(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、
前記セラミックス基板の一方の面に接合層を介して接合された銅系材料からなる銅回路と、
前記セラミックス基板の他方の面に接合層を介して接合された銅系材料からなる銅放熱板よりなるセラミックス回路基板において、
前記接合層は、Ａｇを必須成分とすると共に少なくとも２種以上の金属からなるろう材成分と、少なくとも１種以上の活性金属成分とからなり、前記活性金属の含有量が、接合層全体の金属元素量に対して０．５質量％以上２．０質量％以下となっており、
前記接合層は、前記ろう材成分からなるろう材層と前記活性金属を含む活性金属化合物層とからなり、前記活性金属化合物層が前記セラミックス基板との接合界面に沿って形成されており、
更に、前記接合層と前記セラミックス基板との接合面積に占める、前記活性金属化合物層と前記セラミックス基板との接合面積の割合が、８８％以上であることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
ろう材成分として、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉの少なくともいずれかを含む請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】
活性金属として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ａｌ、Ｍｏの少なくともいずれかを含む請求項１又は請求項２記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】
活性金属化合物層の厚さが、接合層全体に対して１／４０以上１／１０以下である請求項１〜請求項３のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項５】
接合層の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下である請求項１〜請求項４のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項６】
接合層は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｚｒ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｃｕ-Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｒ合金の少なくともいずれかを含む請求項１〜請求項５のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項７】
セラミックス基板は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、ホウ化ランタン、窒化ホウ素、炭化ケイ素、グラファイトのいずれかよりなる請求項１〜請求項６のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方法であって、
銅系材料からなる銅板材の片面に、ろう材成分と活性金属とが合金化してなる活性金属ろう材をクラッドした複合材料を用意し、
セラミックス基板の両面に、前記活性金属ろう材が接するように前記複合材料を配置した後、
前記複合材料を加熱して前記活性金属ろう材を溶融し、前記銅板材を前記セラミックス基板の両面に接合する工程を有する、セラミックス回路基板の製造方法。
【請求項９】
活性金属ろう材は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｚｒ−Ｓｎ合金からなる請求項８記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項１０】
セラミックス基板の一方の面に接合する複合材料は、その平面形状が回路形状となるように加工されている請求項８又は請求項９記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール等に使用されるセラミックス回路基板に関する。特に、セラミックス基板に銅回路及び銅放熱板を接合したセラミックス回路基板であって、放熱性向上のために銅回路及び銅放熱板を厚くしたときであっても接合部の耐久性が確保されたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッドカーや発電設備等で利用されているＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワーモジュールの回路基板として、セラミック基板を用いたセラミックス回路基板が適用されている。セラミックス回路基板は、セラミックスからなる基板の一方の面に半導体素子と接続するための銅系材料からなる銅回路が、他方の面に半導体素子の発熱を放熱するための銅系材料からなる銅放熱板とが接合された基板である。【０００３】
上記の通り、セラミックス回路基板は、セラミックス基板に銅回路と銅放熱板を接合してなる。この接合においては、セラミックスと金属（銅）という異種材料の接合であることを考慮して、活性金属法が採用されるのが一般的である。活性金属法は、ろう付けによる接合方法の一態様であるが、Ａｇろう材等のろう材を構成するろう材成分にＴｉ、Ｚｒ等の活性金属を添加した活性金属ろう材を使用して金属とセラミックスとを接合する方法である。活性金属法では、活性金属ろう材中の活性金属がろう材成分とセラミックスとの接合界面に集まり、セラミックス中の酸素や窒素と反応して接合力が得られる。この活性金属ろう材としては、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ系ろう材が知られている。【０００４】
