JP2023044869A - Copper/ceramic joint body and insulated circuit board - Google Patents

Abstract

To provide a copper/ceramic joint body that can prevent a ceramic member from cracking even when subjected to a severe thermal cycle, offering superior thermal cycle reliability.SOLUTION: A copper/ceramic joint body 10 is obtained by joining a copper member 12 composed of copper or a copper alloy and a ceramic member 11. At a joint interface between the ceramic member 11 and the copper member 12, a Mg solid-solution layer 31 is formed in which Mg is dissolved in a matrix phase of Cu. In a region E1 from 20 μm to 50 μm from a joint face of the ceramic member 11 to the copper member 12 side, the maximum value of indentation hardness is 90 mgf/μm2 or more and 150 mgf/μm2 or less.SELECTED DRAWING: Figure 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。 The present invention provides a copper/ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member are joined together, and an insulating circuit in which a copper plate made of copper or a copper alloy is joined to the surface of a ceramic substrate. It relates to substrates.

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。 A power module, an LED module, and a thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are joined to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one side of an insulating layer. .
For example, power semiconductor elements for high power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc. generate a large amount of heat during operation. A circuit layer formed by bonding a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate, and a metal layer for heat dissipation formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate. Insulated circuit boards have been widely used in the past.

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。 For example, Patent Literature 1 proposes an insulated circuit board in which a circuit layer and a metal layer are formed by joining copper plates to one surface and the other surface of a ceramic substrate. In this patent document 1, a copper plate is arranged on one surface and the other surface of a ceramic substrate with an Ag—Cu—Ti brazing material interposed therebetween, and the copper plate is joined by heat treatment (so-called active metal brazing method). In this active metal brazing method, since a brazing filler metal containing Ti, which is an active metal, is used, the wettability between the molten brazing filler metal and the ceramic substrate is improved, and the ceramic substrate and the copper plate are joined well. It will be.

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接合する構成とされており、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。 Further, Patent Document 2 proposes an insulated circuit board in which a ceramic substrate and a copper plate are joined using a Cu--Mg--Ti based brazing material.
In this patent document 2, it is configured to be joined by heating at 560 to 800 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and Mg in the Cu-Mg-Ti alloy sublimates and does not remain at the joint interface. and substantially no titanium nitride (TiN) is formed.

さらに、特許文献３においては、Ｍｇを用いて銅板とセラミックス基板とを接合した絶縁回路基板が開示されている。
この特許文献３においては、端子等を超音波接合した場合であっても、銅板とセラミックス基板との接合界面にクラックの発生を抑制することが可能となる。 Furthermore, Patent Document 3 discloses an insulated circuit board in which a copper plate and a ceramic substrate are joined using Mg.
In Patent Document 3, even when terminals and the like are ultrasonically bonded, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the bonded interface between the copper plate and the ceramic substrate.

特許第３２１１８５６号公報Japanese Patent No. 3211856 特許第４３７５７３０号公報Japanese Patent No. 4375730 特開２０２１－０３５９０１号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-035901

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、特許文献１，２に開示されているように、活性金属である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。 By the way, recently, the heat generation temperature of the semiconductor elements mounted on the insulated circuit board tends to be higher, and the insulated circuit board is required to have higher cooling/heating cycle reliability to withstand severe cooling/heating cycles. It is
Here, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, when a copper plate and a ceramic substrate are bonded using a bonding material containing Ti, which is an active metal, Ti, which is an active metal, diffuses into the copper plate side. However, the precipitation of intermetallic compounds containing Cu and Ti makes the vicinity of the joint interface hard, and cracks may occur in the ceramic member during a thermal cycle load, resulting in a decrease in thermal cycle reliability.

また、特許文献３に開示されているように、Ｍｇを用いて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の接合界面には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成される。よって、銅板の接合面近傍は、Ｍｇの固溶硬化によって硬くなる。
さらに、接合界面に存在する酸素とＭｇが反応することで、Ｍｇ固溶層にＭｇ酸化物が析出し、この析出硬化によって、さらに接合界面が硬くなるおそれがある。
このように、活性金属であるＴｉを用いずに、Ｍｇを用いてセラミックス基板と銅板とを接合した場合でも、接合界面が硬くなり、冷熱サイクル信頼性を十分に向上させることができないおそれがあった。 Further, as disclosed in Patent Document 3, when a ceramic substrate and a copper plate are joined using Mg, Mg is solid-dissolved in the parent phase of Cu at the joint interface between the ceramic substrate and the copper plate. A Mg solid solution layer is formed. Therefore, the vicinity of the bonding surface of the copper plate becomes hard due to solid-solution hardening of Mg.
Furthermore, oxygen present at the bonding interface reacts with Mg to precipitate Mg oxide in the Mg solid-solution layer, and this precipitation hardening may further harden the bonding interface.
As described above, even when the ceramic substrate and the copper plate are joined using Mg without using Ti, which is an active metal, the joint interface becomes hard, and there is a possibility that the thermal cycle reliability cannot be sufficiently improved. rice field.

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。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances. It is an object of the present invention to provide an insulated circuit board made of this copper/ceramic bonded body.

