(57)【要約】  この銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウムからなるセラミックス部材とを有し、前記銅部材と、前記セラミックス部材とは接合され、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に、Ｍｇ−Ｏ層が形成されている。
2020261833.tif 000002
【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、窒化アルミニウムからなるセラミックス部材とを有し、
前記銅部材と、前記セラミックス部材とは接合され、
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に、Ｍｇ−Ｏ層が形成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】
銅又は銅合金からなる銅板と、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板とを有し、
前記セラミックス基板の表面に、前記銅板が接合され、
前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｍｇ−Ｏ層が形成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項３】
請求項１に記載の銅／セラミックス接合体の製造方法であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、
前記銅部材と前記セラミックス部材とをＭｇを介して積層する積層工程と、
Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とし、
前記接合工程では、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上とされるとともに、６５０℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持することを特徴とする銅／セラミックス接合体の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の絶縁回路基板の製造方法であって、
前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、
前記銅板と前記セラミックス基板とをＭｇを介して積層する積層工程と、
Ｍｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とし、
前記接合工程では、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上とされるとともに、６５０℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【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、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、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てなる絶縁回路基板、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法に関する。
本願は、２０１９年６月２６日に、日本に出願された特願２０１９−１１８５０５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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。
例えば、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は、動作時の発熱量が多い。このため、このパワー半導体素子を搭載する基板としては、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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、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を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、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絶縁回路基板が提案されている。この特許文献１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。【０００４】
また、特許文献２においては、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ系ろう材を用いて、セラミックス基板と銅板とを接合した絶縁回路基板が提案されている。
この特許文献２においては、窒素ガス雰囲気下にて５６０〜８００℃で加熱することによって、セラミックス基板と銅板とを接合しており、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金中のＭｇは昇華して接合界面には残存せず、かつ、窒化チタン（ＴｉＮ）が実質的に形成しないものとされている。【０００５】
ところで、上述の絶縁回路基板の回路層においては、端子材等が超音波接合されることがある。
ここで、特許文献１、２に記載された絶縁回路基板においては、端子材等を接合するために超音波を負荷させた際に、接合界面にクラックが発生し、回路層が剥離してしまうおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３２１１８５６号公報
【特許文献２】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】
【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、超音波接合を行った場合であっても、セラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することが可能な銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法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、本発明の一態様に係る銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウムからなるセラミックス部材とを有し、前記銅部材と、前記セラミックス部材とは接合され、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に、Ｍｇ−Ｏ層が形成されていることを特徴としている。【０００９】
