JP2023013627A - 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材１２，１３と、セラミックス部材１１とが接合されてなる銅／セラミックス接合体１０であって、セラミックス部材１１と銅部材１２，１３との接合界面において、セラミックス部材１１側には活性金属化合物層２１が形成され、銅部材１２，１３のうちセラミックス部材１１側には活性金属拡散領域２３が形成されており、周縁部領域Ａにおける活性金属拡散領域２３Ａの活性金属化合物層２１Ａからの最大到達距離ＬＡおよび中央部領域Ｂにおける活性金属拡散領域２３Ｂの活性金属化合物層２１Ｂからの最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされ、前記最大到達距離ＬＡと前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下である。【選択図】図２
Description
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、および、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に関するものである。
パワーモジュール、ＬＥＤモジュールおよ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素子およ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とから、これ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、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
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とから、これ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、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、銅板を接合することにより回路層およ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および他方の面に、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）。
また、特許文献２においては、銅又は銅合金からなる銅板と、ＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板とが、ＡｇおよびＴｉを含む接合材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
さらに、特許文献３には、銅又は銅合金からなる銅板と、窒化ケイ素からなるセラミックス基板とが、ＡｇおよびＴｉを含む接合材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
前述のように、Ｔｉを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、活性金属であるＴｉがセラミックス基板と反応することにより、接合材の濡れ性が向上し、銅板とセラミックス基板との接合強度が向上することになる。
さらに、特許文献３には、銅又は銅合金からなる銅板と、窒化ケイ素からなるセラミックス基板とが、ＡｇおよびＴｉを含む接合材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
前述のように、Ｔｉを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、活性金属であるＴｉがセラミックス基板と反応することにより、接合材の濡れ性が向上し、銅板とセラミックス基板との接合強度が向上することになる。
ところで、最近では、絶縁回路基板に搭載される半導体素子の発熱温度が高くなる傾向にあり、絶縁回路基板には、従来にも増して、厳しい冷熱サイクルに耐えることができる冷熱サイクル信頼性が求められている。
ここで、前述のように、Ｔｉを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、銅板側に活性金属であるＴｉが拡散し、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物が析出することで、接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス部材に割れが生じ、冷熱サイクル信頼性が低下するおそれがあった。
ここで、前述のように、Ｔｉを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、銅板側に活性金属であるＴｉが拡散し、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物が析出することで、接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス部材に割れが生じ、冷熱サイクル信頼性が低下するおそれがあった。
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、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、および、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することを目的とする。
前述の課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、セラミックス部材と銅部材とを活性金属を含む接合材を用いて接合する際に、接合時に生成した液相が銅部材の中央部から周縁部側に排斥され、銅部材の周縁部に活性金属が相対的に多く存在することになり、セラミックス部材と銅部材との接合界面において、銅部材の周縁部領域が、中央部領域に比べて硬くなる傾向があることが分かった。そして、冷熱サイクル負荷時に、接合界面において硬い銅部材の周縁部領域に応力が集中し、セラミックス部材の割れが生じやすくなるとの知見を得た。
本発明は、前述の知見を基になされたものであって、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、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であって、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記セラミックス部材側には活性金属化合物層が形成されており、前記銅部材のうち前記セラミックス部材側には、活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）が前記セラミックス部材側から前記銅部材側へと拡散することにより、前記銅部材中の前記活性金属の濃度が０．５質量％以上である活性金属拡散領域が形成されており、前記銅部材の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＡおよび前記銅部材の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記銅部材の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＡと、前記銅部材の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下であることを特徴としている。
本発明の銅／セラミックス接合体によれば、前記銅部材の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＡおよび前記銅部材の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス部材と銅部材とが強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることが抑制される。
そして、前記銅部材の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＡと、前記銅部材の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされているので、接合界面において、銅部材の周縁部領域が相対的に硬くなることが抑制され、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
そして、前記銅部材の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＡと、前記銅部材の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされているので、接合界面において、銅部材の周縁部領域が相対的に硬くなることが抑制され、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