活性金属法によるセラミックス回路基板の製造においては、活性金属ろう材を構成する金属の粉末を有機溶剤に混合・分散させてろう材ペーストを使用するのが一般的である。例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材であれば、ろう材成分であるＡｇ粉末とＣｕ粉末に、活性金属であるＴｉ粉末又はＴｉ化合物粉末（ＴｉＨ２粉末等）を有機溶剤に混合して活性金属ろう材ペーストを作製する。そして、この活性金属ろう材ペーストをセラミックス基板に塗布した後、銅回路と銅放熱板をペースト状に載置して所定の温度に加熱することで、活性金属ろう材中の各金属粉末が溶融しセラミックス基板と銅回路（銅放熱板）との間に接合層が形成される。この接合層は、セラミックスとの接合界面に活性金属が移動し反応したことにより生成する活性金属化合物層を含む。そして、接合層は、活性金属化合物層とＡｇ、Ｃｕ等のろう材成分を主成分とするろう材層との二層構造を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−９０１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、セラミックス回路基板を適用するパワーモジュールの分野で課題となっている事項として、モジュールの高出力化・高密度化に対応させるための放熱性向上が挙げられている。ＩＧＢＴ等のパワーモジュールは、小型化が進む一方で出力は大きくなる傾向にある。この傾向により、搭載されたチップの温度は上昇することになり、従来以上に高い放熱能力が要求される。ここで、モジュールの放熱性向上の手法としては、セラミックス基板の材質変更に加えて、銅回路及び銅放熱板を厚くすること（厚銅化）が検討されている。具体的には、銅回路及び銅放熱板を、これまでの２〜３倍程度の厚さにまで厚銅化して、これらの部位からの放熱量を拡大することが検討されている。【０００７】
しかし、本発明者等によれば、厚銅化は、銅回路及び銅放熱板とセラミックス基板との熱膨張差を従来以上に大きくし、接合部及び基板の耐久性・信頼性を低下させるという問題を生じさせる。銅系材料とセラミックスは、異種材料であり熱膨張係数が大きく相違する。この熱膨張差は熱応力の要因となり、モジュールのオン・オフによる熱サイクルはセラミックス回路基板の構成、特に、接合層に影響を及ぼす。かかる熱膨張差に基づく熱応力の問題は、従来のセラミックス回路基板でも存在していたが、厚銅化による熱膨張差の拡大によって更に顕著となる。そして、熱膨張差の拡大による負荷上昇によって、銅回路及び銅放熱板の剥離やセラミックス基板の割れが生じる。このような厚銅化による銅剥離や基板割れの問題は、従来の接合構造では抑制することが難しい。そのため、セラミックス回路基板の放熱能力向上に際して、銅回路及び銅放熱板の厚銅化は有効な手段であるものの、実現が困難な課題となっている。【０００８】
本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、セラミックス基板と銅との熱膨張差による負荷を受けても基板割れや銅剥離が生じ難いセラミックス回路基板を提供する。この課題において、特に好適な接合層の構成を明らかにする。また、この信頼性・耐久性が向上したセラミックス回路基板についての製造方法も明らかにすることも目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、上記課題を解決するために、まず従来の活性金属法によって製造されるセラミックス回路基板の接合層の構成を詳細に分析することとした。上記の通り、従来のセラミックス回路基板の製造工程で、活性金属ろう材をペーストの形態で基板の接合面に供給している。活性金属ろう材ペーストは、ろう材成分（Ａｇ、Ｃｕ等）の金属粉末と、活性金属（Ｔｉ等）の金属間化合物粉末とが溶剤中に分散した状態にある。ペースト状の活性金属ろう材は調製が簡便であり、取り扱い性も良好なので接合作業性にも優れている。そのため、ペースト状の活性金属ろう材を適用する活性金属法は、セラミックス回路基板を製造するための方法の主流となっている。【００１０】
そして、上記したように、ペースト状（粉末状）のろう材を溶融・凝固することで形成される接合層は、凝固組織を呈するろう材成分を主成分とするろう材層と、セラミックス基板との界面に形成された活性金属化合物層とからなる２層構造を有する。ここで、本発明者等は、活性金属化合物層のセラミックス基板に対する接合面積に着目した。接合面積とは、活性金属化合物層又は接合層のそれぞれについて、セラミックス基板と接する領域の面積である。そして、本発明者等は、従来の活性金属ろう材ペーストによって形成される接合層に関して、接合層全体の接合面積に占める、活性金属化合物層の接合面積の割合を評価したところ、当該割合が５０％程度しかないことを確認した。この接合面積の割合については、上記特許文献１でも言及されており、そこでは占有率として最大で８５％の割合が開示されている。活性金属法による接合層において、活性金属化合物層はセラミックス基板と接合層との接合を確保する部位と考えられ、ひいては銅回路又は銅放熱板とセラミック基板との接合力に影響する。【００１１】
本発明者等は、今後、厚銅化や発熱量が増加するパワーモジュールの回路基板においては、接合層内の活性金属化合物層の形態がより重要になると考えた。但し、活性金属化合物層の形態制御に関しては、従来のペースト状ろう材に基づくアプローチには限界がある。【００１２】
そこで、本発明者等は、セラミックス基板を銅回路及び銅放熱板に接合する工程を見直すことから検討することにした。その結果、金属粉末を混合してなるペースト状の活性金属ろう材に替えて、各構成金属が合金化されたバルク状の活性金属ろう材を適用したとき、従来以上の耐久性を発揮し得る接合層を形成できることを見出した。そして、このとき形成される接合層及びその中の活性金属化合物層の構成について検討を行い、本発明に想到した。【００１３】