本発明の一態様に係る銅／セラミックス接合体によれば、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に、Ｍｇ−Ｏ層が形成されているので、接合材としてのＭｇとセラミックス部材の表面に形成された酸化物とが十分に反応しており、銅部材とセラミックス部材とが強固に接合されている。そして、接合界面にＭｇ−Ｏ層が形成されていることにより、超音波を負荷させた場合であっても、接合界面にクラックが発生することを抑制でき、セラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することが可能となる。【００１０】
本発明の一態様に係る絶縁回路基板は、銅又は銅合金からなる銅板と、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板とを有し、前記セラミックス基板の表面に、前記銅板が接合され、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｍｇ−Ｏ層が形成されていることを特徴としている。【００１１】
本発明の一態様に係る絶縁回路基板によれば、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面に、Ｍｇ−Ｏ層が形成されている。このため、接合材としてのＭｇとセラミックス基板の表面に形成された酸化物とが十分に反応しており、銅板とセラミックス基板とが強固に接合されている。また、接合界面にＭｇ−Ｏ層が形成されている。このため、超音波を負荷させた場合であっても、接合界面にクラックが発生することを抑制でき、セラミックス基板と銅板との剥離を抑制することが可能となる。【００１２】
本発明の一態様に係る銅／セラミックス接合体の製造方法は、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とをＭｇを介して積層する積層工程と、Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とし、前記接合工程では、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上とされるとともに、６５０℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持することを特徴としている。【００１３】
本発明の一態様に係る銅／セラミックス接合体の製造方法によれば、前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされている。このため、界面反応に必要なＣｕ−Ｍｇ液相を十分に得ることができる。よって、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。
そして、接合工程において、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度を５℃／ｍｉｎ以上とし、６５０℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持する。このため、界面反応に必要なＣｕ−Ｍｇ液相を一定時間以上保持することができ、均一な界面反応を促進し、銅部材とセラミックス部材との接合界面にＭｇ−Ｏ層を確実に形成することが可能となる。【００１４】
本発明の一態様に係る絶縁回路基板の製造方法は、上述の絶縁回路基板の製造方法であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、前記銅板と前記セラミックス基板とをＭｇを介して積層する積層工程と、Ｍｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とし、前記接合工程では、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上とされるとともに、６５０℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持することを特徴としている。【００１５】
本発明の一態様に係る絶縁回路基板の製造方法によれば、前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされている。このため、界面反応に必要なＣｕ−Ｍｇ液相を十分に得ることができる。よって、銅板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
そして、接合工程において、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度を５℃／ｍｉｎ以上とし、６５０℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持する。このため、界面反応に必要なＣｕ−Ｍｇ液相を一定時間以上保持することができ、均一な界面反応を促進し、銅板とセラミックス基板との接合界面にＭｇ−Ｏ層を確実に形成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様によれば、超音波接合を行った場合であっても、セラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することが可能な銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る絶縁回路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】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面の拡大説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面の観察結果である。
【図４Ａ】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面のライン分析結果を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ａの縦軸の一部を拡大したグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法のフロー図である。
【図６】本発明の実施形態に係る絶縁回路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】
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、セラミックス（窒化アルミニウム）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、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とを有する絶縁回路基板１０である。銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）は、セラミックス基板１１に接合されている。図１は、本実施形態である絶縁回路基板１０を備えたパワーモジュール１を示す。