ここで、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記銅部材の周縁部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅部材の周縁部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の周縁部領域と中央部領域とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、前記銅部材の周縁部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の周縁部領域と中央部領域とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、前記銅部材の周縁部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅部材の周縁部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、接合材のＡｇが銅部材と十分に反応してセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の周縁部領域と中央部領域とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、前記銅部材の周縁部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、接合材のＡｇが銅部材と十分に反応してセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅部材の周縁部領域と中央部領域とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
本発明の絶縁回路基板は、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であって、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記セラミックス基板側には活性金属化合物層が形成されており、前記銅板のうち前記セラミックス基板側には、活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）が前記セラミックス基板側から前記銅板側へと拡散することにより、前記銅板中の前記活性金属の濃度が０．５質量％以上である活性金属拡散領域が形成されており、前記銅板の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＡおよび前記銅板の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記銅板の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＡと、前記銅板の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下であることを特徴としている。
本発明の絶縁回路基板によれば、前記銅板の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＡおよび前記銅板の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板と銅板とが強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることが抑制される。
そして、前記銅板の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＡと、前記銅板の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされているので、接合界面において、前記銅板の周縁部領域が相対的に硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
そして、前記銅板の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＡと、前記銅板の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされているので、接合界面において、前記銅板の周縁部領域が相対的に硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅板の周縁部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅板の周縁部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅板の周縁部領域と中央部領域とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することが可能となる。
この場合、前記銅板の周縁部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされているので、前記銅板の周縁部領域と中央部領域とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することが可能となる。
また、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、前記銅板の周縁部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅板の周縁部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、接合材のＡｇが銅板と十分に反応してセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので前記銅板の周縁部領域と中央部領域とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、前記銅板の周縁部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、接合材のＡｇが銅板と十分に反応してセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされているので前記銅板の周縁部領域と中央部領域とで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、および、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することができる。
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４２（回路層１２）および銅板４３（金属層１３）とが接合されてなる絶縁回路基板１０である。図１に、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。
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４２（回路層１２）および銅板４３（金属層１３）とが接合されてなる絶縁回路基板１０である。図１に、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。
このパワーモジュール１は、回路層１２および金属層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５と、を備えている。
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系のはんだ材で構成されている。
接合層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。
ヒートシンク５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５は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク５には、冷却用の流体が流れるための流路が設けられている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク５と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層７によって接合されている。このはんだ層７は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク５と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層７によって接合されている。このはんだ層７は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。
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。