前述の課題を解決するために、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、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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the copper/ceramic joined body of the present invention is a copper/ceramic joined body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member are joined together, the ceramic member and At the joint interface with the copper member, an Mg solid-solution layer in which Mg is solid-dissolved in the Cu matrix is formed. It is characterized in that the maximum value of indentation hardness is in the range of 90 mgf/μm ² or more and 150 mgf/μm ² or less.

なお、本発明におけるインデンテーション硬度Ｈとは、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が１１４．８°以上１１５．１°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を５０００ｍｇｆとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、以下の式より算出される。
ｈｃ＝ｈｔ－０．７５×Ｐ／Ｓ
（ｈｔ：押し込み深さ、Ｐ：荷重、Ｓ：接触剛性（＝dP/ dh|Pmax）、ｈｃ：接触深さ）
接触面積Ａ＝２４．５６×ｈｃ^２
インデンテーション硬さＨ＝Ｐ／Ａ The indentation hardness H in the present invention is the load when a test load of 5000 mgf is applied using a triangular pyramidal diamond indenter called a Berkovich indenter with an inter-ridge angle of 114.8° or more and 115.1° or less. - Measure the correlation of displacement and calculate from the following formula.
hc = ht - 0.75 x P/S
(ht: indentation depth, P: load, S: contact stiffness (=dP/dh|Pmax), hc: contact depth)
Contact area A = 24.56 x ^hc2
Indentation hardness H = P/A

本発明の銅／セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上とされているので、接合界面近傍の銅が十分に溶融して液相が生じており、セラミックス部材と銅部材とが強固に接合されている。
一方、前述の領域におけるインデンテーション硬さの最大値が１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下に抑えられているので、接合界面近傍が必要以上に硬くなく、冷熱サイクル負荷時におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた銅／セラミックス接合体を得ることができる。 According to the copper/ceramic joined body of the present invention, an Mg solid-solution layer in which Mg is solid-dissolved in a Cu parent phase is formed at the joint interface between the ceramic member and the copper member, and the ceramic member The maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the joint surface to the copper member side is 90 mgf / μm ² or more, so the copper in the vicinity of the joint interface is sufficiently melted to generate a liquid phase. The ceramic member and the copper member are firmly joined together.
On the other hand, since the maximum value of the indentation hardness in the above-mentioned region is suppressed to 150 mgf/μm ² or less, the vicinity of the joint interface is not unnecessarily hard, and the occurrence of cracks under thermal cycle load can be suppressed. .
Therefore, it is possible to obtain a copper/ceramic bonded body having high bonding strength and particularly excellent thermal cycle reliability.

ここで、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の接合面から前記銅部材側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの平均値が８０ｍｇｆ／μｍ^２以上１４０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの平均値が８０ｍｇｆ／μｍ^２以上１４０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされているので、Ｍｇ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。
よって、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた銅／セラミックス接合体を得ることができる。 Here, in the copper/ceramic joined body of the present invention, the average value of indentation hardness in a region from 20 μm to 50 μm from the joint surface of the ceramic member to the copper member side is 80 mgf/μm ² or more and 140 mgf/μm ² It is preferable to be within the following range.
In this case, the average value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic member to the copper member side is in the range of 80 mgf/μm ² or more and 140 mgf/μm ² or less. Thus, the ceramic member and the copper member are reliably and firmly joined, and hardening of the joining interface is further suppressed.
Therefore, it is possible to obtain a copper/ceramic bonded body having high bonding strength and particularly excellent thermal cycle reliability.

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に接合された前記銅部材の前記セラミックス部材とは反対側の表面から前記セラミックス部材側へ１０μｍ以上３０μｍ以下の領域におけるインデンテーション硬さの平均値が、７０ｍｇｆ／μｍ^２以上８５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅部材の前記セラミックス部材とは反対側の表面から１０μｍ以上３０μｍ以下の領域におけるインデンテーション硬さの平均値が７０ｍｇｆ／μｍ^２以上８５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされているので、銅部材全体が硬くなっておらず、この銅部材の表面に他の部材を接合した際に、これらの他の部材との接合信頼性を向上させることができる。 Further, in the copper/ceramic joined body of the present invention, the indentation hardness in a region of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the copper member joined to the ceramic member opposite to the ceramic member to the ceramic member side is preferably in the range of 70 mgf/μm ² or more and 85 mgf/μm ² or less.
In this case, since the average value of the indentation hardness in the region of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the copper member opposite to the ceramic member is in the range of 70 mgf/μm ² or more and 85 mgf/μm ² or less. , the entire copper member is not hardened, and when other members are joined to the surface of this copper member, the reliability of joining with these other members can be improved.

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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることを特徴としている。 The insulating circuit board of the present invention is an insulating circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate, and the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate includes a parent phase of Cu. A Mg solid-solution layer in which Mg is solid-dissolved is formed therein, and the maximum value of indentation hardness in a region from 20 μm to 50 μm from the joint surface of the ceramic substrate to the copper plate side is 90 mgf/μm ² or more and 150 mgf/ It is characterized by being in the range of μm ² or less.