【００１９】
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設された絶縁回路基板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、金属層１３の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク３０と、を備えている。
【００２０】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料からなる。この半導体素子３と回路層１２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系のはんだ材からなる。
【００２１】
ヒートシンク３０は、前述の絶縁回路基板１０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３０は、銅又は銅合金からなり、本実施形態ではりん脱酸銅からなる。このヒートシンク３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１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３０と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層３２によって接合されている。このはんだ層３２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材からなる。
【００２２】
そして、本実施形態である絶縁回路基板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。
【００２３】
セラミックス基板１１は、絶縁性および放熱性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。このセラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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。
【００２４】
回路層１２は、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図６において上面）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は、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２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、回路層１２となる銅板２２の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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。
【００２５】
金属層１３は、図６に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図６において下面）に、銅又は銅合金からなる銅板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、無酸素銅の圧延板からなる銅板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、金属層１３となる銅板２３の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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。
【００２６】
そして、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面においては、図２に示すように、Ｍｇ−Ｏ層４１が形成されている。
このＭｇ−Ｏ層４１は、接合材として用いられるＭｇとセラミックス基板１１の表面に形成された酸化膜とが反応することによって形成されたものである。
【００２７】
ここで、図３は、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面の観察結果を示す。詳細には、図３は、接合界面のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ（High-angle Annular Dark Field Scanning TEM）像及びＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectroscopy）法により得られた組成分布観察結果（元素マッピングの結果）である。図３の左端の“ＨＡＡＤＦ”と記載された図が、接合界面のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像である。ＨＡＡＤＦ像はＺコントラスト像であり、ＨＡＡＤＦ像では原子量（Ｚ）に比例したコントラストが得られるため、重い元素は明るく（白く）表示される。図の左側にセラミックス基板（ＡｌＮ）１１が位置し、右側に回路層（Ｃｕ）１２が位置しており、右側が明るく(白く)表示されている。図３のうち、“Ｃｕ”、“Ａｌ”、“Ｎ”、“Ｍｇ”、“Ｏ”と記載された図は、ＥＤＸ法により得られた各元素の分布観察結果である。ＥＤＸ法により得られた各元素の分布観察結果は、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像に対応している。各元素の分布観察結果では、検出される元素の量が多い程、明るく(白く)表示されている。図３においては、Ａｌ及びＮが検出された領域がセラミックス基板１１に相当し、Ｃｕが検出された領域が回路層１２（金属層１３）となる。そして、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との間に、ＭｇとＯが偏在したＭｇ−Ｏ層４１が存在していることが確認される。
【００２８】
また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面のライン分析結果を図４Ａ，図４Ｂに示す。走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ、ＦＥＴ社製Ｔｉｔａｎ  ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）に付帯されたエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ、サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）を用いて、加速電圧：２００ｋＶ、倍率：３６０万倍の条件で、セラミックス基板１１から回路層１２に向かう厚さ方向に接合界面のラインプロファイルを取得した。ここで、ラインプロファイルとは、縦軸を元素の濃度とし、横軸を測定点の移動距離（測定点の位置）として得られるグラフである。元素の濃度は、ある測定点において測定されるＡｌ，Ｎ，Ｏ，Ｍｇ，及びＣｕの合計量（１００原子％）に対するその元素の量の比（原子％）である。図４Ａ，図４Ｂにおいては、Ａｌ及びＮの濃度が高い領域がセラミックス基板１１に相当し、Ｃｕの濃度が高い領域が回路層１２（金属層１３）となる。そして、Ａｌ及びＮの濃度、並びに、Ｃｕの濃度が変化する領域（すなわち、接合界面）において、Ｍｇ及びＯの濃度が高くなっており、ＭｇとＯが偏在したＭｇ−Ｏ層４１が存在していることが確認される。
