(57)【要約】【課題】銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックス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、及び、この銅／セラミックス接合体からなるパワーモジュール用基板を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材２２と、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材１１とが接合された銅／セラミックス接合体であって、銅部材２２とセラミックス部材１１との接合界面には、活性元素と酸素を含有する活性元素酸化物層３０が形成されており、この活性元素酸化物層３０の厚さｔが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする。【選択図】図２
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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、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが接合された銅／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、活性元素と酸素を含有する活性元素含有酸化物層が形成されており、
この活性元素含有酸化物層の厚さが１５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とされ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】
前記活性元素含有酸化物層は、Ｐを含有し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】
前記活性元素含有酸化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕ−Ａｌ共晶層が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。
【請求項４】
窒化物セラミックスからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されたパワーモジュール用基板であって、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体で構成されていることを特徴とする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、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックス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、この銅／セラミックス接合体からなる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、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、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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。なお、パワージュール用基板としては、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が形成したものも提供されている。
【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パワーモジュール用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、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パワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板においては、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０４−１６２７５６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、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、接合温度を低下させると、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との界面での接合率が低下してしまい、信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができなくなる。さらに、活性金属ろう付け法では、セラミックス基板と銅板との接合界面にＴｉＮ層が形成される。このＴｉＮ層は硬く脆いため、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。
【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、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックス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、及び、この銅／セラミックス接合体からなる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】
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、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが接合された銅／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、活性元素と酸素を含有する活性元素酸化物層が形成されており、この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とされ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、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材との接合界面に、活性元素と酸素を含有する活性元素酸化物層が形成された構造とされている。そして、本発明では、この活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上とされているので、セラミックス部材と銅部材とが確実に接合され、接合強度を確保することが可能となる。一方、活性元素酸化物層の厚さが２００ｎｍ以下とされているので、比較的硬くて脆い活性元素酸化物層の厚さが薄く、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス部材に割れが生じることを抑制できる。
【００１０】
ここで、活性元素を介在させて銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とを高温保持の条件で接合した場合、活性元素と窒化物セラミックスの窒素とが反応し、窒化物層が形成されることになる。本発明では、低温の条件で銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とを接合することにより、窒化物層の代わりに活性元素酸化物層を形成することが可能となる。また、上述の活性元素酸化物層は、銅部材とセラミックス部材との間に介在する活性元素と、銅部材やセラミックス部材の表面に形成された酸化物や接合材に含まれる酸素と、が反応することによって形成される。
なお、本発明においては、活性元素として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ等を用いることができる。さらに、窒化物セラミックスとして、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４等を用いることができる。
【００１１】