本発明の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上とされているので、接合界面近傍の銅が十分に溶融して液相が生じており、セラミックス基板と銅板とが強固に接合されている。
一方、前述の領域におけるインデンテーション硬さの最大値が１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下に抑えられているので、接合界面近傍が必要以上に硬くなく、冷熱サイクル負荷時におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた絶縁回路基板を得ることができる。 According to the insulated circuit board of the present invention, a Mg solid-solution layer in which Mg is solid-dissolved in a Cu parent phase is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate, and the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm is 90 mgf/μm ² or more, so the copper in the vicinity of the bonding interface is sufficiently melted to generate a liquid phase, and the ceramics The substrate and the copper plate are firmly bonded.
On the other hand, since the maximum value of the indentation hardness in the above-mentioned region is suppressed to 150 mgf/μm ² or less, the vicinity of the joint interface is not unnecessarily hard, and the occurrence of cracks under thermal cycle load can be suppressed. .
Therefore, it is possible to obtain an insulated circuit board having high bonding strength and particularly excellent thermal cycle reliability.

ここで、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の接合面から前記銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの平均値が８０ｍｇｆ／μｍ^２以上１４０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの平均値が８０ｍｇｆ／μｍ^２以上１４０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされているので、Ｍｇ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。
よって、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた絶縁回路基板を得ることができる。 Here, in the insulating circuit board of the present invention, the average value of indentation hardness in a region from 20 μm to 50 μm from the joint surface of the ceramic substrate to the copper plate side is in the range of 80 mgf/μm ² or more and 140 mgf/μm ² or less. preferably within.
In this case, the average value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is in the range of 80 mgf/μm ² or more and 140 mgf/μm ² or less. The ceramic substrate and the copper plate are reliably and strongly bonded, and hardening of the bonding interface is further suppressed.
Therefore, it is possible to obtain an insulated circuit board having high bonding strength and particularly excellent thermal cycle reliability.

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に接合された前記銅板の前記セラミックス基板とは反対側の表面から前記セラミックス基板側へ１０μｍ以上３０μｍ以下の領域におけるインデンテーション硬さの平均値が、７０ｍｇｆ／μｍ^２以上８５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記銅板の前記セラミックス基板とは反対側の表面から１０μｍ以上３０μｍ以下の領域におけるインデンテーション硬さの平均値が７０ｍｇｆ／μｍ^２以上８５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされているので、銅板全体が硬くなっておらず、この銅板の表面に他の部材を接合した際に、これらの他の部材との接合信頼性を向上させることができる。 Further, in the insulating circuit board of the present invention, the average value of indentation hardness in a region of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the copper plate bonded to the ceramic substrate opposite to the ceramic substrate to the ceramic substrate side. is preferably in the range of 70 mgf/μm ² or more and 85 mgf/μm ² or less.
In this case, since the average value of the indentation hardness in the region of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the copper plate opposite to the ceramic substrate is in the range of 70 mgf/μm ² or more and 85 mgf/μm ² or less, The entire copper plate is not hardened, and when other members are joined to the surface of this copper plate, the reliability of joining with these other members can be improved.

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。 According to the present invention, even when a severe thermal cycle is applied, the occurrence of cracks in the ceramic member can be suppressed, and the copper / ceramics joined body has excellent thermal cycle reliability, and the copper / ceramics joined body It is possible to provide an insulated circuit board that is

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。1 is a schematic explanatory diagram of a power module using an insulated circuit board according to an embodiment of the present invention; FIG. 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層および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。FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between a circuit layer and a metal layer of an insulated circuit board and a ceramic substrate according to an embodiment of the present invention; 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。1 is a flowchart of a method for manufacturing an insulated circuit board according to an embodiment of the present invention; FIG. 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。It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on embodiment of this invention.

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２２（回路層１２）および銅板２３（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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
The copper/ceramic joined body according to the present embodiment includes a ceramic substrate 11 as a ceramic member made of ceramics, and a copper plate 22 (circuit layer 12) and a copper plate 23 (metal layer 13) as copper members made of copper or a copper alloy. is an insulating circuit board 10 formed by bonding the . FIG. 1 shows a power module 1 having an insulated circuit board 10 according to this embodiment.

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。 This power module 1 includes an insulating circuit board 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are arranged, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a bonding layer 2. and a heat sink 5 arranged on the other side (lower side in FIG. 1) of the metal layer 13 .

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。 The semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si. The semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded via the bonding layer 2 .
The bonding layer 2 is made of, for example, a Sn--Ag-based, Sn--In-based, or Sn--Ag--Cu-based solder material.

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。 The heat sink 5 is for dissipating heat from the insulating circuit board 10 described above. The heat sink 5 is made of copper or a copper alloy, and is made of phosphorus-deoxidized copper in this embodiment. The heat sink 5 is provided with a channel through which cooling fluid flows.
In addition, in this embodiment, the heat sink 5 and the metal layer 13 are joined by a solder layer 7 made of a solder material. The solder layer 7 is made of, for example, a Sn--Ag-based, Sn--In-based, or Sn--Ag--Cu-based solder material.

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。 As shown in FIG. 1, the insulating circuit board 10 of the present embodiment includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 provided on one surface (upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and a ceramic substrate. and a metal layer 13 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 1) of the substrate 11 .

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（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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。 The ceramics substrate 11 is made of ceramics such as silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), aluminum nitride (AlN), alumina (Al ₂ O ₃ ), etc., which are excellent in insulation and heat dissipation. In this embodiment, the ceramic substrate 11 is made of aluminum nitride (AlN), which has excellent heat dissipation properties. The thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of, for example, 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and is set to 0.635 mm in this embodiment.