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ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。また、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。
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（図４において上面）に、銅又は銅合金からなる銅板４２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４２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。
本実施形態においては、回路層１２は、無酸素銅の圧延板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４２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。
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（図４において下面）に、銅又は銅合金からなる銅板４３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４３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。
本実施形態においては、金属層１３は、無酸素銅の圧延板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４３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。
ここで、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３との接合界面においては、図２に示すように、セラミックス基板１１側から順に、活性金属化合物層２１、Ａｇ－Ｃｕ合金層２２が形成されている。
また、回路層１２および金属層１３においては、セラミックス基板１１との接合界面側には、活性金属（本実施形態ではＴｉ）が回路層１２側および金属層１３側へと拡散することにより、回路層１２および金属層１３における活性金属の濃度が０．５質量％以上である活性金属拡散領域２３が形成されている。
また、回路層１２および金属層１３においては、セラミックス基板１１との接合界面側には、活性金属（本実施形態ではＴｉ）が回路層１２側および金属層１３側へと拡散することにより、回路層１２および金属層１３における活性金属の濃度が０．５質量％以上である活性金属拡散領域２３が形成されている。
そして、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、図２に示すように、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａと中央部領域Ｂにおける界面構造について、以下のように規定されている。
なお、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａは、図２（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向端部から２０μｍ内方位置を起点としてさらに幅方向内方に２００μｍまでの領域である。
また、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂは、図２（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向中心を含む幅方向２００μｍの領域である。
なお、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａは、図２（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向端部から２０μｍ内方位置を起点としてさらに幅方向内方に２００μｍまでの領域である。
また、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂは、図２（ａ）に示すように、回路層１２および金属層１３とセラミックス基板１１との積層方向に沿った断面において、回路層１２および金属層１３の幅方向中心を含む幅方向２００μｍの領域である。
ここで、図２（ｂ）に示すように、回路層１２および金属層１３との接合界面の周縁部領域Ａにおいては、活性金属拡散領域２３Ａの活性金属化合物層２１Ａからの最大到達距離ＬＡは、２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。
また、図２（ｃ）に示すように、回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部領域Ｂにおいては、活性金属拡散領域２３Ｂの活性金属化合物層２１Ｂからの最大到達距離ＬＢは、２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。
また、図２（ｃ）に示すように、回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部領域Ｂにおいては、活性金属拡散領域２３Ｂの活性金属化合物層２１Ｂからの最大到達距離ＬＢは、２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。
そして、本実施形態においては、回路層１２および金属層１３との接合界面の周縁部領域Ａにおける活性金属拡散領域２３Ａの最大到達距離ＬＡと、回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部領域Ｂにおける活性金属拡散領域２３Ｂの最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされている。
また、本実施形態においては、回路層１２および金属層１３との接合界面の周縁部領域Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部領域Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂが、０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、これらの厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
ここで、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は接合材４５で用いる活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）の化合物からなる層である。より具体的には、セラミックス基板が窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる場合には、これらの活性金属の窒化物からなる層となり、セラミックス基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である場合には、これらの活性金属の酸化物からなる層となる。活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は活性金属化合物の粒子が集合して形成されている。この粒子の平均粒径は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
なお、本実施形態では、接合材４５が活性金属としてＴｉを含有し、セラミックス基板１１が窒化アルミニウムで構成されているため、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）で構成される。すなわち、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は、平均粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化チタン（ＴｉＮ）の粒子が集合して形成されている。
ここで、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は接合材４５で用いる活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）の化合物からなる層である。より具体的には、セラミックス基板が窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる場合には、これらの活性金属の窒化物からなる層となり、セラミックス基板がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）である場合には、これらの活性金属の酸化物からなる層となる。活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は活性金属化合物の粒子が集合して形成されている。この粒子の平均粒径は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
