に塗布されるＴｉＨ２量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１２ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされる。より好ましくは、ＴｉＨ２量が、０．０４ｍｇ／ｃｍ２以上８ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内となるよう塗布するとよい。
【００７１】
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、Ｃｕ板３２２を順に積層する（積層工程Ｓ３２）。
そして、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５、Ｔｉペースト３２４、Ｃｕ板３２２を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜３．４３ＭＰａ））した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ３３）。ここで、第四実施形態では、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度を６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間を３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。なお、加熱時間は３０分以上２４０分以下の範囲内とすることがより好ましい。
【００７２】
この加熱処理工程Ｓ３３においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が溶融して液相を形成し、この液相にＴｉペースト３２４が溶け込み、凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板３２２とが接合されることになる。
これにより、第四実施形態であるパワーモジュール用基板３１０が製造される。
【００７３】
以上のような構成とされた第四実施形態に係るパワーモジュール用基板３１０においては、第一実施形態で説明したパワーモジュール用基板１０と同様の効果を奏する。
また、第四実施形態に係るパワーモジュール用基板３１０においては、微細なＴｉＨ２粉を含有するＴｉペースト３２４を用いているので、ＴｉＨ２粉の表面積が大きく、Ｔｉの反応が速く進行する。これにより、比較的短時間の条件でも、セラミックス基板１１と銅板３２２とを確実に接合することが可能となる。
なお、本実施形態では、Ｃｕ板３２２の下面（接合面）に、Ｔｉペースト３２４を塗布したが、セラミックス基板１１の一方の面にＴｉペースト３２４を塗布することもできる。この場合、セラミックス基板１１側にＴｉペースト３２４が配置され、Ｃｕ板３２２側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材２５が配置される。
【００７４】
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。
【００７５】
上記実施の形態においては、Ｔｉペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法を用いる場合について説明したが、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。
また、上記実施の形態においては、ＴｉペーストとＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材とを、セラミックス基板とＣｕ板との間に配置する場合について説明したが、Ｔｉペーストに限定されるものではなく、例えば、Ｔｉ粉とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材とをセラミックス基板とＣｕ板との間に配置する構成とされても良い。
さらに、上述したパワーモジュール用基板の製造方法において、Ｔｉペースト塗布工程と積層工程の間に、Ｔｉペーストの脱脂を行う工程を設けることもできる。この場合、Ｔｉペーストに含有されている樹脂の残渣量が減り、接合性がより向上する。
【００７６】
なお、第二実施形態及び第三実施形態においては、セラミックス基板の一方の面に回路層を、他方の面に金属層を同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層とを別々に接合しても良い。
また、第三実施形態において、回路層、金属層、及びヒートシンクを同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層をセラミックス基板に接合した後に、金属層とヒートシンクとを接合する構成としても良い。
また、第三実施形態において、セラミックス基板の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して金属層を接合する場合について説明したが、過渡液相接合法（ＴＬＰ）やＡｇペーストなどによって接合しても良い。
【００７７】
また、第二実施形態及び第三実施形態では、流路が設けられたヒートシンクを用いる場合について説明したが、放熱板と呼ばれる板状のものや、ピン状フィンを有するものとしてもよい。また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ材又はろう材で接合する場合について説明したが、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にグリースを介してネジ止めなどによって固定する構成としてもよい。また、第二実施形態及び第三実施形態のパワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の他方の面側にヒートシンクが接合されていなくても良い。
【００７８】
また、第四実施形態において、セラミックス基板１１と回路層３１２との接合界面に分散された金属間化合物３１７の中心部にＴｉ粒子がほとんど存在していないものを例示して説明したが、図２に示すように、中心部にＴｉ粒子を有するコアシェル型の構造とされていてもよい。
さらに、第四実施形態において、セラミックス基板１１と回路層３１２との接合界面にＣｕ３Ｐ相３１９が観察されるものを例示して説明したが、Ｃｕ３Ｐ相３１９を有さないものであってもよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、Ｔｉ粉末又はＴｉＨ２粉末を含有するＴｉペーストを用いたが、Ｔｉペーストの代わりにＴｉ箔やＴｉ蒸着膜を用いることもできる。この場合のＴｉ量としては、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上３．６ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とするとよい。より好ましくは、０．０４ｍｇ／ｃｍ２以上２．３ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とするとよい。なお、Ｔｉ箔やＴｉ蒸着膜の配置は特に限定されず、セラミックス基板側又はＣｕ部材側のいずれであってもよい。
【００８０】