即ち、本発明は、セラミックス基板と、前記セラミックスの一方の面に接合層を介して接合された銅系材料からなる銅回路と、前記セラミックスの他方の面に接合層を介して接合された銅系材料からなる銅放熱板よりなるセラミックス回路基板において、前記接合層は、Ａｇを必須成分とすると共に少なくとも２種以上の金属からなるろう材成分と、少なくとも１種以上の活性金属成分とからなり、前記活性金属の含有量が、接合層全体の金属元素量に対して０．５質量％以上２．０質量％以下となっており、前記接合層は、前記ろう材成分からなるろう材層と前記活性金属を含む活性金属化合物層とからなり、前記活性金属化合物層が前記セラミックス基板との接合界面に沿って形成されており、更に、前記接合層と前記セラミックス基板との接合面積に占める、前記活性金属化合物層と前記セラミックス基板との接合面積の割合が、８８％以上であることを特徴とするセラミックス回路基板である。【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。上記したように、本発明に係るセラミックス回路基板は、ろう材成分と活性金属とが合金化され一体化した活性金属ろう材を適用し、セラミックス基板に銅回路と銅放熱板を適切な接合条件のもと接合して製造される。そして、本発明の特徴は、接合層の成分組成と構造の双方にある。接合層の構造的特徴は、接合界面に形成された活性金属化合物層の形態にある。以下、接合層の成分組成に関する特徴と、接合層の構造・形態に関する特徴のそれぞれについて説明する。尚、本発明では、接合層が、セラミックス基板と銅回路との間、及び、セラミックス基板と銅放熱板との間のそれぞれにおいて形成されている。以下で説明する接合層の組成・構造は、双方の接合層を対象とするものである。【００１５】
（Ａ）接合層の成分組成
接合層の成分組成について、接合層を構成する金属元素は、Ａｇを必須成分とする少なくとも２種以上のろう材成分と、少なくとも1種の活性金属である。これらの成分は、セラミックス回路基板の製造で適用された活性金属ろう材合金に由来する金属元素である。【００１６】
（Ａ−１）ろう材成分
ろう材成分とは、混合又は合金化することで比較的低温で溶融することができる２種以上の金属成分であって、凝固することでろう材層を形成する金属である。ろう材層は、銅回路又は銅放熱板と活性金属化合物層とを接合して、一体化されたセラミックス回路基板を形成する作用を有する。ろう材成分は２種以上の金属からなり、共晶組成を有する金属の組み合わせを少なくとも一つ有する金属群である。本発明では、ろう材成分としてＡｇを必須の成分とする。活性金属法において、Ａｇを主成分とするろう材（銀ろう）が多く用いられていること、及び、接合層の熱伝導性向上を考慮したからである。【００１７】
そして、Ａｇと共にろう材成分を構成する金属としては、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉの少なくともいずれか１種の金属が好ましい。特に、Ａｇと共にＣｕを適用することが好ましい。本発明の接合対象が銅系材料からなることから良好な接合性を確保するためである。そして、ＡｇとＣｕとの組合わせは、共晶組成を有することから、これらの金属はろう材成分としての適正を有する。ろう材成分としてのＣｕを含むとき、接合層全体に対して２０重量％以上４０重量％以下含まれているものが好ましい。【００１８】
また、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉの少なくとも１種の金属も、本発明でろう材成分となることができる。これらの金属は、接合に供された活性金属ろう材合金の材料組織の調整のために添加されることが多い金属元素である。即ち、活性金属ろう材の合金においては、ろう材成分からなる合金中に、Ｔｉ等の活性金属が金属間化合物（例えば、Ｃｕ−Ｔｉ化合物等）を形成しつつ分散していることがある。活性金属の金属間化合物は硬度が高いものが多く、ろう材の加工性に影響を与えることがある。Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉは、ろう材成分ではあるが、Ａｇ、Ｃｕ等と比較すると、Ｔｉ等の活性金属との結合性が高い。そこで、ろう材成分として、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉを添加すると、これらがＴｉと優先的に結合して微細な金属間化合物を生成して活性金属ろう材合金の材料組織を制御することができる。このような挙動を有することから、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉは、Ｔｉ等の活性金属と共に移動し、接合界面の活性金属化合物層に含まれていることがある。また、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉは、活性金属と化合物相を形成してろう材層内で分散していることもある。尚、接合層がＳｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉを含む場合、それら金属の合計含有量は、接合層に対して０．１質量％以上１０質量％以下のものが好ましい。【００１９】
（Ａ−２）活性金属
活性金属は、セラミック基板とろう材層とを接合するための活性金属化合物層を生成するための成分である。活性金属は、接合工程において、セラミックス基板との接合界面へ移動し、セラミックス中のＯ、Ｎ、Ｓｉ等と反応して活性金属化合物層を形成する。活性金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ａｌ、Ｍｏの少なくともいずれか１種の金属元素を含む。これらの金属元素は、セラミックスの構成元素との反応活性に優れると共に、形成された活性金属間化合物とろう材層（Ａｇ、Ｃｕ）との接合性も良好であることによる。活性金属として特に好ましいのは、Ｔｉ、Ｚｒである。【００２０】
そして、本発明では接合層全体に含まれる活性金属の含有量について、０．５質量％以上２．０質量％以下に規制されている。この活性金属の含有量は、従来技術であるペースト状・粉末状の活性金属ろう材から形成される接合層の活性金属含有量よりも低い範囲にある。即ち、本発明の接合層全体に含まれる活性金属の含有量は、従来技術に対する明確な相違点となる。【００２１】
本発明で活性金属の含有量が比較的低いのは、本発明では合金化された活性金属ろう材を使用するからである。合金化した活性金属ろう材では、活性金属含有量を低くしても、接合界面に好適な状態の活性金属化合物層を形成することができる。何故ならば、合金は、原子レベルで活性金属とろう材成分が混合・結合した状態にあるので、活性金属原子が速やかにセラミックスとの接合界面に移動し反応できるからである。【００２２】
これに対して、従来技術であるペースト状・粉末状の活性金属ろう材においては、如何に粉末の粒径を微細にしようとも、合金のような原子レベルの粒径にすることはできない。そして、従来の粉末状のろう材では、原子レベルで速やかに活性金属が移動することはできず、その分多量の活性金属を投入することで接合界面に化合物層を形成させている。そのため、接合層全体に対する活性金属含有量は高くなっている。【００２３】