なお、本実施形態では、接合材４５が活性金属としてＴｉを含有し、セラミックス基板１１が窒化アルミニウムで構成されているため、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）で構成される。すなわち、活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）は、平均粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の窒化チタン（ＴｉＮ）の粒子が集合して形成されている。
さらに、本実施形態においては、回路層１２および金属層１３との接合界面の周縁部領域Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａと、回路層１２および金属層１３との接合界面の中央部領域Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂとの比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、Ａｇ－Ｃｕ合金層２２（２２Ａ、２２Ｂ）の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましい。
また、Ａｇ－Ｃｕ合金層２２（２２Ａ、２２Ｂ）の厚さは、１μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましい。
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３および図４を参照して説明する。
（接合材配設工程Ｓ０１）
回路層１２となる銅板４２と、金属層１３となる銅板４３とを準備する。
そして、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の接合面に、接合材４５を塗布し、乾燥させる。ペースト状の接合材４５の塗布厚さは、乾燥後で１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
本実施形態では、スクリーン印刷によってペースト状の接合材４５を塗布する。
回路層１２となる銅板４２と、金属層１３となる銅板４３とを準備する。
そして、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の接合面に、接合材４５を塗布し、乾燥させる。ペースト状の接合材４５の塗布厚さは、乾燥後で１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
本実施形態では、スクリーン印刷によってペースト状の接合材４５を塗布する。
接合材４５は、Ａｇと活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）を含有するものとされている。本実施形態では、接合材４５として、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材（Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材）を用いている。なお、Ａｇ－Ｔｉ系ろう材（Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材）としては、例えば、Ｃｕを０質量％以上４５質量％以下の範囲内、活性金属であるＴｉを０．５質量％以上２０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｇおよび不可避不純物とされた組成のものを用いることが好ましい。
接合材４５に含まれるＡｇ粉の比表面積は、０．１５ｍ２／ｇ以上とすることが好ましく、０．２５ｍ２／ｇ以上とすることがさらに好ましく、０．４０ｍ２／ｇ以上とすることがより好ましい。一方、接合材４５に含まれるＡｇ粉の比表面積は、１．４０ｍ２／ｇ以下とすることが好ましく、１．００ｍ２／ｇ以下とすることがさらに好ましく、０．７５ｍ２／ｇ以下とすることがより好ましい。
なお、ペースト状の接合材４５に含まれるＡｇ粉の粒径は、Ｄ１０が０．７μｍ以上３．５μｍ以下、かつ、Ｄ１００が４．５μｍ以上２３μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
なお、ペースト状の接合材４５に含まれるＡｇ粉の粒径は、Ｄ１０が０．７μｍ以上３．５μｍ以下、かつ、Ｄ１００が４．５μｍ以上２３μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
ここで、後述する加圧および加熱工程Ｓ０３において、積層方向に加圧することにより、発生した液相が銅板４２，４３の中央部から周縁部側へ排斥され、銅板４２，４３の周縁部に活性金属成分が比較的多く存在することになる。
よって、本実施形態では、図５に示すように、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の周縁部における接合材４５Ａの塗布厚さが、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の中央部における接合材４５Ｂの塗布厚さよりも薄くなるように、接合材４５を塗布している。
なお、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の周縁部における接合材４５Ａの塗布厚さと、中央部における接合材４５Ｂの塗布厚さの差は、５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
よって、本実施形態では、図５に示すように、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の周縁部における接合材４５Ａの塗布厚さが、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の中央部における接合材４５Ｂの塗布厚さよりも薄くなるように、接合材４５を塗布している。
なお、回路層１２となる銅板４２および金属層１３となる銅板４３の周縁部における接合材４５Ａの塗布厚さと、中央部における接合材４５Ｂの塗布厚さの差は、５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
（積層工程Ｓ０２）
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、接合材４５を介して回路層１２となる銅板４２を積層するとともに、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４５を介して金属層１３となる銅板４３を積層する。
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、接合材４５を介して回路層１２となる銅板４２を積層するとともに、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４５を介して金属層１３となる銅板４３を積層する。
（加圧および加熱工程Ｓ０３）
次に、銅板４２とセラミックス基板１１と銅板４３とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、接合材４５を溶融する。
ここで、加圧および加熱工程Ｓ０３における加熱温度は、８００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。７８０℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計は、７℃・ｈ以上８０℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加圧および加熱工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０２９ＭＰａ以上２．９４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加圧および加熱工程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。
次に、銅板４２とセラミックス基板１１と銅板４３とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、接合材４５を溶融する。
ここで、加圧および加熱工程Ｓ０３における加熱温度は、８００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。７８０℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計は、７℃・ｈ以上８０℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加圧および加熱工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０２９ＭＰａ以上２．９４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加圧および加熱工程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。