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。 As shown in FIG. 4, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface (upper surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11. As shown in FIG.
In this embodiment, the circuit layer 12 is formed by bonding a rolled plate of oxygen-free copper to the ceramic substrate 11 .
The thickness of the copper plate 22 that forms the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.

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。 As shown in FIG. 4, the metal layer 13 is formed by bonding a copper plate 23 made of copper or a copper alloy to the other surface (lower surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11. As shown in FIG.
In this embodiment, the metal layer 13 is formed by bonding a rolled plate of oxygen-free copper to the ceramic substrate 11 .
The thickness of the copper plate 23 that forms the metal layer 13 is set within a range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.

ここで、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、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３１が形成されている。
Ｍｇ固溶層３１は、回路層１２（金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面を、ＥＰＭＡ装置（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率２００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（縦４００μｍ×横６００μｍ）を観察して定量分析を行い、Ｃｕ濃度＋Ｍｇ濃度＝１００原子％として、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上６．９原子％以下である領域である。 Here, at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13), as shown in FIG. .
The Mg solid-solution layer 31 is formed by exposing the bonding interface between the circuit layer 12 (metal layer 13) and the ceramic substrate 11 using an EPMA apparatus (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.) at a magnification of 200 and an acceleration voltage of 15 kV. Quantitative analysis is performed by observing a region (400 μm long × 600 μm wide) including the bonding interface, and the Mg concentration is 0.01 atomic % or more and 6.9 atomic % or less, where Cu concentration + Mg concentration = 100 atomic %. is.

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、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ２０μｍから５０μｍまでの領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされている。
また、本実施形態においては、上述の領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの平均値が８０ｍｇｆ／μｍ^２以上１４０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。 Then, in the insulating circuit board 10 of the present embodiment, as shown in FIG. is within the range of 90 mgf/μm ² or more and 150 mgf/μm ² or less.
Further, in the present embodiment, the average value of the indentation hardness in the region E1 is preferably within the range of 80 mgf/μm ² or more and 140 mgf/μm ² or less.

また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面に形成された回路層１２およびセラミックス基板１１の他方の面に形成された金属層１３のセラミックス基板１１とは反対側の表面からセラミックス基板１１側へ１０μｍ以上３０μｍ以下の領域Ｅ２におけるインデンテーション硬さの平均値が７０ｍｇｆ／μｍ^２以上８５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。 In this embodiment, the circuit layer 12 formed on one surface of the ceramics substrate 11 and the metal layer 13 formed on the other surface of the ceramics substrate 11 are separated from the surface of the ceramics substrate 11 opposite to the surface of the ceramics substrate 11 . It is preferable that the average value of the indentation hardness in the region E2 of 10 μm or more and 30 μm or less toward the 11 side is in the range of 70 mgf/μm ² or more and 85 mgf/μm ² or less.

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。 A method for manufacturing the insulating circuit board 10 according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS. 3 and 4. FIG.

（Ｍｇ配置工程Ｓ０１）
まず、セラミックス基板１１を準備し、図４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、および、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／ｃｍ^２以上４．３５ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とする。
なお、配置するＭｇ量は、０．５２ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることが好ましく、０．６９ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることがさらに好ましい。一方、配置するＭｇ量は、３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることが好ましく、２．６１ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることがさらに好ましい。 (Mg placement step S01)
First, a ceramic substrate 11 is prepared, and as shown in FIG. Place Mg.
In this embodiment, Mg foils 25 are arranged between the copper plate 22 forming the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 and between the copper plate 23 forming the metal layer 13 and the ceramic substrate 11 .
Here, in the Mg placement step S01, the amount of Mg to be placed is set within the range of 0.34 mg/cm ² or more and 4.35 mg/cm ² or less.
The amount of Mg to be arranged is preferably 0.52 mg/cm ² or more, more preferably 0.69 mg/cm ² or more. On the other hand, the amount of Mg disposed is preferably 3.48 mg/cm ² or less, more preferably 2.61 mg/cm ² or less.

（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。 (Lamination step S02)
Next, the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 are laminated with the Mg foil 25 interposed therebetween, and the ceramic substrate 11 and the copper plate 23 are laminated with the Mg foil 25 interposed therebetween.

（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。 (Joining step S03)
Next, the laminated copper plate 22, Mg foil 25, ceramic substrate 11, Mg foil 25, and copper plate 23 are pressed in the direction of lamination, and placed in a vacuum furnace for heating. The copper plate 23 is joined.

ここで、接合工程Ｓ０３における保持温度は、７００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。そして、６７０℃から保持温度までの昇温過程および加熱温度での保持過程における温度積分値Ｓは、３０℃・ｈ以上５００℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、接合工程Ｓ０３における加圧荷重Ｐは、０．０９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。 Here, the holding temperature in the bonding step S03 is preferably within the range of 700° C. or higher and 850° C. or lower. The temperature integral value S in the heating process from 670° C. to the holding temperature and the holding process at the heating temperature is preferably in the range of 30° C.·h or more and 500° C./h or less.
Moreover, the pressure load P in the joining step S03 is preferably in the range of 0.09 MPa or more and 1.96 MPa or less.