尚、本発明の接合層が複数の活性金属を含む場合、それらの合計量が０．５質量％以上２．０質量％以下となる。また、活性金属の含有量は、１．０質量％以上２．０質量％以下がより好ましい。この活性金属の含有量とは、接合層を構成する金属元素の合計の質量を基準とする。接合層の形成の際、活性金属がセラミックス中のＯ、Ｎ、Ｓｉ等の非金属と結合するので、その分の質量変化を考慮している。もっとも、この質量変化はわずかであるので、実際上は、接合時に使用された活性金属ろう材合金中の活性金属の濃度に近似できる。そして、接合層内の活性金属の分布としては、接合界面にその殆どが存在し化合物層を形成しているが、一部の活性金属は接合層内部（ろう材層）に分布している。【００２４】
（Ｂ）接合層の構造・形態
接合層は、ろう材層と活性金属化合物層とで構成されている。本発明は、上述した接合層の成分組成上の特徴に加えて、接合層の構造、特に、接合界面に形成された活性金属化合物層の形態においても特徴がある。【００２５】
（Ｂ−１）ろう材層
ろう材層は、上記したろう材成分で構成された合金層である。例えば、ろう材成分としてＡｇとＣｕを適用したとき、ろう材層は、Ａｇ−Ｃｕ合金からなる。このＡｇ−Ｃｕ合金は、Ａｇ相又はＡｇを主成分とする合金相（α相）と、Ｃｕ相又はＣｕを主成分とする合金相（β相）とが混合する材料組織を有する。また、Ａｇ、Ｃｕ以外のろう材成分（Ｓｎ、Ｉｎ等）を含む場合、当該ろう材成分は、上記のＡｇ相、α相、Ｃｕ相、β相のいずれかと合金化するか、別に合金相を形成してろう材層内に分散する、或いは、活性金属と合金相を形成してろう材層内に分散する。【００２６】
（Ｂ−２）活性金属化合物層の形態  
活性金属化合物層とは、Ｔｉ等の活性金属とセラミックス中のＯ、Ｎ、Ｓｉ等と結合して生成する層状の化合物である。また、活性金属化合物層は、添加剤であるＳｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉの少なくともいずれかが任意的に含まれる。従って、活性金属化合物層の成分は一定ではなく、接合するセラミックスの種類や添加元素の量によって変化する。本発明では、活性金属化合物層の定義として、活性金属を必須的に含み、接合界面に接する化合物層とする。本発明では、接合層に含まれる全ての活性金属が界面で化合物層を形成するとは限らず、一部の活性金属はろう材層の内部に分散する化合物相を形成することがある。このような分散する化合物相は、前記定義に基づき、本発明における活性金属化合物層には該当しない。【００２７】
そして、本発明では、活性金属化合物層を接合界面付近に集中させて、活性金属化合物層が広範囲で覆うようにしたことで接合力を高めている。具体的には、接合層による接合面積に占める、活性金属化合物層による接合面積の割合を８８％以上としている。活性金属化合物層は、セラミックスとＡｇ、Ｃｕ等の金属（ろう材層）との接合性を確保するための層であり、ひいてはセラミックス基板と銅回路及び銅放熱板とを接合するための層である。本発明は、基板と銅との熱膨張差に基づく熱応力負荷に対する接合層の耐久性を従来以上に高くすることを課題とする。具体的には、銅回路等の厚銅化や半導体素子の発熱量の上昇による負荷を想定し、それらに対して損傷することのない接合層の指標として、接合界面全体の面積に占める、活性金属化合物層の接合面積の割合を規定する。接合界面全体の面積とは、接合層による接合面積であり、これは接合層とセラミックス基板との接触面積である。また、活性金属化合物層の接合面積とは、活性金属化合物層とセラミックス基板との接触面積である。【００２８】
本発明者等によれば、接合層とセラミックス基板との接合面積に占める、活性金属化合物層とセラミックス基板との接合面積の割合が８８％未満であると、回路基板に繰返しの熱応力負荷があったときの耐久時間が不十分となる。この接合面積に関連する割合については、当然に高ければ高いほど好ましい。現実的には、９５％程度が限界であり、この上限付近ではきわめて高い耐久性が期待できる。【００２９】
接合層とセラミックス基板との接合面積に占める、活性金属化合物層とセラミックス基板との接合面積の割合の測定については、各々の接合面積を測定・推定できる方法であれば特に限定する必要はない。この測定方法の例としては、回路基板について、接合層を含む任意部分の断面観察を行い、接合界面と接触する接合層の幅（長さ）、及び、活性金属化合物層の幅（長さ）とを測定し、それらの比率を接合面積の割合とすることができる。【００３０】
断面観察による、接合層とセラミックス基板との接合面積に占める、活性金属化合物層とセラミックス基板との接合面積の割合の測定方法の具体例を図１に示す。活性金属化合物層の接合面積の割合を検討するに際しては、図１のように、接合層の部分的な断面を任意に複数観察し、観察視野における接合層の幅と活性金属化合物層の幅をそれぞれ測定し、それらから求められる比率の平均値を採用することができる（図１（ａ）参照）。また、接合層全体について、任意に断面を観察し、接合層全体の幅と活性金属化合物層の幅を測定して比率を算出し、それらの平均値を採用しても良い（図１（ｂ））。また、これらの断面観察において、活性金属化合物層が分断されている場合は、分断された個々の活性金属化合物層の幅（図１（ａ）、（ｂ）のｌ１、ｌ２）を測定し、その和を活性金属化合物層の幅として、接合層の幅に対する割合を算出する。尚、このようにして接合層を全体的・部分的に観察する場合、断面の元素分析を行い、活性金属の有無により活性金属化合物層を同定してその幅を測定することが好ましい。また、図１は、銅回路とセラミックス基板との接合層における検討例を示すが、銅放熱板とセラミックス基板との接合層についても同様にして検討することができる。【００３１】
そして、本発明では、活性金属化合物層の厚さについての好適範囲も明確にする。即ち、本発明の回路基板における接合層の活性金属化合物層の厚さは、接合層全体の厚さに対して１／４０以上１／１０以下であることが好ましい。この数値範囲から分かるように、本発明における活性金属化合物層は、接合層全体に対してかなり薄い層といえる。このように本発明における活性金属化合物層が比較的薄くなるのは、接合層中の活性金属含有量が低いことに起因している。この活性金属化合物層の厚さを前記範囲としたのは、１／４０未満ではセラミックスと金属（ろう材層）との結合力に乏しくなる一方、１／１０を超えても接合力に差異は生じない。この活性金属化合物層の厚さは、接合層全体に対して１／４０以上１／２０以下であることがより好ましい。【００３２】