本実施形態では、図３の接合界面のＭｇ，Ｏの分布観察結果（元素マッピングの結果）や図４Ａ，図４Ｂの接合界面のラインプロファイルにおいて、ＭｇとＯが同一領域に存在する場合、接合界面にＭｇ−Ｏ層４１が存在していると判断される。また、後述するように接合界面を原子分解能で観察し、Ｏ−Ｍｇ−Ｏのモノレイヤー構造の厚さ以上のＭｇ−Ｏ層４１が確認される場合も、接合界面にＭｇ−Ｏ層４１が存在していると判断される。Ｍｇ−Ｏ層４１は、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面の全面に存在することが好ましい。
Ｍｇ−Ｏ層４１の厚さは、ＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectroscopy）により測定された図４Ａ，図４Ｂのラインプロファイルにおいて、Ｍｇ濃度とＯ濃度が重なる領域のうち、Ｍｇ濃度とＯ濃度の両者が５ａｔ％（原子％）以上である領域の厚さであるとも言える。ここで、Ｍｇ濃度とＯ濃度のそれぞれは、Ａｌ，Ｎ，Ｏ，Ｍｇ，及びＣｕの合計量（１００原子％）に対するＭｇとＯの量の比（原子％）である。Ｍｇ−Ｏ層４１の厚さの上限は、好ましくは５０ｎｍ以下であり、より好ましくは２５ｎｍ以下であり、更に好ましくは１５ｎｍ以下である。Ｍｇ−Ｏ層４１の厚さの下限は、特に限定されない。ＥＤＸの分解能を考慮すると、上述した方法で求められるＭｇ−Ｏ層４１の厚さは１ｎｍ以上である。
Ｍｇ濃度とＯ濃度が低く、上述した方法で求めたＭｇ−Ｏ層４１の厚さが１ｎｍ未満となる場合であっても、接合界面を、原子分解能で、原子位置を直接的に特定できるレベルにて観察すると、Ｏ−Ｍｇ−Ｏのモノレイヤー構造の厚さから０．５ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層４１が確認できる。このため、Ｍｇ−Ｏ層４１の厚さの下限はＯ−Ｍｇ−Ｏのモノレイヤー構造の厚さ以上であるとも言える。Ｍｇ−Ｏ層４１の厚さがＯ−Ｍｇ−Ｏのモノレイヤー構造の厚さ以上の場合、本実施形態の作用効果が得られる。配位数が６の場合のＭｇ２＋のイオン半径は０．７２オングストロームである。配位数が２〜８の場合のＯ２−のイオン半径は１．３５〜１．４２オングストロームである。ＭｇＯの結晶構造が岩塩型であると仮定し、ＡｌＮ（０００１）／／ＭｇＯ（１１１）の関係があること、及びＭｇ−Ｏ層４１中のＯの配位数がＭｇＯのバルク体中のＯの配位数と異なる恐れがあることを考慮すると、Ｏ−Ｍｇ−Ｏのモノレイヤー構造の厚さは、０．３９５〜０．４１１ｎｍであり、約０．４ｎｍである。このように、接合界面を原子分解能で観察する場合、厚さ方向に配列するイオンの平均個数、イオン半径、及び結晶構造から、Ｍｇ−Ｏ層４１の厚さが算出される。
纏めると、Ｍｇ−Ｏ層４１の厚さは、ＥＤＸにより測定されたラインプロファイルより、上述した方法で求められる。求められたＭｇ−Ｏ層４１の厚さが１ｎｍ未満の場合、接合界面を原子分解能で観察することにより、より正確なＭｇ−Ｏ層４１の厚さが求められる。
【００２９】
以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板１０の製造方法について、図５及び図６を参照して説明する。
【００３０】
（Ｍｇ配置工程Ｓ０１）
まず、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板１１を準備し、図６に示すように、回路層１２となる銅板２２とセラミックス基板１１との間、及び、金属層１３となる銅板２３とセラミックス基板１１との間に、それぞれＭｇを配置する。
本実施形態では、回路層１２となる銅板２２とセラミックス基板１１との間、及び、金属層１３となる銅板２３とセラミックス基板１１との間に、Ｍｇ箔２５を配設している。
ここで、Ｍｇ配置工程Ｓ０１では、配置するＭｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とする。
なお、配置するＭｇ量の下限は０．５２ｍｇ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、０．６９ｍｇ／ｃｍ２以上とすることがさらに好ましい。一方、配置するＭｇ量の上限は３．４８ｍｇ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、２．６１ｍｇ／ｃｍ２以下とすることがさらに好ましい。
【００３１】
（積層工程Ｓ０２）
次に、銅板２２とセラミックス基板１１を、Ｍｇ箔２５を介して積層するとともに、セラミックス基板１１と銅板２３を、Ｍｇ箔２５を介して積層する。
【００３２】
（接合工程Ｓ０３）
次に、積層された銅板２２、Ｍｇ箔２５、セラミックス基板１１、Ｍｇ箔２５、銅板２３を、積層方向に加圧するとともに、真空炉内に装入して加熱し、銅板２２とセラミックス基板１１と銅板２３を接合する。
ここで、接合工程Ｓ０３における熱処理条件は、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度を５℃／ｍｉｎ以上とするとともに、６５０℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持する。このように熱処理条件を規定することにより、Ｃｕ−Ｍｇ液相を高温状態で維持することが可能となり、界面反応が促進され、上述のＭｇ−Ｏ層４１が形成されることになる。
【００３３】
なお、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度の下限は７℃／ｍｉｎ以上とすることが好ましく、９℃／ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましい。一方、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度の上限に特に制限はないが、３０℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましく、１５℃／ｍｉｎ以下とすることがより好ましく、１２℃／ｍｉｎ以下とすることがさらに好ましい。