（冷却工程Ｓ０４）
そして、加圧および加熱工程Ｓ０３の後、冷却を行うことにより、溶融した接合材４５を凝固させて、回路層１２となる銅板４２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１と金属層１３となる銅板４３とを接合する。
なお、この冷却工程Ｓ０４における冷却速度は、２℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、ここでの冷却速度は加熱温度からＡｇ－Ｃｕ共晶温度である７８０℃までの冷却速度である。
そして、加圧および加熱工程Ｓ０３の後、冷却を行うことにより、溶融した接合材４５を凝固させて、回路層１２となる銅板４２とセラミックス基板１１、セラミックス基板１１と金属層１３となる銅板４３とを接合する。
なお、この冷却工程Ｓ０４における冷却速度は、２℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、ここでの冷却速度は加熱温度からＡｇ－Ｃｕ共晶温度である７８０℃までの冷却速度である。
以上のように、接合材配設工程Ｓ０１、積層工程Ｓ０２、加圧および加熱工程Ｓ０３、冷却工程Ｓ０４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。
（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
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５を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク５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７を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５とをはんだ接合する。
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５を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク５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７を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５とをはんだ接合する。
（半導体素子接合工程Ｓ０６）
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。
前述の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
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。
前述の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
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および金属層１３の周縁部領域Ａにおける活性金属拡散領域２３Ａの活性金属化合物層２１Ａからの最大到達距離ＬＡ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂにおける活性金属拡散領域２３Ｂの活性金属化合物層２１Ｂからの最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とが強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることが抑制される。
なお、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とをさらに強固に接合するためには、上述の活性金属拡散領域２３（２３Ａ，２３Ｂ）の活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）からの最大到達距離ＬＡ，ＬＢを２５μｍ以上とすることが好ましく、３５μｍ以上とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、上述の活性金属拡散領域２３（２３Ａ，２３Ｂ）の活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）からの最大到達距離ＬＡ，ＬＢを７５μｍ以下とすることが好ましく、６５μｍ以下とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、上述の活性金属拡散領域２３（２３Ａ，２３Ｂ）の活性金属化合物層２１（２１Ａ，２１Ｂ）からの最大到達距離ＬＡ，ＬＢを７５μｍ以下とすることが好ましく、６５μｍ以下とすることがより好ましい。
そして、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａにおける活性金属拡散領域２３Ａの最大到達距離ＬＡと、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂにおける活性金属拡散領域２３Ｂの最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされているので、接合界面において、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａが相対的に硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
なお、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させるためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａにおける活性金属拡散領域２３Ａの最大到達距離ＬＡと、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂにおける活性金属拡散領域２３Ｂの最大到達距離ＬＢとの差を８μｍ以下とすることが好ましく、６μｍ以下とすることがより好ましい。
なお、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させるためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａにおける活性金属拡散領域２３Ａの最大到達距離ＬＡと、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂにおける活性金属拡散領域２３Ｂの最大到達距離ＬＢとの差を８μｍ以下とすることが好ましく、６μｍ以下とすることがより好ましい。
また、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂが、０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされている場合には、活性金属によってセラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
なお、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とをさらに強固に接合するためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂを、０．０８μｍ以上とすることが好ましく、０．１５μｍ以上とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂを、１．０μｍ以下とすることが好ましく、０．６μｍ以下とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂを、１．０μｍ以下とすることが好ましく、０．６μｍ以下とすることがより好ましい。
さらに、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂの比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされている場合には、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａと中央部領域Ｂとで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制することが可能となる。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成された活性金属化合物層２１Ａの厚さｔ１Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成された活性金属化合物層２１Ｂの厚さｔ１Ｂの比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂを、０．８以上１．２以下の範囲内とすることがさらに好ましく、０．９以上１．１以下の範囲内とすることがより好ましい。