以上の通り、本発明に係るセラミックス回路基板においては、接合層内で極めて薄い活性金属化合物層が、高い面積率（占有率）で接合界面に形成されている。本発明でこのような厚さは薄いのに面積は広くなっている活性金属化合物層が形成される理由としては、合金化した活性金属ろう材を適用したことによる。上記の通り、活性金属ろう材の合金においては、原子レベルの活性金属が速やかに接合界面に移動し、接合界面を密に覆いながらセラミックス基板と化合物相を形成する。活性金属の含有量は低いため、その厚さは薄いものの、高効率で接合界面を被覆することで、高い耐久性の接合層が形成される。【００３３】
尚、上記した活性金属化合物層の厚さに対し接合層全体の厚さについては、特に制限されることはなく、使用する活性金属ろう材の厚さ、容積によって調整される。但し、回路基板を極力低背化しつつ接合力を確保するため、接合層は、５μｍ以上５０μｍ以下とするのが好ましい。【００３４】
また、本発明における接合層は、ボイドの少ない緻密質であることが好ましい。ここでのボイドとは、比較的微小な金属のない空間（空隙）とする。ボイドは、過剰に存在すると接合層の強度に影響を及ぼす。また、ボイド内の気体が熱膨張・収縮を繰り返すことで、周辺部の割れを誘起するおそれがあるので、少量であっても好ましくない。具体的には、空隙率として５％以下であることが好ましい。当然に０％であることが最も好ましい。この空隙率は、例えば、接合層の任意断面の組織観察を行い、画像を基に空隙の面積率を測定することで算出できる。また、超音波探傷法によっても簡便に測定できる。【００３５】
（Ｃ）セラミックス基板
以上説明したように、本発明では、好適な形態の活性金属化合物層が形成された接合層を有することにより、高寿命で銅の剥離や基板の割れが抑制されたセラミックス回路基板としている。ここで、セラミックス基板の構成材料は特に限定されるものではないが、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、ホウ化ランタン、窒化ホウ素、炭化ケイ素、グラファイトのいずれかが好ましい。また、セラミック基板の厚さについては、特に規定はない。使用するモジュールに要求される放熱特性を考慮して適宜に選択できる。【００３６】
（Ｄ）銅回路及び銅放熱板
また、セラミックス基板に接合する銅回路及び銅放熱板について、これは銅系材料で構成される、銅系材料とは、銅又は銅合金である。銅には、純銅、無酸素銅、タフピッチ銅等が含まれる。銅合金としては、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金等が挙げられる。【００３７】
銅回路及び銅放熱板の厚さについても、本発明では制限されることはない。上述の通り、パワーモジュール用のセラミックス回路基板においては、放熱能力向上のための厚銅化の要求が有り、銅回路及び銅放熱板を厚くする傾向がある。具体的には、銅回路及び銅放熱板をこれまでの０．４ｍｍ前後から０．８ｍｍ〜１．２ｍｍにまで厚くすることが要求されている。本発明は、このような厚銅化の要求にも対応できる。【００３８】
また、銅回路の厚さと銅放熱板の厚さは、同じでも良いが相違していても良い。但し、それぞれの体積が相違すると、放熱性が裏表で相違する回路基板となる。特に、銅放熱板は平坦な板形状とするのが一般的であるが、銅回路は搭載する半導体素子の構造に応じて形成されている。よって、銅回路と銅放熱板の厚さに関しては、それらの体積比（銅回路／銅放熱板）として０．５以上２以下とすると放熱性が均等で熱膨張バランスが良好な回路基板となる。【００３９】
（Ｅ）本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法
次に、本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法について説明する。これまで繰返し述べたように、本発明では、セラミックス基板に銅回路及び銅放熱板を接合する際、ろう材成分と活性金属が合金化されたバルク状の活性金属ろう材を使用する。ここで、バルク状の活性金属ろう材の供給形態については、予め、当該活性金属ろう材を、銅回路及び銅放熱板を形成するための銅板に接合（クラッド）した複合材料を使用することで、回路基板の製造の効率化を図ることができる。【００４０】
即ち、本発明に係る回路基板の製造方法は、銅系材料からなる銅板材の片面に、ろう材成分と活性金属とが合金化してなる活性金属ろう材をクラッドした複合材料を用意し、セラミックス基板の両面に、前記活性金属ろう材が接するように前記複合材料を配置した後、前記複合材料を加熱して前記活性金属ろう材を溶融し、前記銅板材を前記セラミックス基板の両面に接合する工程を有する、セラミックス回路基板の製造方法である。【００４１】
上記の通り、本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法では、活性金属ろう材を銅板にクラッドした複合材料を利用し、これを適切な接合条件のもとでセラミックス基板に接合することを主題事項とする。そこで、この複合材料について説明する。【００４２】
複合材料を構成する銅板については、上記した銅系材料からなる板材が使用される。この銅板の厚さ、寸法は、製造するセラミックス回路基板の銅回路及び銅放熱板の厚さと同じとすることができる。【００４３】
そして、銅板にクラッドする活性金属ろう材は、ろう材層と活性金属化合物層とからなる接合層の前駆体というべきものである。よって、上述したように、クラッドされる活性金属ろう材は、Ａｇを必須成分とすると共に少なくとも２種以上の金属からなるろう材成分と、少なくとも１種以上の活性金属とからなる。Ａｇ以外のろう材成分としては、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉの少なくともいずれかを含むものが好ましい。活性金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ａｌ、Ｍｏの少なくともいずれかを含む。活性金属ろう材は、Ｃｕを含むとき、活性金属ろう材に対して２０重量％以上４０重量％以下含まれているものが好ましい。また、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｌｉの少なくともいずれかを含むとき、それら合計含有量が、活性金属ろう材に対して０．１質量％以上１０質量％以下となるものが好ましい。更に、活性金属の含有量は、活性金属ろう材に対して合計で０．５質量％以上２．０質量％以下が好ましく、１.０質量％以上２．０質量％以下がより好ましい。【００４４】
