(57)【要約】【課題】銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナ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、アルミナ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、活性元素と酸素と燐と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、アルミナ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、活性元素と酸素と燐と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する銅／セラミックス接合体。
【請求項２】
前記活性元素酸化物層における燐濃度が、１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％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。
【請求項３】
アルミナ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または請求項２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アルミナ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と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によって、アルミナからなるセラミックス基板と銅板とを接合した場合には、セラミックス基板と銅板との接合界面にＴｉ酸化物層が厚く形成される。このＴｉ酸化物層は硬く脆いため、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アルミナ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、アルミナ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、活性元素と酸素と燐と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アルミナからなるセラミックス部材との接合界面に、活性元素と酸素と燐と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アルミナ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、活性元素とアルミナの酸素とが反応し、厚い酸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アルミナからなるセラミックス部材とを接合することにより、活性元素酸化物層を比較的薄く形成することが可能となる。
また、接合界面に燐（Ｐ）を介在させると、この燐（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燐（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。
なお、本発明においては、活性金属として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等を用いることができる。さらに、アルミナとして、９２％アルミナ、９６％アルミナ、９８％アルミナ、ジルコニア強化アルミナ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における燐濃度が、１．５ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていてもよい。
この場合、前記活性元素酸化物層における燐濃度（Ｐ濃度）が、１．５ｍａｓｓ％以上とされているので、低温の条件でも確実に前記活性元素酸化物層を形成でき、銅部材とセラミックス部材とを強固に接合することが可能となる。また、前記活性元素酸化物層における燐濃度（Ｐ濃度）が、１０ｍａｓｓ％以下とされているので、前記活性元素酸化物層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。
【００１２】
本発明のパワーモジュール用基板は、アルミナ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】
【００１３】
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材とアルミナ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】
【００１４】
【図１】本発明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】本発明例２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】
【００１５】
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、アルミナ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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、アルミナの１種である９８％アルミナで構成されている。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、０．３８ｍｍに設定されている。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、活性元素と酸素と燐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。
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（Ｏ）と燐（Ｐ）とを含むＴｉ−Ｐ−Ｏ層とされている。
なお、活性元素としてＺｒを用いた場合には、活性元素酸化物層３０はＺｒ−Ｐ−Ｏ層とされ、Ｎｂを用いた場合にはＮｂ−Ｐ−Ｏ層とされ、Ｈｆを用いた場合にはＨｆ−Ｐ−Ｏ層とされている。
また、本実施形態においては、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の含有量は活性金属とＰとＯの合計量を１００とした含有量である。
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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箔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）。
【００２４】
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。
【００２５】
また、本実施形態では、Ｔｉ箔２５の厚さは、０．５μｍ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。
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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−Ｐ−Ｏ層）が形成される。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。なお、本実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３が低温の条件で実施されていることから、セラミックス基板１１を構成するアルミナの分解が抑制され、アルミナからの酸素の供給が抑えられ、活性元素酸化物層３０を薄く形成することが可能となる。
【００３０】
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）とアルミナ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−Ｐ−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。
【００３１】
本実施形態では、活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−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−Ｐ−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−Ｐ−Ｏ層）の厚さｔを１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００３２】
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−Ｐ−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−Ｐ−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。
【００３３】
また、アルミナ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、厚いＴｉ酸化物層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、上述の活性元素酸化物層３０（Ｔｉ−Ｐ−Ｏ層）が比較的薄く形成されるのである。
【００３４】
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。
【００３５】
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、アルミナ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。
【００３６】
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％以上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％以上のアルミニウム（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。
【００３７】
また、窒化物セラミックスとして９８％アルミナを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、９２％アルミナ、９６％アルミナ、ジルコニア強化アルミナ等の他のアルミナを適用してもよい。
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等の他の活性元素を適用してもよい。
【００３８】
さらに、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ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、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、Ｔｉペースト等を介在させてもよい。
【００３９】
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】
【００４０】
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。
表１に示すセラミックス基板（株式会社ＭＡＲＵＷＡ社製）、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０．３８ｍｍ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７ｋｇｆ／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８０μｍとした。
【００４１】
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。
【００４２】
（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２の界面観察結果を図５に示す。
また、活性元素酸化物層の厚さを測定した。さらに、活性元素酸化物層中のＰ濃度、活性金属濃度及びＯ濃度を測定し、Ｐ濃度、活性金属濃度及びＯ濃度の合計を１００としたＰ濃度を算出した。なお、活性元素酸化物層の厚さは、５視野の平均値とした。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。
【００４３】
（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。
【００４４】
（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）
【００４５】
【表１】
2015177045.tif 000003
【００４６】
【表２】
2015177045.tif 000004
【００４７】
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の条件で接合した従来例１では、接合されなかった。
【００４８】
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。
【００４９】
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１−１１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。
【００５０】
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アルミナ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】
【００５１】
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  活性元素酸化物層
【図１】
2015177045.tif 000005
【図２】
2015177045.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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