また、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂが、１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている場合には、後述する接合材４５のＡｇと回路層１２および金属層１３とが十分に反応し、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
なお、セラミックス基板１１と回路層１２および金属層１３とをさらに強固に接合するためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂを、３μｍ以上とすることが好ましく、５μｍ以上とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂを、２５μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａ、および、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂを、２５μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることがより好ましい。
さらに、本実施形態において、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａと、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂとの比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが、０．７以上１．４以下の範囲内とされている場合には、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａと中央部領域Ｂとで接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生をさらに抑制するためには、回路層１２および金属層１３の周縁部領域Ａに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ａの厚さｔ２Ａと、回路層１２および金属層１３の中央部領域Ｂに形成されたＡｇ－Ｃｕ合金層２２Ｂの厚さｔ２Ｂとの比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂを、０．８以上１．２以下の範囲内とすることがさらに好ましく、０．９以上１．１以下の範囲内とすることがより好ましい。
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、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構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い。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構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い。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
また、本実施形態の絶縁回路基板では、セラミックス基板として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックス基板を用いたものであってもよい。
さらに、本実施形態では、接合材に含まれる活性金属として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、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される１種又は２種以上の活性金属を含んでいればよい。なお、これらの活性金属は、水素化物として含まれていてもよい。
また、本実施形態では、銅板の周縁部および中央部における接合材の塗布厚さを調整することで、回路層および金属層の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡと、回路層および金属層の中央部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＢを制御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、銅板の周縁部および中央部で、塗布する接合材を異なるものとして、回路層および金属層の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡと、回路層および金属層の中央部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＢを制御してもよい。
例えば、接合材に含まれるＡｇ粉の比表面積（ＢＥＴ値）を調整することにより、前述の最大到達距離を制御することができる。すなわち、Ａｇ粉の比表面積が小さいとペースト状の接合材の焼結性が高くなり、加圧および加熱工程において液相が発生し易くなり、活性金属の拡散が促進され、前述の最大到達距離が長くなる。一方、Ａｇ粉の比表面積が大きいとペースト状の接合材の焼結性が低くなり、加圧および加熱工程において液相が発生し難くなり、活性金属の拡散が抑制され、前述の最大到達距離が短くなる。
また、含まれる活性金属の種類や量の異なる接合材を用いて、銅板の周縁部と中央部とで塗り分けてもよい。
また、含まれる活性金属の種類や量の異なる接合材を用いて、銅板の周縁部と中央部とで塗り分けてもよい。
さらに、本実施形態においては、回路層を、無酸素銅の圧延板をセラミックス基板に接合することにより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、銅板を打ち抜いた銅片を回路パターン状に配置された状態でセラミックス基板に接合されることによって回路層を形成してもよい。この場合、それぞれの銅片において、上述のようなセラミックス基板との界面構造を有していればよい。
また、本実施形態では、銅板の接合面に接合材を配設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、セラミックス基板と銅板の間に接合材が配設されていればよく、セラミックス基板の接合面に接合材を配設してもよい。
また、本実施形態では、銅板の接合面に接合材を配設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、セラミックス基板と銅板の間に接合材が配設されていればよく、セラミックス基板の接合面に接合材を配設してもよい。
以下に、本発明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。
まず、表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。なお、厚さは、ＡｌＮおよびＡｌ２Ｏ３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４は０．３２ｍｍとした。
また、回路層および金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、表１に示す厚さの３７ｍｍ×３７ｍｍの銅板を準備した。
また、回路層および金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、表１に示す厚さの３７ｍｍ×３７ｍｍの銅板を準備した。
回路層および金属層となる銅板の周縁部に、表１に示すＢＥＴ値のＡｇ粉を含む接合材を、乾燥後の目標厚さが表１に示す値となるよう塗布した。
また、回路層および金属層となる銅板の中央部に、表１に示すＢＥＴ値のＡｇ粉を含む接合材を、乾燥後の目標厚さが表１に示す値となるよう塗布した。
なお、接合材はペースト材を用い、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の量は表１の通りとした。
また、Ａｇ粉のＢＥＴ値（比表面積）はＱＵＡＮＴＡＣＨＲＲＯＭＥ社製ＡＵＴＯＳＯＲＢ－１を用い、前処理として１５０℃で３０分加熱の真空脱気を行い、Ｎ２吸着、液体窒素７７Ｋ、ＢＥＴ多点法で測定した。
また、回路層および金属層となる銅板の中央部に、表１に示すＢＥＴ値のＡｇ粉を含む接合材を、乾燥後の目標厚さが表１に示す値となるよう塗布した。
なお、接合材はペースト材を用い、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の量は表１の通りとした。
また、Ａｇ粉のＢＥＴ値（比表面積）はＱＵＡＮＴＡＣＨＲＲＯＭＥ社製ＡＵＴＯＳＯＲＢ－１を用い、前処理として１５０℃で３０分加熱の真空脱気を行い、Ｎ２吸着、液体窒素７７Ｋ、ＢＥＴ多点法で測定した。
セラミックス基板の一方の面に、回路層となる銅板を積層した。また、セラミックス基板の他方の面に、金属層となる銅板を積層した。
この積層体を、積層方向に加圧した状態で加熱し、Ａｇ－Ｃｕ液相を発生させた。このとき、加圧荷重を０．２９４ＭＰａとし，温度積分値は表２の通りとした。