活性金属ろう材の具体的な組成としては、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金（Ｃｕ：２０質量％以上４０質量％以下、Ｔｉ：０．５質量％以上２質量％以下、残部Ａｇ）、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金（Ｃｕ：２０質量％以上４０質量％以下、Ｔｉ：１．０質量％以上２．０質量％以下、Ｓｎ：１．２質量％以上６．０質量％以下残部Ａｇ）、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｚｒ−Ｓｎ合金（Ｃｕ：２０質量％以上４０質量％以下、Ｔｉ：１質量％以上２質量％以下、Ｚｒ：０．２質量％以上２．０質量％以下、Ｓｎ：１．２質量％以上６．０質量％以下、残部Ａｇ）、等が挙げられる。これらの活性金属ろう材を溶融して凝固させたものが、接合層を形成することができる。従って、これらの活性金属ろう材を適用したときの接合層は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｚｒ−Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｃｕ-Ｓｎ合金、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｒ合金の少なくともいずれかを含むこととなる。【００４５】
尚、上記具体例の中で、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金（Ｃｕ：２０質量％以上４０質量％以下、Ｔｉ：１．０質量％以上２．０質量％以下、Ｓｎ：１．２質量％以上６．０質量％以下残部Ａｇ）に関しては、活性金属Ｔｉの量と添加元素Ｓｎの量との間でＳｎ／Ｔｉが１．２以上５．０以下の関係が成立しているものが特に好ましい。Ｓｎ／Ｔｉの制御によって、クラッドする活性金属ろう材の加工性を確保することができる。それにより、活性金属ろう材の薄型化が可能となる。【００４６】
そして、複合材料における活性金属ろう材の厚さは、５μｍ以上５０μｍ以下とするのが好ましい。５μｍ未満ではろう材が不足して接合性のある接合層を形成することができない。５０μｍを超えると、回路基板の低背化に支障が生じることの他、ろう材のはみ出しが生じるおそれがある。銅板にクラッドする活性金属ろう材の形状については特に規定はないが、銅板の全面に活性金属ろう材をクラッドしているものが好ましい。【００４７】
また、製造された複合材料は、銅回路及び銅放熱板となる銅板と活性金属ろう材とが一体化した素材であるので、この複合材料を更に加工することもできる。例えば、銅放熱板は矩形の平板であることが多いことから、平板状の複合材料を製造して、そのままセラミックス基板に接合することで銅放熱板にできる場合が多い。一方、銅回路については、半導体チップ等を搭載するまでにそれに応じた回路形状にする必要がある。本発明で適用する複合材料は、セラミックス基板に接合する前に、プレス加工・打ち抜き加工によって回路形状に加工することができる。【００４８】
このように、セラミックス基板の一方の面に接合する複合材料について、その平面形状が回路形状となるように加工されているものを用いることができることは、本発明のメリットの一つである。即ち、従来技術であるペースト状のろう材は流動性があるので、複雑な形状を有する銅回路を接合する場合、その前にろう材の形状を調製し固定することは難しい。そのため、従来法における銅回路の形成においては、セラミックス基板に平面状の銅板を接合した後、銅板をエッチングして回路を形成するのが一般的である。しかし、エッチングのような化学的・電気化学的な金属溶解プロセスは、今後の厚銅化に対応が困難になると予測される。これに対して、本発明で使用する複合材料は、固体状金属であるので、プレス加工や打ち抜き加工等による成形加工が可能である。そして、この加工はセラミックス基板への接合前に実施できる。これにより、セラミックス回路基板の製造効率を大きく高めることができる。【００４９】
本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法では、以上のようにして製造され用意された複合材料を、セラミックス基板の両面に配置し、加熱して複合材料を接合する。ここで、この活性金属ろう材による接合の条件については、上述した接合層の構成（活性金属化合物層の厚さ及び接合面積）を発現させるものであることが要求される。【００５０】
セラミックス基板への複合材料の接合条件としては、その雰囲気を真空雰囲気（１×１０−２Ｐａ以下）又は希ガス雰囲気とする。そして、接合温度として、活性金属ろう材の融点に対し、＋１５℃以上＋２５℃以下の範囲内とすることが要求される。この接合温度とは、活性金属ろう材の温度であり、被接合材の温度である。このような厳密な条件管理の下、上述した好適な構成の接合層が形成される。尚、複合材料の接合工程において、加熱は活性金属ろう材を上記温度に加熱すれば足りるが、便宜上、複合材料とセラミックス基板を共に上記雰囲気に置いても良い。【００５１】
以上のようにして複合材料とセラミックス基板とを接合することでセラミックス回路基板を得ることができる。尚、上記の通り、銅回路となる複合材料については、セラミックス基板との接合前に回路形状に成形加工しておくと、直ちに銅回路を供えた回路基板を得ることができる。但し、平面状の複合材料をセラミックス基板に接合し、その後エッチング等により銅回路を形成することを否定するものではない。本発明に係るでセラミックス回路基板及びその製造方法では銅回路の厚さを限定することはない。よって、銅回路が薄い場合や銅回路の形状によっては、複合材料とセラミックス基板とを接合した後にエッチング処理した方が効率的な場合があるからである。