上記実施形態においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材として箔状のろう材を用いたが、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の粉末を用いたろう材ペーストを用いることも可能である。このろう材ペーストは、上述したＴｉペーストにおいて、Ｔｉ粉の代わりにＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の粉末を用いることで作製することができる。
【００８１】
また、前記ろう材ペーストとＴｉペーストとを混合したペースト（ろう材−Ｔｉペースト）を用いることもできる。この場合、ろう材−Ｔｉペーストはセラミックス基板とＣｕ板の少なくともどちらか一方に塗布するとよい。
【実施例】
【００８２】
（実施例１）
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例１）の結果について説明する。
表１及び表２記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の一方の面に、Ｔｉ材、表１及び表２に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層する。ここで、本発明例１−１〜１−１４においては、Ｔｉ材としてＴｉペーストを用いた。このＴｉペーストは、粒径１０μｍのＴｉ粉末と、アクリル樹脂と、テキサノールとを含有するペーストとした。また、Ｔｉペーストは、スクリーン印刷法により表１及び表２記載のＴｉ量となるようにセラミックス基板又はＣｕ板に塗布した。ＴｉペーストとＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の配置は、表１及び表２に示す配置とした。なお、セラミックス基板の材質がＡｌＮの場合は厚さ０．６３５ｍｍとし、材質がＳｉ３Ｎ４の場合は、０．３２ｍｍとした。さらに、本発明例１−１５及び１−１６では、Ｔｉ材として、Ｔｉペーストの代わりに表２記載のＴｉ量となるように厚さを調整したＴｉ箔を用いた。また、本発明例１−１７〜１−２０では、Ｔｉ材として、Ｔｉペーストの代わりに表２記載のＴｉ量となるように厚さを調整したＴｉ蒸着膜を用いた。
そして、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによって、セラミックス基板の一方の面にＣｕ板を接合し、回路層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は、表１及び表２の条件に設定した。このようにして本発明例１−１〜１−２０のパワーモジュール用基板を得た。
比較例１のパワーモジュール用基板は、Ｔｉ材を用いずにセラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例の１−１〜１−２０のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
【００８３】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率を評価した。接合率の評価方法を以下に説明する。
【００８４】
（接合率評価）
パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板と回路層との界面の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、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の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率（％））＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
以上の評価の結果を表１及び表２に示す。
【００８５】
【表１】
2015065423.tif 000003
【００８６】
【表２】
2015065423.tif 000004
【００８７】
表１及び表２に示されるように、本発明例１−１〜１−２０については、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材（Ｔｉペースト、Ｔｉ箔又はＴｉ蒸着膜の何れか）を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合しているため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。
一方、比較例１は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ材を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
【００８８】
（実施例２）
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例２）の結果について説明する。
表３記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の一方の面及び他方の面に、Ｔｉ材、表３に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層する。ここで、本発明例２−１〜２−１４においては、Ｔｉ材としてＴｉペーストを用いた。このＴｉペーストは、実施例１と同様のＴｉペーストを用いて、スクリーン印刷法により表３記載のＴｉ量となるようにセラミックス基板又はＣｕ板に塗布した。ＴｉペーストとＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の配置は、表３に示す配置とした。なお、セラミックス基板の材質がＡｌＮの場合は厚さ０．６３５ｍｍとし、材質がＳｉ３Ｎ４の場合は、０．３２ｍｍとした。また、本発明例２−１５では、Ｔｉ材として、Ｔｉペーストの代わりに表３記載のＴｉ量となるように厚さを調整したＴｉ箔を用いた。
そして、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表３に示す条件とした。このようにして本発明例２−１〜２−１５のパワーモジュール用基板を得た。
比較例２のパワーモジュール用基板は、Ｔｉ材を用いずにセラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例の２−１〜２−１５のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
【００８９】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率、及び冷熱サイクル試験後の接合率を測定した。さらに、冷熱サイクル試験において、パワーモジュール用基板のセラミックス基板に割れが発生するまでの回数を測定した。
なお、接合率の評価は、実施例１と同様にして行った。また、冷熱サイクル試験は、下記の通り行った。
以上の評価の結果を表３に示す。
【００９０】
（冷熱サイクル試験）
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１５０℃×５分のサイクルを１サイクルとし、これら２０００サイクル実施した。なお、冷熱サイクル試験を２０００サイクル行った後もセラミックス基板に割れが発生しなかったパワーモジュール用基板については、表３において「＞２０００」と記載した。
