特許 5871081 接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5871081

(24)【登録日】2016年1月22日

(45)【発行日】2016年3月1日

(54)【発明の名称】接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 37/02 20060101AFI20160216BHJP

   H01L 23/13 20060101ALI20160216BHJP

【ＦＩ】

   C04B37/02 B

   H01L23/12 C

【請求項の数】11

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-17670(P2015-17670)

(22)【出願日】2015年1月30日

(65)【公開番号】特開2015-193526(P2015-193526A)

(43)【公開日】2015年11月5日

【審査請求日】2015年8月17日

(31)【優先権主張番号】特願2014-58869(P2014-58869)

(32)【優先日】2014年3月20日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】寺▲崎▼ 伸幸

(72)【発明者】

【氏名】長友 義幸

【審査官】 延平 修一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−０９２８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１８３８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２８６６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２１５２７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３７／００ − ３７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａｌを含むセラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とが接合されてなる接合体であって、
前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との間には、Ｃｕ−Ｐ系ろう材を用いた接合部が形成され、該接合部のセラミックス部材側には、活性金属を含む化合物からなる活性金属化合物領域が形成され、
該活性金属化合物領域の前記Ｃｕ部材側をなす一面から、前記Ｃｕ部材側に向かって、０．５μｍ〜３μｍの厚み範囲における前記接合部のＡｌ濃度が０．５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下の範囲であることを特徴とする接合体。

【請求項2】

前記活性金属化合物領域の前記一面は、凹凸を有する面であり、前記厚み範囲は、前記凹凸のうち最も前記Ｃｕ部材に近い地点からの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。

【請求項3】

前記セラミックス部材は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３のうち、いずれかより構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合体。

【請求項4】

前記活性金属化合物領域は、活性金属の窒化物、活性金属の酸化物のうち、いずれかを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体を備えたパワーモジュール用基板であって、
前記Ｃｕ部材を回路層として用い、前記セラミックス部材において前記回路層が接合される面の反対面に、金属層を形成したことを特徴とするパワーモジュール用基板。

【請求項6】

前記金属層はＣｕ又はＣｕ合金からなることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板。

【請求項7】

前記金属層はＡｌ又はＡｌ合金からなることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板。

【請求項8】

請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層のうち前記セラミックス部材とは反対側の面に接合された電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。

【請求項9】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体を製造する接合体の製造方法であって、
Ｃｕ−Ｐ系ろう材と、活性金属を含有する活性金属材とを介して、前記セラミックス部材に前記Ｃｕ部材を積層させた積層体を形成する積層工程と、
前記積層体を加熱処理して、前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材を溶融させるとともに、前記セラミックス部材に含まれるＡｌを前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材に向けて拡散させる加熱処理工程と、を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。

【請求項10】

前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材は、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする請求項９に記載の接合体の製造方法。

【請求項11】

前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材は、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｚｎろう材の中から選択されるいずれか１種であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の接合体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、セラミックス部材とＣｕ部材とを強固に接合した接合体、この接合体を備えたパワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車等の電気車両など、大電力を制御するために用いられるパワー半導体素子は発熱量が多い。このため、搭載する基板としては、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）など、耐熱性、および絶縁性に優れたセラミックス基板が用いられる。そして、このセラミックス基板の一方の面に、導電性の優れたＣｕ板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面にも金属板を接合することもある。

【0003】

従来、セラミックス基板に対してＣｕ板を接合する方法として、例えば、セラミックス基板にＣｕ板を重ねた状態で、これらに荷重を加えつつ、Ｎ_２雰囲気中で１０００℃以上に加熱する、いわゆるＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ法）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平０４−１６２７５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に示したＤＢＣ法によってセラミックス基板とＣｕ板とを接合した場合、１０００℃以上で加熱し接合するため、セラミックス基板に熱負荷がかかることによりセラミックス基板とＣｕ板との接合信頼性が低下する懸念があった。

【0006】

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、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性が高い接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体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】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は、次のような接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法を提供した。
すなわち、本発明の接合体は、Ａｌを含むセラミックスからなるセラミックス部材と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材とが接合されてなる接合体であって、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との間には、Ｃｕ−Ｐ系ろう材を用いた接合部が形成され、該接合部のセラミックス部材側には、活性金属を含む化合物からなる活性金属化合物領域が形成され、該活性金属化合物領域の前記Ｃｕ部材側をなす一面から、前記Ｃｕ部材側に向かって、０．５μｍ〜３μｍの厚み範囲における前記接合部のＡｌ濃度が０．５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下の範囲であることを特徴とする。

【0008】

接合部におけるＡｌ成分は、セラミックス部材の構成材料、即ち、Ａｌを含むセラミックスの一部が、セラミックス部材とＣｕ部材との接合時に分解され、Ａｌ成分が接合部に向かって拡散することにより生じたものである。Ａｌ濃度は、セラミックス部材の分解度合いを示すものであり、Ａｌ濃度が高いほど、セラミックス部材の分解が進行し、セラミックス部材と接合部との接合力が高まっていることを示している。
ここで、前記Ａｌ濃度が０．５ａｔ％未満であるとセラミックス部材の分解が進んでおらず、セラミックス部材とＣｕ部材とが剥離率が増加する。また、前記Ａｌ濃度が１５ａｔ％を超えると接合部におけるＡｌ成分が多くなることでＡｌの金属間化合物等が増加することにより、接合部の硬度が上昇し、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性が低下する。
従って、本発明のように、接合部のＡｌ濃度を所定の範囲内にすることによって、セラミックス部材と接合部との接合力を高く維持することができ、接合部における剥離率を低減させ、セラミックス部材とＣｕ部材とが強固に接合された接合体を実現できる。