また、保持温度の下限は７００℃以上とすることが好ましく、７２０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、保持温度の上限に特に制限はないが、８５０℃以下とすることが好ましく、８３０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、保持時間の下限は４５ｍｉｎ以上とすることが好ましく、６０ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましい。一方、保持時間の上限に特に制限はないが、１８０ｍｉｎ以下とすることが好ましく、１５０ｍｉｎ以下とすることがさらに好ましい。
【００３４】
なお、接合工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。加圧荷重の上限は、より好ましくは２．０ＭＰａ以下であり、更に好ましくは１．５ＭＰａ以下である。加圧荷重の下限は、より好ましくは０．１９ＭＰａ以上であり、更に好ましくは０．３９ＭＰａ以上である。
さらに、接合工程Ｓ０３における真空度は、１×１０−６Ｐａ以上５×１０−２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。真空度の上限は、より好ましくは１×１０−２Ｐａ以下であり、更に好ましくは５×１０−３Ｐａ以下である。真空度の下限は、より好ましくは１×１０−５Ｐａ以上であり、更に好ましくは１×１０−４Ｐａ以上である。
【００３５】
以上のように、Ｍｇ配置工程Ｓ０１と、積層工程Ｓ０２と、接合工程Ｓ０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造されることになる。
【００３６】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
次に、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側にヒートシンク３０を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク３０とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層３２を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク３０とをはんだ接合する。
【００３７】
（半導体素子接合工程Ｓ０５）
次に、絶縁回路基板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。
上述の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
【００３８】
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）によれば、回路層１２（又は金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面に、Ｍｇ−Ｏ層４１が形成されている。このため、接合材としてのＭｇとセラミックス基板１１の表面に形成された酸化物とが十分に反応しており、回路層１２（又は金属層１３）とセラミックス基板１１とが強固に接合されている。また、接合界面にＭｇ−Ｏ層４１が形成されていることにより、超音波を負荷させた場合であっても、接合界面にクラックが発生することを抑制でき、回路層１２（又は金属層１３）とセラミックス基板１１との剥離を抑制することが可能となる。
【００３９】
また、本実施形態の本発明の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）の製造方法によれば、Ｍｇ配置工程Ｓ０１において、銅板２２（又は銅板２３）とセラミックス基板１１との間に配置するＭｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内としている。このため、界面反応に必要なＣｕ−Ｍｇ液相を十分に得ることができる。よって、銅板２２（又は銅板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、回路層１２（又は金属層１３）とセラミックス基板１１との接合強度を確保することができる。
【００４０】
そして、接合工程Ｓ０３において、４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度を５℃／ｍｉｎ以上とし、６５０℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持する。このため、銅板２２（又は銅板２３）とセラミックス基板１１との間に、界面反応に必要なＣｕ−Ｍｇ液相を一定時間以上保持することができ、均一な界面反応を促進することができる。これにより、回路層１２（又は金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面にＭｇ−Ｏ層４１を確実に形成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、その発明の技術的要件を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子が搭載されたパワーモジュールを構成する部材として絶縁回路基板を説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板は、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子が搭載されたＬＥＤモジュールを構成する部材としてもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子が搭載された熱電モジュールを構成する部材としてもよい。
【００４２】
また、本実施形態の絶縁回路基板では、回路層と金属層がともに銅又は銅合金からなる銅板によって構成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。
例えば、回路層とセラミックス基板とが本実施形態の銅／セラミックス接合体であれば、金属層の材質や接合方法は特に限定されない。例えば、金属層がなくてもよいし、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金からなっていてもよく、銅とアルミニウムの積層体であってもよい。
一方、金属層とセラミックス基板とが本実施形態の銅／セラミックス接合体であれば、回路層の材質や接合方法は特に限定されない。例えば、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金からなっていてもよく、銅とアルミニウムの積層体であってもよい。
【００４３】
さらに、本実施形態では、Ｍｇ配置工程において、銅板とセラミックス基板との間に、Ｍｇ箔を積層すると説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板及び銅板の接合面に、Ｍｇからなる薄膜を、スパッタ法や蒸着法等によって成膜してもよい。
【実施例】
【００４４】