さらに、加圧荷重Ｐと温度積分値Ｓの積Ｐ×Ｓは、３０℃・ｈ・ＭＰａ以上６５０℃・ｈ・ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
加圧荷重Ｐと温度積分値Ｓの積Ｐ×Ｓを上述の範囲とすることにより、接合時に生成する液相の排出状態が調整され、Ｍｇの銅板２２，２３への拡散状態を制御することが可能となる。 Further, the product P×S of the pressure load P and the temperature integral value S is preferably within the range of 30° C.·h·MPa or more and 650° C.·h·MPa or less.
By setting the product P×S of the pressure load P and the temperature integral value S within the above range, the discharge state of the liquid phase generated during bonding is adjusted, and the diffusion state of Mg to the copper plates 22 and 23 is controlled. becomes possible.

さらに、接合工程Ｓ０３における炉内の真空度は、１×１０^－６Ｐａ以上５×１０^－２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、冷却時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、保持温度から６７０℃までの冷却速度の平均値である。 Furthermore, it is preferable that the degree of vacuum in the furnace in the bonding step S03 is in the range of 1×10 ⁻⁶ Pa or more and 5×10 ⁻² Pa or less.
Also, the cooling rate during cooling is preferably in the range of 2° C./min or more and 20° C./min or less. The cooling rate here is the average value of the cooling rate from the holding temperature to 670°C.

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。 As described above, the insulating circuit board 10 of the present embodiment is manufactured through the Mg placement step S01, the lamination step S02, and the bonding step S03.

（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。 (Heat-sink bonding step S04)
Next, the heat sink 5 is bonded to the other side of the metal layer 13 of the insulated circuit board 10 .
The insulating circuit board 10 and the heat sink 5 are laminated with a solder material interposed therebetween and placed in a heating furnace.

（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。
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。 (Semiconductor element bonding step S05)
Next, the semiconductor element 3 is soldered to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 .
The power module 1 shown in FIG. 1 is produced by the above-described steps.

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、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面には、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３１が形成されており、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ２０μｍから５０μｍまでの領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上とされているので、接合界面近傍の銅が十分に溶融して液相が生じており、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）とが強固に接合されている。
一方、前述の領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの最大値が１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下に抑えられているので、接合界面近傍が必要以上に硬くなく、冷熱サイクル負荷時におけるクラックの発生を抑制することができる。
よって、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた絶縁回路基板１０を得ることができる。 According to the insulated circuit board 10 (copper/ceramic bonded body) of the present embodiment configured as described above, the bonded interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13) has a parent phase of Cu. A Mg solid-solution layer 31 in which Mg is solid-dissolved is formed therein, and the maximum value of indentation hardness in a region E1 from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (metal layer 13) side. is 90 mgf/μm ² or more, the copper in the vicinity of the bonding interface is sufficiently melted to generate a liquid phase, and the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13) are firmly bonded. .
On the other hand, since the maximum value of the indentation hardness in the aforementioned region E1 is suppressed to 150 mgf/μm ² or less, the vicinity of the joint interface is not unnecessarily hard, and the occurrence of cracks during thermal cycle load can be suppressed. can.
Therefore, it is possible to obtain the insulated circuit board 10 having high bonding strength and particularly excellent thermal cycle reliability.

なお、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させるためには、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ２０μｍから５０μｍまでの領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの最大値を１４５ｍｇｆ／μｍ^２以下とすることが好ましく、１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下とすることがより好ましい。
一方、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）とをさらに確実に接合するためには、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ２０μｍから５０μｍまでの領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの最大値を１００ｍｇｆ／μｍ^２以上とすることが好ましく、１１０ｍｇｆ／μｍ^２以上とすることがより好ましい。 In order to further improve the thermal cycle reliability, the maximum value of the indentation hardness in the region E1 from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (metal layer 13) side is set to 145 mgf/μm. It is preferably ² or less, more preferably 135 mgf/μm ² or less.
On the other hand, in order to more reliably bond the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13), the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (metal layer 13) is 20 μm to 50 μm in the region E1. The maximum value of indentation hardness is preferably 100 mgf/μm ² or more, more preferably 110 mgf/μm ^{2 or} more.

また、本実施形態の絶縁回路基板１０において、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ２０μｍから５０μｍまでの領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの平均値が８０ｍｇｆ／μｍ^２以上１４０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされている場合には、Ｍｇによってセラミックス基板１１と回路層１２（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。
よって、接合強度が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性に特に優れた絶縁回路基板１０を得ることができる。 In addition, in the insulating circuit board 10 of the present embodiment, the average value of the indentation hardness in the region E1 from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (metal layer 13) side is 80 mgf/μm ² or more. When it is within the range of 140 mgf/μm ² or less, the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13) are reliably and strongly bonded by Mg, and the bonded interface is further hardened. Suppressed.
Therefore, it is possible to obtain the insulated circuit board 10 having high bonding strength and particularly excellent thermal cycle reliability.