【００９１】
【表３】
2015065423.tif 000005
【００９２】
表３に示されるように、本発明例２−１〜２−１５については、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材（Ｔｉペースト又はＴｉ箔）を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合している。このため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。また、本発明例２−１〜２−１５は、冷熱サイクル試験後の接合率も高く、接合信頼性も高いことが確認された。さらに、本発明例２−１〜２−１５は、冷熱サイクル試験において、セラミックス基板に割れが発生するまでのサイクル回数が多く、セラミックス基板に割れが発生しにくいことも確認された。
一方、比較例２は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ材を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
【００９３】
（実施例３）
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例３）の結果について説明する。
表４記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の一方の面に、Ｔｉ材、表４に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層する。また、セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して純度９９．９９ｍａｓｓ％のＡｌからなるＡｌ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×１．６ｍｍｔ）を積層する。ここで、本発明例３−１〜３−１４においては、Ｔｉ材としてＴｉペーストを用いた。このＴｉペーストは、実施例１と同様のＴｉペーストを用いて、スクリーン印刷法により表４記載のＴｉ量となるようにセラミックス基板又はＣｕ板に塗布した。ＴｉペーストとＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の配置は、表４に示す配置とした。なお、セラミックス基板の材質がＡｌＮの場合は厚さ０．６３５ｍｍとし、材質がＳｉ３Ｎ４の場合は、０．３２ｍｍとした。また、本発明例３−１５では、Ｔｉ材として、Ｔｉペーストの代わりに、表４記載のＴｉ量となるように厚さを調整したＴｉ蒸着膜を用いた。
そして、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面にＣｕ板を接合して回路層を形成し、他方の面にＡｌ板を接合して金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表４に示す条件とした。このようにして本発明例３−１〜３−１５のパワーモジュール用基板を得た。
比較例３のパワーモジュール用基板は、Ｔｉ材を用いずに、セラミックス基板と回路層とを接合したことを除いて、本発明例３−１〜３−１５のパワーモジュール用基板と同様にして得た。
【００９４】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との初期の接合率、冷熱サイクル試験後の接合率、さらに、冷熱サイクル試験において、パワーモジュール用基板のセラミックス基板に割れが発生するまでの回数を測定した。
なお、接合率の評価、冷熱サイクル試験は、実施例２と同様にして行った。
以上の評価の結果を表４に示す。
【００９５】
【表４】
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【００９６】
表４に示されるように、本発明例３−１〜３−１５については、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材（Ｔｉペースト又はＴｉ蒸着膜）を介在させてセラミックス基板とＣｕ板とを接合しているため、セラミックス基板と回路層との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。また、本発明例３−１〜３−１５は、冷熱サイクル試験後の接合率も高く、接合信頼性も高いことが確認された。さらに、本発明例３−１〜３−１５は、冷熱サイクル試験において、セラミックス基板に割れが発生するまでのサイクル回数が多く、セラミックス基板に割れが発生しにくいことも確認された。
一方、比較例３は、セラミックス基板とＣｕ板との接合の際に、Ｔｉ材を介在させずに接合が行われているため、セラミックス基板とＣｕ板（回路層）とを接合することができなかった。
【００９７】
（実施例４）
次に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例４）の結果について説明する。
実施例１と同様に、表５記載のセラミックス基板と無酸素銅からなるＣｕ板とを接合し、その接合率を評価した。
実施例４では、Ｔｉペーストとして、表５に示すＴｉＨ２粉と、アクリル樹脂（樹脂）と、α−テルピネオール（溶剤）と、アニオン性界面活性剤（分散剤）と、を含有するものとした。なお、有機成分（樹脂＋溶剤＋分散剤）の質量比を、溶剤：樹脂：分散剤＝８２．５：１５：２．５とした。
ここで、Ｔｉペースト中のＴｉＨ２粉の含有量と塗布量とを調整することにより、表５に示すようにＴｉＨ２量を制御した。
【００９８】
そして、実施例１と同様の条件で、セラミックス基板とＣｕ板とを接合した。なお、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材として表５に示すものを使用した。また、加熱温度及び加熱時間は、表５に示す条件とした。
【００９９】
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層（Ｃｕ板）とセラミックス基板との初期の接合率を、実施例１と同様な方法で評価した。評価結果を表５に示す。
【０１００】
【表５】
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【０１０１】
表５に示すように、ＴｉペーストとしてＴｉＨ２粉を用いた本発明例４−１〜４−１１においても、セラミックス基板と回路層（Ｃｕ板）との初期の接合率が高く、良好に接合されていることが確認された。
【符号の説明】
【０１０２】
１０、１１０、２１０、３１０  パワーモジュール用基板（接合体）
１１  セラミックス基板（セラミックス部材）
１２、１１２、２１２、３１２  回路層（Ｃｕ部材）
１１３、２１３  金属層（Ｃｕ部材）
１４  Ｃｕ−Ｓｎ層
１７、３１７  金属間化合物
２２、１２２、１２３、２２２、３２２  Ｃｕ板（Ｃｕ部材）
【図１】
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【図２】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図３】
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【図１５】
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