そして、加熱した積層体を冷却することにより、回路層となる銅板とセラミックス基板と金属層となる金属板を接合し、絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。
そして、加熱した積層体を冷却することにより、回路層となる銅板とセラミックス基板と金属層となる金属板を接合し、絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、活性金属拡散領域、活性金属化合物層、Ａｇ－Ｃｕ合金層、冷熱サイクル信頼性を、以下のようにして評価した。
（活性金属拡散領域の最大到達距離）
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、ＥＰＭＡ装置によって観察し、回路層および金属層中の活性金属に関して元素マップ（幅２００μｍ×高さ２００μｍ）を、それぞれ５視野ずつ取得した。
そして、活性金属の濃度が０．５質量％以上である活性金属拡散領域の活性金属化合物層からの最大到達距離を測定した。なお、活性金属の濃度は、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属の各濃度の合算を１００質量％とした値である。各５視野、計１０視野での最大到達距離のうち、最も大きい最大到達距離を表２に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、ＥＰＭＡ装置によって観察し、回路層および金属層中の活性金属に関して元素マップ（幅２００μｍ×高さ２００μｍ）を、それぞれ５視野ずつ取得した。
そして、活性金属の濃度が０．５質量％以上である活性金属拡散領域の活性金属化合物層からの最大到達距離を測定した。なお、活性金属の濃度は、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属の各濃度の合算を１００質量％とした値である。各５視野、計１０視野での最大到達距離のうち、最も大きい最大到達距離を表２に記載した。
（活性金属化合物層）
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５、加速電圧１．８ｋＶ）を用いて倍率３００００倍で測定し、エネルギー分散型Ｘ線分析法により、Ｎ、Ｏ及び活性金属元素の元素マッピングをそれぞれ５視野取得した。活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する場合に活性金属化合物層が有ると判断した。
それぞれ５視野、計１０視野で観察を行い、活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する範囲の面積を測定した幅で割ったものの平均値を「活性金属化合物層の厚さ」として表２に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡（カールツァイスＮＴＳ社製ＵＬＴＲＡ５５、加速電圧１．８ｋＶ）を用いて倍率３００００倍で測定し、エネルギー分散型Ｘ線分析法により、Ｎ、Ｏ及び活性金属元素の元素マッピングをそれぞれ５視野取得した。活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する場合に活性金属化合物層が有ると判断した。
それぞれ５視野、計１０視野で観察を行い、活性金属元素とＮまたはＯが同一領域に存在する範囲の面積を測定した幅で割ったものの平均値を「活性金属化合物層の厚さ」として表２に記載した。
（Ａｇ－Ｃｕ合金層）
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ５視野で各元素マッピングを取得した。
そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００質量％としたとき、Ａｇ濃度が１５質量％以上である領域をＡｇ－Ｃｕ合金層とし、その面積を求めて、測定領域の幅で割った値（面積／測定領域の幅）を求めた。その値の平均をＡｇ－Ｃｕ合金層の厚さとして表２に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、ＥＰＭＡ装置を用いて、Ａｇ，Ｃｕ，活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ５視野で各元素マッピングを取得した。
そして、Ａｇ＋Ｃｕ＋活性金属＝１００質量％としたとき、Ａｇ濃度が１５質量％以上である領域をＡｇ－Ｃｕ合金層とし、その面積を求めて、測定領域の幅で割った値（面積／測定領域の幅）を求めた。その値の平均をＡｇ－Ｃｕ合金層の厚さとして表２に記載した。
（冷熱サイクル信頼性）
上述の絶縁回路基板を、セラミックス基板の材質に応じて、下記の冷熱サイクルを負荷し、ＳＡＴ検査によりセラミックス割れの有無を判定した。評価結果を表２に示す。
ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３の場合：－４０℃×５ｍｉｎ←→１５０℃×５ｍｉｎを５００サイクルまで５０サイクル毎にＳＡＴ検査。
Ｓｉ３Ｎ４の場合：－４０℃×５ｍｉｎ←→１５０℃×５ｍｉｎを２０００サイクルまで２００サイクル毎にＳＡＴ検査。
上述の絶縁回路基板を、セラミックス基板の材質に応じて、下記の冷熱サイクルを負荷し、ＳＡＴ検査によりセラミックス割れの有無を判定した。評価結果を表２に示す。
ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３の場合：－４０℃×５ｍｉｎ←→１５０℃×５ｍｉｎを５００サイクルまで５０サイクル毎にＳＡＴ検査。
Ｓｉ３Ｎ４の場合：－４０℃×５ｍｉｎ←→１５０℃×５ｍｉｎを２０００サイクルまで２００サイクル毎にＳＡＴ検査。
まず、セラミックス基板としてＡｌＮを用いた本発明例１－３と比較例１，２とを比較する。
比較例１においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡと、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１５μｍとされるとともに、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡが１２μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が２００回となった。
比較例２においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡが１６μｍ、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢが１９μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１５０回となった。
比較例１においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡと、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１５μｍとされるとともに、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡが１２μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が２００回となった。
比較例２においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡが１６μｍ、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢが１９μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１５０回となった。
これに対して、本発明例１－３においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の活性金属化合物層からの最大到達距離ＬＡおよび銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の活性金属化合物層からの最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記最大到達距離ＬＡと前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が３００～５００回となり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。
次に、セラミックス基板としてＳｉ３Ｎ４を用いた本発明例４－６と比較例３，４とを比較する。
比較例３においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡが１０８μｍ、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢが１０２μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１２００回となった。