なお、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（金属層１３）側へ２０μｍから５０μｍまでの領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの平均値の下限は、８５ｍｇｆ／μｍ^２以上であることがより好ましく、９０ｍｇｆ／μｍ^２以上であることがさらに好ましい。また、上述の領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さの平均値の上限は、１３５ｍｇｆ／μｍ^２以下であることがより好ましく、１２５ｍｇｆ／μｍ^２以下であることがさらに好ましい。 In addition, the lower limit of the average value of the indentation hardness in the region E1 from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (metal layer 13) side is more preferably 85 mgf/μm ² or more. More preferably, it is 90 mgf/μm ² or more. Further, the upper limit of the average indentation hardness in the region E1 is more preferably 135 mgf/μm ² or less, and further preferably 125 mgf/μm ² or less.

さらに、本実施形態の絶縁回路基板１０において、回路層１２（金属層１３）のセラミックス基板１１とは反対側の表面からセラミックス基板１１側へ１０μｍ以上３０μｍ以下の領域Ｅ２におけるインデンテーション硬さの平均値が７０ｍｇｆ／μｍ^２以上８５ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされている場合には、回路層１２（金属層１３）全体が硬くなっておらず、この回路層１２（金属層１３）の表面に他の部材を接合した際に、これらの他の部材との接合信頼性を向上させることができる。 Furthermore, in the insulating circuit board 10 of the present embodiment, the average indentation hardness in the region E2 of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the circuit layer 12 (metal layer 13) opposite to the ceramic substrate 11 toward the ceramic substrate 11 When the value is in the range of 70 mgf/μm ² or more and 85 mgf/μm ² or less, the entire circuit layer 12 (metal layer 13) is not hardened, and the surface of this circuit layer 12 (metal layer 13) It is possible to improve the reliability of bonding with these other members when other members are joined to the .

なお、回路層１２（金属層１３）のセラミックス基板１１とは反対側の表面からセラミックス基板１１側へ１０μｍ以上３０μｍ以下の領域Ｅ２におけるインデンテーション硬さの平均値の上限は、８３ｍｇｆ／μｍ^２以下であることがより好ましく、８０ｍｇｆ／μｍ^２以下であることがさらに好ましい。 In addition, the upper limit of the average value of the indentation hardness in the region E2 of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the circuit layer 12 (metal layer 13) opposite to the ceramic substrate 11 toward the ceramic substrate 11 is 83 mgf/μm ² or less. is more preferably 80 mgf/μm ² or less.

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。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be modified as appropriate without departing from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, a power module is configured by mounting a semiconductor element on an insulated circuit board, but the present invention is not limited to this. For example, an LED module may be configured by mounting an LED element on the circuit layer of the insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on the circuit layer of the insulating circuit board.

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（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。 _In addition, in the insulating circuit board of the present embodiment, the ceramic substrate is made of aluminum nitride ( _AlN ). , other ceramic substrates such as silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) may be used.

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。
また、本実施形態では、セラミックス基板と銅板との間にＭｇ箔を配置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Ｍｇを配設してもよいし、銅板の接合面にＭｇを配設してもよい。また、セラミックス基板及び／又は銅板にスパッタ、蒸着することによってＭｇを配置してもよい。銅板とＭｇ箔のクラッド材を用いることもできる。なお、Ｍｇ粉及び／又はＭｇＨ_２粉を含むペーストを用いて、Ｍｇをセラミックス基板と銅板との間に配置することもできる。 Furthermore, in the present embodiment, the circuit layer was described as being formed by bonding a rolled plate of oxygen-free copper to a ceramic substrate, but the present invention is not limited to this, and a copper piece punched out of a copper plate is used. A circuit layer may be formed by bonding to a ceramic substrate while being arranged in a circuit pattern.
Further, in the present embodiment, the Mg foil is arranged between the ceramic substrate and the copper plate, but the present invention is not limited to this, and the bonding material may be arranged between the ceramic substrate and the copper plate. Alternatively, Mg may be provided on the bonding surface of the ceramic substrate, or Mg may be provided on the bonding surface of the copper plate. Alternatively, Mg may be placed on the ceramic substrate and/or copper plate by sputtering or vapor deposition. A clad material of copper plate and Mg foil can also be used. A paste containing Mg powder and/or MgH ₂ powder can be used to dispose Mg between the ceramic substrate and the copper plate.

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。 The results of confirmatory experiments conducted to confirm the effects of the present invention will be described below.

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Ａｌ_２Ｏ_３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４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。 First, a ceramic substrate (40 mm×40 mm) shown in Table 1 was prepared. The thickness of AlN and Al ₂ O ₃ was 0.635 mm, and the thickness of Si ₃ N ₄ was 0.32 mm.
In addition, a copper plate made of oxygen-free copper and having a thickness of 37 mm×37 mm and having a thickness shown in Table 1 was prepared as a copper plate serving as a circuit layer and a metal layer.

そして、表１に示す条件で銅板とセラミックス基板とを接合し、本発明例１～９、比較例１の絶縁回路基板（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２×１０^－３Ｐａとした。 Then, the copper plate and the ceramic substrate were bonded under the conditions shown in Table 1 to obtain the insulated circuit substrates (copper/ceramic bonded bodies) of Inventive Examples 1 to 9 and Comparative Example 1. The degree of vacuum in the vacuum furnace during bonding was set to 2×10 ⁻³ Pa.

得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、インデンテーション硬さ、冷熱サイクル信頼性（セラミックス基板の割れ、冷熱サイクル負荷後の接合率）を、以下のようにして評価した。 The obtained insulated circuit board (copper/ceramic bonded body) was evaluated for indentation hardness and thermal cycle reliability (cracking of ceramic substrate, bonding rate after thermal cycle load) as follows.