本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性元素酸化物層は、Ｐを含有していてもよい。
この場合、接合界面にＰを介在させると、このＰが活性元素と結合するとともに酸素と反応することにより、セラミックス部材の表面にＰを含有する前記活性元素酸化物層が形成されやすくなる。よって、低温の条件でも、銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。これにより、接合時におけるセラミックス部材の熱劣化等を抑制することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性元素含有酸化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕ−Ａｌ共晶層が形成されていてもよい。
この場合、接合界面にＡｌを介在させることにより、低温の条件でも銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。このとき、ＡｌとＣｕとが反応することで、上述の活性元素酸化物層と銅部材との間にＣｕ−Ａｌ共晶層が形成されることになる。
【００１３】
本発明のパワーモジュール用基板は、窒化物セラミックスからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されたパワーモジュール用基板であって、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。
この構成のパワーモジュール用基板によれば、上述の銅／セラミックス接合体で構成されているので、低温の条件で接合することによりセラミックス基板への熱負荷を軽減でき、セラミックス基板の劣化を抑制することができる。また、低温の条件で接合した場合であっても、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板は、回路層あるいは金属層として用いられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックス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、及び、この銅／セラミックス接合体からなるパワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一の実施形態であ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】本発明の第一の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層（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】本発明の第一の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。
【図４】本発明の第一の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図５】本発明の第二の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層（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６】本発明例１の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）における接合界面の観察写真である。
【図７】本発明例１３の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）における接合界面の観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の第一の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
本発明の第一の実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、窒化物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、銅または銅合金からなる銅部材としての銅板２２（回路層１２）とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板１０とされている。
図１に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びこのパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
【００１７】
このパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板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、パワーモジュール用基板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。
【００１８】
パワーモジュール用基板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、本実施形態のセラミックス基板１１は、窒化物セラミックスの１種であるＡｌＮ（窒化アルミ）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、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００１９】
回路層１２は、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、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。
【００２０】
金属層１３は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板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０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
【００２１】
ヒートシンク５１は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板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、パワーモジュール用基板１０の金属層１３にろう付けによって直接接合されている。
【００２２】
ここで、図２に示すように、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、活性元素と酸素とを含む活性元素酸化物層３０が形成されている。本実施形態では、この活性元素酸化物層３０の厚さｔが、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とされている。なお、活性元素酸化物層３０における活性元素の濃度は３５ａｔ％〜７０ａｔ％の範囲内とされている。なお、ここでの活性元素の濃度は活性元素とＰとＯの合計量を１００とした時の濃度である。
本実施形態においては、活性元素としてＴｉを有しており、上述の活性元素酸化物層３０は、Ｔｉと酸素とを含むＴｉ−Ｏ層とされている。
また、本実施形態においては、後述するように、Ｐを含むＣｕ−Ｐ系ろう材２４を用いてセラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）とを接合していることから、活性元素酸化物層３０にはＰが含有されている。なお、本実施形態では、活性元素酸化物層３０におけるＰの含有量が１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。なお、ここでのＰの含有量はＴｉとＰとＯの合計量を１００とした時の含有量である。
Ｐの含有量が１．５ｍａｓｓ％以上とされているので、確実に活性元素酸化物層３０を形成することができ、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％以下とされているので、活性元素酸化物層３０が過剰に硬くなることがなく、例えば冷熱サイクル負荷時の熱応力によるセラミックス基板への負荷を低減でき、接合界面の信頼性低下を防ぐことができる。