比較例４においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡと、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１４μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１４００回となった。
比較例３においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡが１０８μｍ、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢが１０２μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１２００回となった。
比較例４においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡと、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１４μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１４００回となった。
これに対して、本発明例４－６においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の活性金属化合物層からの最大到達距離ＬＡおよび銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の活性金属化合物層からの最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記最大到達距離ＬＡと前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が１６００～２０００回超えとなり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。
次に、セラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３を用いた本発明例７，８と比較例５とを比較する。
比較例５においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡが１６μｍ、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＢが１８μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が５０回となった。
比較例５においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＡが１６μｍ、銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の最大到達距離ＬＢが１８μｍとされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が５０回となった。
これに対して、本発明例７，８においては、銅板の周縁部領域における活性金属拡散領域の活性金属化合物層からの最大到達距離ＬＡおよび銅板の中央部領域における活性金属拡散領域の活性金属化合物層からの最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、前記最大到達距離ＬＡと前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が３５０～４５０回となり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を提供可能であることが確認された。
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）
２１（２１Ａ，２１Ｂ） 活性金属化合物層
２２（２２Ａ，２２Ｂ） Ａｇ－Ｃｕ合金層
２３（２３Ａ，２３Ｂ） 活性金属拡散領域
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）
２１（２１Ａ，２１Ｂ） 活性金属化合物層
２２（２２Ａ，２２Ｂ） Ａｇ－Ｃｕ合金層
２３（２３Ａ，２３Ｂ） 活性金属拡散領域
Claims (6)
- 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であって、
前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記セラミックス部材側には活性金属化合物層が形成されており、
前記銅部材のうち前記セラミックス部材側には、活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）が前記セラミックス部材側から前記銅部材側へと拡散することにより、前記銅部材中の前記活性金属の濃度が０．５質量％以上である活性金属拡散領域が形成されており、
前記銅部材の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＡおよび前記銅部材の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、
前記銅部材の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＡと、前記銅部材の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下であることを特徴とする銅／セラミックス接合体。 - 前記銅部材の周縁部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅部材の中央部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４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。
- 前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、
前記銅部材の周縁部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅部材の中央部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。 - 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であって、
前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記セラミックス基板側には活性金属化合物層が形成されており、
前記銅板のうち前記セラミックス基板側には、活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）が前記セラミックス基板側から前記銅板側へと拡散することにより、前記銅板中の前記活性金属の濃度が０．５質量％以上である活性金属拡散領域が形成されており、
前記銅板の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＡおよび前記銅板の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記活性金属化合物層からの前記最大到達距離ＬＢが２０μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされるとともに、
前記銅板の周縁部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＡと、前記銅板の中央部領域における前記活性金属拡散領域の前記最大到達距離ＬＢとの差が１０μｍ以下であることを特徴とする絶縁回路基板。 - 前記銅板の周縁部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ａおよび前記銅板の中央部領域に形成された前記活性金属化合物層の厚さｔ１Ｂが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ１Ａ／ｔ１Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項４に記載の絶縁回路基板。
- 前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板側にはＡｇ－Ｃｕ合金層が形成されており、
前記銅板の周縁部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ａおよび前記銅板の中央部領域に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ合金層の厚さｔ２Ｂが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされ、厚さ比ｔ２Ａ／ｔ２Ｂが０．７以上１．４以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の絶縁回路基板。
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