（インデンテーション硬さ）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を積層方向に切断し、セラミックス基板と回路層および金属層の接合界面において、セラミックス基板の接合面から回路層および金属層側へ２０μｍから５０μｍまでの領域Ｅ１におけるインデンテーション硬さをそれぞれ１視野で４点、かつ、５視野の計４０箇所で測定および算出し、その最大値及び平均値を求めた。
また、回路層および金属層のセラミックス基板とは反対側の表面からセラミックス基板側へ１０μｍ以上３０μｍ以下の領域Ｅ２におけるインデンテーション硬さをそれぞれ１視野で４点、かつ、５視野の計４０箇所で測定し、その平均値を算出した。 (indentation hardness)
The obtained insulated circuit board (copper/ceramic bonded body) was cut in the lamination direction, and at the bonding interface between the ceramic substrate and the circuit layer and the metal layer, the distance from the bonding surface of the ceramic substrate to the circuit layer and the metal layer was 20 μm to 50 μm. The indentation hardness in the region E1 was measured and calculated at 4 points in each field of view and 4 points in 5 fields of view in total, and the maximum and average values were obtained.
In addition, the indentation hardness in the region E2 of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the circuit layer and the metal layer on the opposite side of the ceramic substrate to the ceramic substrate side was measured at 4 points in each field of view, and at 40 points in total of 5 fields of view. was measured and the average value was calculated.

（冷熱サイクル信頼性）
上述の絶縁回路基板に対して、冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ－７２ＥＳ）を使用し、気相で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。なお、冷熱サイクルの条件は、セラミックス基板の材質に応じて、下記のように設定した。
ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３の場合：－４０℃×１５ｍｉｎ←→１５０℃×１５ｍｉｎを１０００サイクルまで１００サイクル毎にＳＡＴ検査。
Ｓｉ_３Ｎ_４の場合：－４０℃×１５ｍｉｎ←→１５０℃×１５ｍｉｎを３０００サイクルまで２００サイクル毎にＳＡＴ検査。 (Cold/heat cycle reliability)
Using a thermal shock tester (TSA-72ES manufactured by Espec Co., Ltd.), the insulating circuit board described above was subjected to a thermal cycle in the gas phase, and the presence or absence of cracks in the ceramics was determined by SAT inspection. In addition, the conditions of the thermal cycle were set as follows according to the material of the ceramic substrate.
For AlN, Al ₂ O ₃ : −40° C.×15 min←→150° C.×15 min, SAT inspection every 100 cycles up to 1000 cycles.
For Si ₃ N ₄ : −40° C.×15 min←→150° C.×15 min, SAT inspection every 200 cycles up to 3000 cycles.

（接合率）
上述の冷熱サイクル負荷前の接合率と、冷熱サイクル負荷後の接合率を、以下のようにして評価した。なお、セラミックス基板の割れが確認された場合には、その時点での接合率を評価した。
絶縁回路基板に対し、セラミックス基板と銅板（回路層及び金属層）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ＦｉｎｅＳＡＴ ＦＳＰ８Ｖ）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。 (bonding rate)
The bonding rate before the thermal cycle load and the bonding rate after the thermal cycle load were evaluated as follows. In addition, when the crack of the ceramics substrate was confirmed, the bonding rate at that time was evaluated.
For the insulated circuit board, the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the copper plate (circuit layer and metal layer) was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT FSP8V manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.). was calculated.

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、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）
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とした。 Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area (37 mm×37 mm) of the circuit layer and the metal layer in this example.
(bonding rate) = {(initial bonding area) - (peeling area)}/(initial bonding area)
In the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white portion in the joint portion, so the area of this white portion was defined as the peeling area.

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、セラミックス基板の接合面から銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が８６．３ｍｇｆ／μｍ^２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回となり、冷熱サイクル負荷後の接合率が６４．５％と低くなった。
比較例２においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が１７０．５ｍｇｆ／μｍ^２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。 First, invention examples 1-3 using AlN as a ceramic substrate and comparative examples 1 and 2 are compared.
In Comparative Example 1, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is 86.3 mgf/μm ² , and the number of cracks generated in the thermal cycle test is 300. , and the bonding rate after the thermal cycle load was as low as 64.5%.
In Comparative Example 2, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is 170.5 mgf/μm ² , and the number of cracks generated is 200 in the thermal cycle test. times.

これに対して、本発明例１－３においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が７００～１０００回となり、冷熱サイクル負荷後の接合率が９０．６～９８．９％となり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。 On the other hand, in Examples 1-3 of the present invention, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is in the range of 90 mgf/μm ² or more and 150 mgf/μm ² or less. In the thermal cycle test, the number of cracks occurred 700 to 1000 times, and the bonding rate after the thermal cycle load was 90.6 to 98.9%, indicating excellent thermal cycle reliability.