以下に、本実施形態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。【００４５】
まず、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍ）を準備した。
このセラミックス基板の両面に、Ｍｇ箔を介して、無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を積層した。表１に示す条件で銅板とセラミックス基板とを加熱処理して接合し、絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。なお、接合時の真空炉の真空度は５×１０−３Ｐａとした。【００４６】
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、接合界面におけるＭｇ−Ｏ層の有無、初期接合率、冷熱サイクル負荷後のセラミックス基板の割れ、超音波接合性について、以下のようにして評価した。【００４７】
（Ｍｇ−Ｏ層）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）の銅板とセラミックス基板の積層方法に沿った断面において、銅板とセラミックス基板との接合界面の中央部から観察試料を採取した。銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ  ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて、加速電圧２００ｋＶ、倍率８００００倍で測定し、エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）により、ＭｇとＯの元素マッピングを取得した。ＭｇとＯが同一領域に存在する場合にＭｇ−Ｏ層が有ると判断した。【００４８】
（初期接合率）
銅板とセラミックス基板との接合率を評価した。具体的には、絶縁回路基板において、銅板とセラミックス基板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、以下の式から初期接合率を算出した。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、すなわち回路層の面積とした。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（非接合部面積）とした。
（初期接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００【００４９】
（冷熱サイクル負荷後のセラミックス基板の割れ）
冷凍庫と加熱炉を用意し、それぞれの内部を以下の温度とした。得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を、−７８℃の冷凍庫内に２分間保持し、次いで、３５０℃の加熱炉内に２分間保持した。この作業を１０回繰り返した。その後、ＳＡＴ（Scanning acoustic tomography）検査により、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査し、セラミックス割れの有無を判定した。なお、ＳＡＴ検査とは、超音波探傷装置を用いて、接合界面の超音波探傷像を得る検査である。評価結果を表１の項目“セラミックス割れの有無”に示す。
−７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎを１０回【００５０】
（超音波接合性）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）に対して、超音波金属接合機（超音波工業株式会社製：６０Ｃ−９０４）を用いて、銅端子（１０ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍ厚）をコプラス量０．３ｍｍの条件で超音波接合した。
接合後に、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、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査し、剥離又はセラミックス割れが観察されたものを「×」（poor）と評価し、剥離とセラミックス割れのどちらも確認されなかったものを「○」（good）と評価した。評価結果を表１に示す。【００５１】
【表１】
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【００５２】
４８０℃以上６５０℃未満の温度領域における昇温速度が３℃／ｍｉｎとされた比較例においては、接合界面にＭｇ−Ｏ層が形成されなかった。このため、初期接合率が低く、かつ、冷熱サイクル負荷時にセラミックス割れが発生した。さらに、超音波接合を実施した際に、銅板とセラミックス基板との剥離が認められた。【００５３】
これに対して、接合界面にＭｇ−Ｏ層が形成された本発明例１〜８においては、初期接合率が高く、セラミックス基板と銅板とを強固に接合することができた。また、冷熱サイクル負荷後のセラミックス割れの発生が抑制されており、冷熱サイクル信頼性に優れていた。さらに、超音波接合を実施した際に、銅板とセラミックス基板との剥離が認められず、超音波接合性に優れていた。【００５４】
以上の結果、本発明例によれば、超音波接合を行った場合であっても、セラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することが可能な銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、銅／セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法を提供可能であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本実施形態によれば、超音波接合を行った場合であっても、セラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することが可能な銅／セラミックス接合体（絶縁回路基板)を提供できる。このため、本実施形態は、絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子、又は熱電素子が接合されたパワーモジュール、ＬＥＤモジュール、又は熱電モジュールに好適に適用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０  絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）
１１  セラミックス基板（セラミックス部材）
１２  回路層（銅部材）
１３  金属層（銅部材）
４１  Ｍｇ−Ｏ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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