【００２３】
次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
【００２４】
まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４、Ｔｉ材２５、及び回路層１２となる銅板２２を順に積層する（第１積層工程Ｓ０１）とともに、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に、接合材２７を介して金属層１３となるＡｌ板２３を順に積層する（第２積層工程Ｓ０２）。
【００２５】
ここで、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４として、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、かつ、低融点元素であるＳｎを７ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲で含み、さらに、Ｎｉを２ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲で含むＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。さらに、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とされている。
【００２６】
また、本実施形態では、Ｔｉ材２５の厚さは、０．１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされ、本実施形態では厚さ１２μｍのＴｉ箔を用いている。なお、Ｔｉ材２５は、厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下の場合には蒸着やスパッタによって成膜することが好ましく、厚さが０．５μｍ以上の場合には箔材を用いることが好ましい。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板２３を接合する接合材２７として、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材（例えばＡｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材）を用いている。
【００２７】
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４、Ｔｉ箔２５、銅板２２、接合材２７、Ａｌ板２３を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）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）。本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、保持時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
以上の工程Ｓ０１〜Ｓ０３により、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。
【００２８】
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、ヒートシンク５１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
パワーモジュール用基板１０とヒートシンク５１とを、ろう材２８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、パワーモジュール用基板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２８としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔（例えばＡｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材箔）を用いることができ、ろう付け温度は、加熱処理工程Ｓ０３における温度条件よりも低温に設定する。
【００２９】
次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する（半導体素子搭載工程Ｓ０５）。
以上の工程Ｓ０１〜Ｓ０５により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
【００３０】
ここで、加熱処理工程Ｓ０３においては、セラミックス基板１１と銅板２２との接合界面において、Ｔｉ箔２５のＴｉと、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４のＰと、セラミックス基板１１やＣｕ−Ｐ系ろう材２４等に存在する酸素と、が反応し、Ｐを含む活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｏ層）が形成される。なお、セラミックス基板１１やＣｕ−Ｐ系ろう材２４等に存在する酸素としては、例えばセラミックス基板１１の表面に存在する酸化物、Ｔｉ箔２５やＣｕ−Ｐ系ろう材２４に含まれる酸化物等が挙げられる。
【００３１】
以上のような構成とされた本実施形態の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板１０）によれば、無酸素銅からなる銅板２２（回路層１２）とＡｌＮからなるセラミックス基板１１とが、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４及びＴｉ箔２５を介して接合されており、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面に、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｏ層）が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２とが強固に接合されることになる。
【００３２】
本実施形態では、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｏ層）の厚さｔが５ｎｍ以上とされているので、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）とが確実に接合され、これらの接合強度を確保することが可能となる。一方、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｏ層）の厚さｔが２００ｎｍ以下とされているので、冷熱サイクル負荷時の熱応力によってセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。
なお、上述の作用効果を奏するためには、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｏ層）の厚さｔを１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
また、活性元素酸化物層３０における活性元素（本実施形態ではＴｉ）の濃度は３５ａｔ％〜７０ａｔ％の範囲内とされている。なお、ここでの活性元素の濃度は活性元素（本実施形態ではＴｉ）とＰとＯの合計量を１００とした時の濃度である。
【００３３】
さらに、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４を用いて接合しているので、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４のＰとＴｉ箔２５のＴｉとが反応し、さらに酸素と反応することによって、Ｐを含有する活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｏ層）が確実に形成されることになる。これにより、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）とを確実に接合することが可能となる。すなわち、活性元素であるＴｉと反応しやすく、かつ、酸素とも反応しやすい元素であるＰを界面に介在させることで、上述の活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｏ層）の形成が促進され、低温の条件でもセラミックス基板１１と銅板２２とが確実に接合されるのである。