【発明の効果】
【００５２】
以上説明した、本発明に係るセラミックス回路基板は、接合層の成分組成と構造を最適化することで接合層の耐久性が向上しており、熱応力・熱サイクルに対する銅回路・銅放熱板の剥離や基板割れの抑制されている。この接合層の構成は、従来技術では形成することは不可能である。これは、セラミックス回路基板の製造分野で、従来、使用されていない合金化された活性金属ろう材を適切に使用したことによる。そして、本発明に係るセラミックス回路基板の製造にあっては、予め、銅回路・銅放熱板となる銅板と活性金属ろう材とをクラッドした複合材料を適用する。これにより、効率的なセラミックス回路基板の製造が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】接合層の接合面積に占める活性金属化合物層の接合面積の割合の測定方法の例を説明する図。
【図２】本実施形態で製造したセラミックス回路基板の接合層の断面写真。
【図３】本実施形態で製造したセラミックス回路基板の接合層のＥＤＸ分析におけるＴｉマッピング画像。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
第１実施形態：以下、本発明の実施形態について、以下に記載する実施例に基づいて説明する。本実施形態では、銅回路及び銅放熱板の厚さがいずれも０．８ｍｍであるセラミックス回路基板を製造し、その接合層の構成を検討すると共に、セラミックス回路基板の熱耐久性を評価した。ここで、セラミックス回路基板の製造工程として、まず、銅板と活性金属ろう材とをクラッドした複合材料を製造し、これをセラミックス基板に接合した。
【００５５】
［複合材料の製造］
本実施形態では、活性金属ろう材として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｓｎ合金（Ｃｕ：２８．０質量％、Ｔｉ：２．０質量％、Ｓｎ：５．０質量％）を製造し、これをテープ材に加工して銅板にクラッド接合した。活性金属ろう材の製造は、上記組成の合金インゴットを溶解鋳造にて製造し、インゴットについて焼鈍と冷間圧延との組み合わせを複数行ってテープ状の活性金属ろう材を製造した。そして、製造したテープ状の活性金属ろう材と、用意していたテープ状の銅板（無酸素銅製）とを圧延ロールにてクラッド接合した。このテープ状のクラッド材を切断して複合材料を得た。この複合材料は、寸法２０ｍｍ×２０ｍｍで活性金属ろう材の厚さが２０μｍで銅板の厚さが０．８ｍｍであった。
【００５６】
［セラミックス回路基板の製造］
セラミックス基板として窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる基板（２１ｍｍ×２１ｍｍ、厚さ０．３２ｍｍ）を使用した。このセラミックス基板の両面に上記で製造した複合材料を固定し真空炉中で接合した。接合条件は、真空雰囲気（３×１０−３Ｐａ）、接合温度７９０℃（ろう材融点＋２０℃）とし、接合温度到達から２０分保持した。加熱後冷却してセラミックス回路基板を製造した。製造したセラミックス回路基板は、いずれの接合層も厚さが２０μｍであった。
【００５７】
比較例：第１実施形態で製造したセラミックス回路基板と比較すべく、ペースト状の活性金属ろう材を使用してセラミックス回路基板を製造した。この比較例で使用したペースト状の活性金属ろう材は、ＡｇＣｕ合金粉末、Ｓｎ粉末、更に、ＴｉＨ２粉末を有機溶剤に分散してなるものである。これらの金属粉末及び化合物粉末の粒径は、いずれも篩開口４５μｍ以下のものであった。各金属の構成比は、Ｃｕ：２７質量％、Ｔｉ：２質量％、Ｓｎ：３質量％、Ａｇ：残部とした。そして、本実施形態と同じセラミックス基板（Ｓｉ３Ｎ４）に、上記ペースト状ろう材を塗布した（塗布面積２０ｍｍ×２０ｍｍ）。次に、塗布したペースト状ろう材の面上に、本実施形態と同じ無酸素銅からなる銅板（厚さ０．８ｍｍ）を載置した。その後、７９０℃で２０分保持して銅板を接合してセラミックス回路基板とした。
【００５８】
［接合層の構造確認］
製造したセラミックス回路基板について、接合層の断面構造をＳＥＭ観察した。その一例として、図２に、セラミックス基板と銅回路との間における接合層付近の断面写真を示した。次に、接合層の断面についてＥＤＸ分析を行った。ＥＤＸ分析は、倍率５００倍、加速電圧１５ｋＶとし、接合層のセラミックス基板との界面を分析した。このとき、２つの接合層（セラミックス基板と銅回路との間の接合層と、セラミックス基板と銅放熱板との間の接合層）について、複数個所を分析した。この分析結果の一例として、図３にＴｉのマッピングの結果を示した。図３から、接合層のセラミックス基板側界面において、Ｔｉが富化した層が存在していることが確認され、この層を活性金属化合物層と同定した。また、このＥＤＸ分析において、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｎの各元素についての分析も行っており、接合層内で活性金属化合物層の上（銅回路又は銅放熱板の方向）に、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎのろう材成分からなるろう材層が形成されていることを確認している。
【００５９】
そして、上記のＥＤＸの分析結果を利用して、活性金属化合物層の接合面積を算出した。本実施形態では、図３で例示したＴｉのマッピング画像に基づき、活性金属化合物層の幅を、金属化合物層の接合面積とみなし測定を行った。本実施形態で使用したマッピング画像は、画素数が１９２ピクセル×２５６ピクセルであり、１ピクセル＝１μｍ相当であったので観察視野は１９２μｍ×２５６μｍに相当する。活性金属化合物層の幅の測定の際には、接合層とセラミックとの界面でＴｉが存在しない部分（図３で黒色となっている部分）を、活性金属化合物層が存在していない領域と判定した。そして、そのような活性金属化合物層が無い領域の幅（ピクセル数）の合計を、画像全体の横幅のピクセル数（２５６ピクセル）から引き、その結果を活性金属化合物層の幅とした。更に、この活性金属化合物層の幅を、画像全体の横幅で除して活性金属化合物層の接合面積の割合とした。
【００６０】