次に、セラミックス基板としてＳｉ_３Ｎ_４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、セラミックス基板の接合面から銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が８７．３ｍｇｆ／μｍ^２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回となり、冷熱サイクル負荷後の接合率が５２．５％と低くなった。
比較例４においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が１７９．１ｍｇｆ／μｍ^２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。 Next, invention examples 4-6 using Si ₃ N ₄ as the ceramic substrate and comparative examples 3 and 4 are compared.
In Comparative Example 3, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is 87.3 mgf/μm ² , and the number of cracks generated in the thermal cycle test is 1200. , and the bonding rate after the thermal cycle load was as low as 52.5%.
In Comparative Example 4, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the joint surface of the ceramic substrate to the copper plate side is 179.1 mgf/μm ² , and the number of cracks generated in the thermal cycle test is 1400. times.

これに対して、本発明例４－６においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が２４００～３０００回超えとなり、冷熱サイクル負荷後の接合率が９５．４～９７．９％となり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。 On the other hand, in Examples 4-6 of the present invention, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is in the range of 90 mgf/μm ² or more and 150 mgf/μm ² or less. In the thermal cycle test, the number of cracks occurred exceeded 2400 to 3000 times, and the bonding rate after the thermal cycle load was 95.4 to 97.9%, indicating excellent thermal cycle reliability.

次に、セラミックス基板としてＡｌ_２Ｏ_３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、セラミックス基板の接合面から銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が１５８．２ｍｇｆ／μｍ^２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回となった。 Next, inventive examples 7 and 8 using Al ₂ O ₃ as the ceramic substrate and comparative example 5 are compared.
In Comparative Example 5, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the joint surface of the ceramic substrate to the copper plate side is 158.2 mgf/μm ² , and the number of cracks generated is 300 in the thermal cycle test. times.

これに対して、本発明例７，８においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が８００～９００回となり、冷熱サイクル負荷後の接合率が９６．５～９７．７％となり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。 On the other hand, in Examples 7 and 8 of the present invention, the maximum value of the indentation hardness in the region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is in the range of 90 mgf/μm ² or more and 150 mgf/μm ² or less. In the thermal cycle test, the number of cracks occurred 800 to 900 times, and the bonding rate after the thermal cycle load was 96.5 to 97.7%, indicating excellent thermal cycle reliability.

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。 From the results of the above confirmation experiments, according to the example of the present invention, even when a severe thermal cycle is applied, the occurrence of cracks in the ceramic member can be suppressed, and the insulated circuit board (copper / It was confirmed that it is possible to provide a ceramic bonded body).

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）
３１ Ｍｇ固溶層 10 Insulated circuit board (copper/ceramic joint)
11 Ceramic substrate (ceramic member)
12 circuit layer (copper member)
13 metal layer (copper member)
31 Mg solid solution layer

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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上１５０ｍｇｆ／μｍ^２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。 A copper/ceramic joined body obtained by joining a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member,
An Mg solid-solution layer in which Mg is solid-dissolved in a Cu parent phase is formed at the bonding interface between the ceramic member and the copper member,
The maximum value of indentation hardness in a region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic member to the copper member side is in the range of 90 mgf/μm ² or more and 150 mgf/μm ² or less. / ceramic joints. 前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの平均値が８０ｍｇｆ／μｍ^２以上１４０ｍｇｆ／μｍ^２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。 An average value of indentation hardness in a region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic member to the copper member side is set within a range of 80 mgf/μm ² or more and 140 mgf/μm ² or less. Item 1. A copper/ceramic joined body according to item 1. 前記セラミックス部材に接合された前記銅部材の前記セラミックス部材とは反対側の表面から前記セラミックス部材側へ１０μｍ以上３０μｍ以下の領域におけるインデンテーション硬さの平均値が、７０ｍｇｆ／μｍ^２以上８５ｍｇｆ／μｍ^２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。 The average value of indentation hardness in a region of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the copper member joined to the ceramic member opposite to the ceramic member toward the ceramic member is 70 mgf/μm ² or more and 85 mgf/μm 3. A copper/ceramic joined body according to claim ¹ or 2, characterized in that it is within the range of 2 or less. 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は、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの最大値が９０ｍｇｆ／μｍ^２以上１５０ｍｇｆ／μｍ^２以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板。 An insulated circuit board formed by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to the surface of a ceramic substrate,
An Mg solid-solution layer in which Mg is solid-dissolved in a Cu parent phase is formed at the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate,
An insulation circuit characterized in that a maximum value of indentation hardness in a region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is in the range of 90 mgf/μm ² or more and 150 mgf/μm ² or less. substrate. 前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ２０μｍから５０μｍまでの領域におけるインデンテーション硬さの平均値が８０ｍｇｆ／μｍ^２以上１４０ｍｇｆ／μｍ^２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。 2. An average value of indentation hardness in a region from 20 μm to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side is in the range of 80 mgf/μm ² or more and 140 mgf/μm ² or less. 5. The insulating circuit board according to 4. 前記セラミックス基板に接合された前記銅板の前記セラミックス基板とは反対側の表面から前記セラミックス基板側へ１０μｍ以上３０μｍ以下の領域におけるインデンテーション硬さの平均値が、７０ｍｇｆ／μｍ^２以上８５ｍｇｆ／μｍ^２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。 The average value of indentation hardness in a region of 10 μm or more and 30 μm or less from the surface of the copper plate bonded to the ceramic substrate opposite to the ceramic substrate toward the ceramic substrate is 70 mgf/μm ² or more and 85 mgf/μm ^{2 or more} . 6. The insulated circuit board according to claim 4, wherein the following range is satisfied.

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