【００３４】
また、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と銅板２２とを、Ｔｉを介在させて高温保持した場合には、セラミックス基板１１中の窒素とＴｉとが反応し、ＴｉＮが形成されることになるが、本実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３において低温の条件としていることから、ＴｉＮが形成されず、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｏ層）が形成されるのである。
【００３５】
さらに、本実施形態では、上述のように、セラミックス基板１１と銅板２２とを低温の条件で接合可能であることから、本実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３において、セラミックス基板１１と銅板２２、及び、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３を同時に接合している。よって、パワーモジュール用基板１０の製造効率を大幅に向上させ、製造コストを削減することができる。また、セラミックス基板１１の両面に同時に銅板２２及びアルミニウム板２３を接合するので、接合時におけるセラミックス基板１１の反りの発生を抑制することができる。
【００３６】
次に、本発明の第二の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
本発明の第二の実施形態に係る銅／セラミックス接合体は、第一の実施形態と同様に、窒化物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、銅または銅合金からなる銅部材としての銅板２２（回路層１２）とが接合されることにより構成されたパワーモジュール用基板とされており、図１に示すパワーモジュール用基板のうちセラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面の構造が異なっている。
【００３７】
図５に、本発明の第二の実施形態におけるセラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面の構造を示す。
本実施形態においては、図５に示すように、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、活性元素と酸素とを含む活性元素酸化物層１３０と、Ｃｕ−Ａｌ共晶層１３１と、が積層配置されている。すなわち、活性元素酸化物層１３０と銅板２２（回路層１２）との間にＣｕ−Ａｌ共晶層１３１が形成されているのである。
【００３８】
ここで、本実施形態では、活性元素酸化物層１３０の厚さｔが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とされている。また、本実施形態においては、活性元素としてＴｉを有しており、上述の活性元素酸化物層１３０は、Ｔｉと酸素とを含むＴｉ−Ｏ層とされている。
また、本実施形態では、Ｃｕ−Ａｌ共晶層１３１の厚さｔｅが１０μｍ以上６０μｍ以下の範囲内とされている。なお、Ｃｕ−Ａｌ共晶層１３１においては、活性元素酸化物層１３０側に活性元素（本実施形態ではＴｉ）が濃化した活性元素濃化層１３１ａを備えていてもよい。
【００３９】
本実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法は、第一の実施形態におけるパワーモジュール用基板の製造方法に対して、Ｃｕ−Ｐ系ろう材２４の代わりに、Ｃｕ−Ａｌ系ろう材を用いる点で相違している。
本実施形態では、Ｃｕ−Ａｌ系ろう材として、Ａｌを４５ｍａｓｓ％以上      ９５ｍａｓｓ％以下の範囲で含むＣｕ−Ａｌろう材を用いている。さらに、Ｃｕ−Ａｌ系ろう材の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下の範囲とされている。
なお、接合時の加熱温度は、５８０℃以上６５０℃以下とすることが望ましい。
本実施形態においては、Ａｌを含むＣｕ−Ａｌ系ろう材を用いてセラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）とを接合しており、このＣｕ−Ａｌ系ろう材中のＡｌがＣｕと共晶反応することで、低温条件下で液相が生じ、上述のＣｕ−Ａｌ共晶層１３１が形成されることになる。
【００４０】
以上のような構成とされた本実施形態の銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）によれば、セラミックス基板１１と銅板２２（回路層１２）との接合界面に、活性元素酸化物層１３０（Ｔｉ−Ｏ層）が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２とが強固に接合されることになる。
また、活性元素酸化物層１３０と銅板２２（回路層１２）との間にＣｕ−Ａｌ共晶層１３１が形成されているので、共晶反応によって低温条件で液相が生じ、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。
ここで、Ｃｕ−Ａｌ共晶層１３１の厚さｔｅが  １０μｍ以上とされているので、上述のように液相が十分に形成され、セラミックス基板１１と回路層１２とを確実に接合することができる。また、Ｃｕ−Ａｌ共晶層１３１の厚さｔｅが６０μ  ｍ以下とされているので、接合界面近傍が脆くなることを抑制でき、高い冷熱サイクル信頼性を確保することが可能となる。
【００４１】
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、銅部材としての銅板（回路層）とセラミックス部材としてのセラミックス基板とを接合したパワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが接合された銅／セラミックス接合体であればよい。
【００４２】
また、銅板を接合することによって回路層を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、銅板を接合することによって金属層を形成してもよい。
さらに、銅板を、無酸素銅又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。
また、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。
さらに、金属層は、アルミニウム板で構成したものに限定されることはなく、その他の金属で構成したものであってもよい。
【００４３】
また、窒化物セラミックスとしてＡｌＮを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他の窒化物セラミックスを適用してもよい。
さらに、活性元素として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、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ等の他の活性元素を適用してもよい。
また、本実施形態では、接合界面に形成された活性元素酸化物層にＰが含有されたものとして説明したが、これに限定されることはない。
【００４４】
さらに、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材及びＣｕ−Ａｌ系ろう材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、他のろう材を用いてもよい。
また、本実施形態では、セラミックス基板と銅板との間にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材及びＣｕ−Ａｌ系ろう材、Ｔｉ箔を介在させるものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉペースト及びＣｕ−Ａｌペースト、Ｔｉペースト等を介在させてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、Ｔｉ箔を介在させるものとして説明したが、これに限らず水素化Ｔｉを用いることができる。この場合、水素化Ｔｉの粉末を直接介在させる方法や水素化Ｔｉペーストを塗布する方法を用いることができる。また、水素化Ｔｉだけでなく、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ等の他の活性元素の水素化物を用いることができる。