本実施形態では、製造したセラミックス回路基板（接合層の平面寸法：２０ｍｍ×２０ｍｍ）を横断するように切断して４つの試料（接合層の平面寸法：２０ｍｍ×５ｍｍ）に分割し、樹脂埋込み及び研磨して断面観察用のサンプルを４つ製作した。そして、各サンプルからそれぞれ１０視野の領域について、上記のような分析及び測定作業を行った（Ｎ＝４０）。その結果、本実施形態における、接合層とセラミックス基板との接合面積に占める、活性金属化合物層とセラミックス基板との接合面積の割合は９３％であった。
【００６１】
また、本実施形態で製造した回路基板の接合界面における活性金属化合物層の厚さも測定した。この厚さ測定は、倍率３０００倍でＥＤＸ分析を行い、Ｔｉが存在する領域について、任意の複数箇所で厚さを測定して平均値を算出し、活性金属化合物層の厚さとした。本実施形態の活性金属化合物層の厚さの平均は、０．８０μｍであった。よって、活性金属化合物層の厚さは接合層全体に対して０．０４であった。
【００６２】
更に、本実施形態のセラミックス回路基板の接合層の全面について、超音波探傷法（装置名：日立ＵＴＳ１００Ｃ）による表面検査を行った結果、空隙率は０％であり、接合層はボイドのない緻密な状態であることが確認された。
【００６３】
一方、比較例についてみると、接合層の組織そのものは本実施形態と略同じであり、ろう材層と活性金属化合物層とが観察された。そして、本実施形態と同様の手法にて、接合層の接合面積に占める活性金属化合物層の接合面積の割合を算出したところ、５８％であった。また、活性金属化合物層の厚さは、０．６μｍであった。また、更に、超音波探傷法による表面検査を行った結果、空隙率は１０％であった。
【００６４】
［耐久性評価］
次に、本実施形態及び比較例のセラミックス回路基板について、接合層の耐久性を評価するために、熱サイクル試験を行った。本実施形態での熱サイクル試験は、低温域（−５０℃）と高温域（１５０℃）のそれぞれに３０分保持して加熱冷却する操作を１サイクルとしてこれを１０００サイクル実施する試験である。そして、１０００サイクル後のセラミックス回路基板について、銅板の剥離の有無を超音波探傷器により評価した。
【００６５】
この熱サイクル試験はＮ＝２で実施し、本実施形態のセラミックス回路基板ではいずれの試験でも１００％剥離が生じなかった。一方、比較例のセラミックス回路基板では、Ｎ＝２で１００％剥離が生じた。これは、比較例の接合層の接合面積に占める活性金属化合物層の接合面積の割合が低かったことに起因すると考えられる。
【００６６】
第２実施形態：ここでは、組成の異なる複数の活性金属ろう材を使用して回路基板を製造した。第１実施形態と同様にして、下記表１に記載の組成の活性金属ろう材を製造して複合材料を製造した。そして、第１実施形態と同様に回路基板を製造した。
【００６７】
本実施形態では、基本的に第１実施形態と同様の接合条件を適用したが、一部の実施例（Ｎｏ．２、Ｎｏ．７）では、活性金属ろう材の厚さを第１実施形態より薄くし（１５μｍ）つつ、接合温度を高め（ろう材融点＋２５℃）に設定した。
【００６８】
そして、製造した回路基板について、まず、外観評価を行い、接合層付近の剥離の有無やろう材の這上りの有無を確認した。また、第1実施形態と同様にして、接合層の断面を観察して接合層の厚さと活性金属化合物層の厚さを測定し（いずれも平均値）、両者の比率を計算した。
【００６９】
外観検査に合格した回路基板について、第1実施形態と同様にして、接合層とセラミックス基板との接合面積に占める、活性金属化合物層とセラミックス基板との接合面積の割合を測定した（Ｎ＝４０）。また、超音波探傷法にて表面検査を行い、空隙率を測定した。
【００７０】
そして、第1実施形態と同様、接合層の耐久性の評価のための熱サイクル試験を行った。試験条件は、第１実施形態と同様とした。本実施形態では、熱サイクル試験をＮ＝３で実施し、１００％剥離が生じなかったものを合格「○」と評価し、1回でも剥離が生じた場合を不合格「×」とした。以上の検討結果を表１に示す。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
まず、製造条件として活性金属ろう材の厚さが、薄過ぎる場合や厚過ぎる場合（Ｎｏ．３、Ｎｏ．４）、接合層の剥離やろう材這上りが発生するので、製造時のろう材厚さに配慮が必要であることが確認された。また、活性金属ろう中の活性金属（Ｔｉ）の含有量が０．５質量％未満である場合、接合層中の活性金属の含有量に不足が生じたため剥離が生じる（Ｎｏ．８）。この場合、活性金属化合物層の厚さは極めて薄くなっている。
【００７３】
そして、外観検査で合格した回路基板に関しては、概ね耐久試験結果は合格であったが、接合層とセラミックス基板との接合面積に占める、活性金属化合物層とセラミックス基板との接合面積の割合が、８８％を下回る回路基板に関しては剥離が見られた（Ｎｏ．７）。この回路基板では、Ｎ＝３の試験において１回のみ剥離が発生したため不合格であった。Ｎｏ．７の回路基板は、活性金属ろう材中のＴｉ濃度が、第１実施形態やＮｏ．２の実施例よりも低めに設定されている。そして、ろう材の厚さもやや薄くした一方で、接合温度を高めに設定していた。これらの条件の総合的な作用により、Ｎｏ．７の回路基板では、活性金属化合物層の形成は認められるものの、セラミック基板との界面での接合面積の割合に不足が生じたと考えられる。尚、このＮｏ．７の回路基板は、超音波探傷法の結果から空隙率がさほど高いわけではないが、耐久試験の結果では剥離が生じた。つまり、耐久性を厳密に追及するのであれば、単に接合界面におけるボイドの有無を評価するだけではなく、活性金属化合物層の接合面積の検討を行うことが好ましいことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係るセラミックス回路基板は、接合層のセラミックス基板に対する接合力や耐久性が向上しており、熱応力・熱サイクルを受けたときの銅回路・銅放熱板の剥離や基板割れが抑制されている。本発明は、ハイブリッドカー、車両、発電設備等へ利用されている各種のパワーモジュールの回路基板として好適である。そして、高密度化・高出力化が予想されるパワーモジュールへの対応も可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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