【００４６】
さらに、ヒートシンクは、本実施形態で例示した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。
【実施例】
【００４７】
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。
【００４８】
＜実施例１＞
表１に示すセラミックス基板、ろう材、活性元素、銅板を用いて、銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）を形成した。
詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表１に示すろう材及び活性元素を介在させて、３８ｍｍ角の厚さ０．３ｍｍの銅板（無酸素銅の圧延板）を積層し、これらを積層方向に圧力６ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内（真空度５×１０−４Ｐａ）に装入し、加熱することによってパワーモジュール用基板を作製した。なお、加熱処理工程の条件を表２に示す。
なお、本発明例４については、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉ粉末とＴｉ粉末からなるペーストをろう材及び活性元素として用いた。なお、ペーストの塗布厚は８５μｍとした。
【００４９】
このようにして得られたパワーモジュール用基板について、回路層（銅板）とセラミックス基板との接合界面の観察を行うとともに、初期接合率、冷熱サイクル後の接合率を評価した。
【００５０】
（接合界面観察）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用いて観察した。
本発明例１の界面観察結果、及び、元素マッピングを図６に示す。
活性元素酸化物層の厚さは、倍率２０万倍で接合界面を観察し、活性元素の濃度が３５ａｔ％〜７０ａｔ％の範囲内にある箇所を活性元素酸化物層とみなし、その厚さを測定した。なお、活性元素の濃度は、Ｐ濃度、活性元素濃度及びＯ濃度を透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳで測定し、Ｐ濃度、活性元素濃度及びＯ濃度の合計を１００とした時の活性元素の濃度とした。活性元素酸化物層の厚さは、５視野の平均値とした。
Ｐ濃度は、活性元素酸化物層中のＰ濃度、Ｔｉ濃度及びＯ濃度を透過型電子顕微鏡付属のＥＤＳで測定し、Ｐ濃度、Ｔｉ濃度及びＯ濃度の合計を１００とした時のＰ濃度を算出し、活性元素酸化物層中のＰ濃度とした。また、Ｐ濃度については、測定点を５点とし、その平均値とした。
結果を表２に示す。
【００５１】
（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２０００サイクルを実施した。
【００５２】
（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）
【００５３】
【表１】
2015166304.tif 000003
【００５４】
【表２】
2015166304.tif 000004
【００５５】
銅板とセラミックス基板とを、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いて低温条件で接合した従来例１では、接合されなかった。
【００５６】
活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ未満とされた比較例１では、初期接合率が低く、接合が不十分であった。
活性元素酸化物層の厚さが２００ｎｍを超える比較例２では、冷熱サイクル後にセラミックス基板に割れが生じた。接合界面に活性元素酸化物層が厚く形成されたためにセラミックス基板にかかる熱応力が増加したためと推測される。
【００５７】
これに対して、活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下とされた本発明例１−８においては、比較的低温の条件であっても初期接合率が高く、セラミックス基板と銅板とが確実に接合されていた。また、冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性が向上していた。
【００５８】
＜実施例２＞
表３に示すセラミックス基板、ろう材、活性元素、銅板を用いて、銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）を形成した。
詳述すると、４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表１に示すろう材及び活性元素を介在させて、３８ｍｍ角の厚さ０．３ｍｍの銅板（無酸素銅の圧延板）を積層し、これらを積層方向に圧力６ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内（真空度５×１０−４Ｐａ）に装入し、加熱することによってパワーモジュール用基板を作製した。なお、加熱処理工程の条件を表４に示す。
【００５９】
このようにして得られたパワーモジュール用基板について、回路層（銅板）とセラミックス基板との接合界面の観察を行うとともに、初期接合率、冷熱サイクル後の接合率を評価した。評価方法は実施例１と同様とした。
なお、接合界面観察では、活性元素酸化物層の厚さと、Ｃｕ−Ａｌ共晶層の厚さ及び組成分析を実施した。なお、Ｃｕ−Ａｌ共晶層の組成は、測定点を５点とし、その平均値とした。観察結果を図７に示す。また、評価結果を表４に示す。
【００６０】
【表３】
2015166304.tif 000005
【００６１】
【表４】
2015166304.tif 000006
【００６２】
Ｃｕ−Ａｌ系ろう材を用い、活性元素酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下とされた本発明例１３−２０においては、比較的低温の条件であっても初期接合率が高く、セラミックス基板と銅板とが確実に接合されていた。特に、Ｃｕ−Ａｌ共晶層の厚さが１０μｍ以上６０μｍ以下とされた本発明例１４−１６及び本発明例１８−２１では、冷熱サイクル後の接合率が高く、接合信頼性の高いパワーモジュール用基板が得られた。
【００６３】
以上の結果から、本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材と窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが低温の条件でも確実に接合された銅／セラミックス接合体（パワーモジュール用基板）を提供することが可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００６４】
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１２  回路層
１３  金属層
２２  銅板
２４  Ｃｕ−Ｐ系ろう材
２５  Ｔｉ箔
３０、１３０  活性元素酸化物層
１３１  Ｃｕ−Ａｌ共晶層
【図１】
2015166304.tif 000007
【図２】
2015166304.tif 000008
【図３】
2015166304.tif 000009
【図４】
2015166304.tif 000010
【図５】
2015166304.tif 000011
【図６】
2015166304.tif 000012
【図７】
2015166304.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月19日(2014.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化物セラミックスからなるセラミックス部材とが接合された銅／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、活性元素と酸素を含有する活性元素含有酸化物層が形成されており、
この活性元素含有酸化物層の厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする銅／セラミックス接合体。