【0009】

本発明の接合体においては、前記活性金属化合物領域の前記一面は、凹凸を有する面であり、前記厚み範囲は、前記凹凸のうち最も前記Ｃｕ部材に近い地点からの範囲であることを特徴とする。
これによって、Ａｌ濃度によるセラミックス部材の分解の度合いをより正確に把握でき、接合部における剥離率の低減を確実に実現することができる。

【0010】

本発明の接合体においては、前記セラミックス部材は、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３のうち、いずれかより構成されることを特徴とする。
セラミックス部材としてＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３を選択することで、絶縁性、および耐熱性に優れた接合体を製造することができる。

【0011】

本発明の接合体においては、前記活性金属化合物領域は、活性金属の窒化物、活性金属の酸化物のうち、いずれかを含むことを特徴とする。
活性金属化合物領域に活性金属の窒化物、活性金属の酸化物を含むことにより、セラミックス部材との接合性が向上し、剥離率の低減を確実に実現することができる。

【0012】

本発明のパワーモジュール用基板は、前述の接合体を備えたパワーモジュール用基板であって、前記Ｃｕ部材を回路層として用い、前記セラミックス部材において前記回路層が接合される面の反対面に、金属層を形成したことを特徴とする。
Ｃｕ部材を回路層として用い、セラミックス部材におけるこの回路層が接合された面の反対面に金属層を形成してパワーモジュール用基板とすることによって、セラミックス部材と回路層との間に形成される接合部のＡｌ濃度が所定の範囲内に保たれ、セラミックス部材と接合部との接合力を高く維持することができ、接合部における剥離率を低減させ、セラミックス部材と回路層とが強固に接合されたパワーモジュール用基板を実現できる。

【0013】

本発明のパワーモジュール用基板においては、前記金属層はＣｕ又はＣｕ合金からなることを特徴とする。
この場合、セラミックス部材の回路層が接合される面の反対面に、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる金属層が形成されているので、放熱性に優れたパワーモジュール基板を実現できる。

【0014】

本発明のパワーモジュール用基板においては、前記金属層はＡｌ又はＡｌ合金からなることを特徴とする。
この場合、セラミックス部材の回路層が接合される面の反対面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層を接合することによって変形抵抗が小さくなり、セラミックス部材に熱応力が加わった際に、この熱応力をＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層によって吸収でき、セラミックス部材の熱応力による破損を抑制することが可能になる。

【0015】

本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、前記回路層のうち前記セラミックス部材とは反対側の面に接合された電子部品と、を備えたことを特徴とする。
本発明のパワーモジュールによれば、前述のような接合体を有するパワーモジュール用基板を用いているので、セラミックス部材と回路層とが強固に接合されており、信頼性に優れている。

【0016】

本発明の接合体の製造方法は、前述の接合体を製造する接合体の製造方法であって、Ｃｕ−Ｐ系ろう材と、活性金属を含有する活性金属材とを介して、前記セラミックス部材に前記Ｃｕ部材を積層させた積層体を形成する積層工程と、前記積層体を加熱処理して、前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材を溶融させるとともに、前記セラミックス部材に含まれるＡｌを前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材に向けて拡散させる加熱処理工程と、を備えていることを特徴とする。

【0017】

本発明の接合体の製造方法によれば、加熱処理工程において、セラミックス部材に含まれるＡｌをＣｕ−Ｐ系ろう材に向けて拡散させることによって、セラミックス部材と接合部との接合力を高く維持することができ、接合部における剥離率を低減させ、セラミックス部材とＣｕ部材とが強固に接合された接合体を製造することができる。

【0018】

本発明の接合体の製造方法においては、前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材は、Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする。
Ｐを３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下含有するＣｕ−Ｐ系ろう材は、融点が低いので、加熱した際に、融液が発生しやすくなり、セラミックス部材とＣｕ部材との反応が進みやすくなるため、セラミックス部材とＣｕ部材とを強固に接合することができる。

【0019】

本発明の接合体の製造方法においては、前記Ｃｕ−Ｐ系ろう材は、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｚｎろう材の中から選択されるいずれか１種であることを特徴とする。
このようなろう材を用いた場合、ろう材の融点が低いので、確実にセラミックス部材とＣｕ部材との接合を行うことができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、セラミックス部材とＣｕ部材との接合信頼性が高い接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の接合体の一例を示す断面図である。

【図2】本発明の接合体の接合部を示した要部拡大断面図である。

【図3】本発明の接合体の接合部の断面観察写真である。

【図4】本発明の接合体の接合部の他の例を示した要部拡大断面図である。

【図5】本発明の接合体の製造方法を段階的に示した断面図である。

【図6】本発明パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す断面図である。

【図7】実施例における活性金属化合物領域の観察例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照して、本発明の接合体、およびその製造方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0023】

（接合体）
図１は、本発明の接合体一例を示す断面図である。
接合体１０は、例えば、パワー半導体を備えたパワーモジュールを構成するパワーモジュール用基板として用いられる。この接合体１０は、図１に示すように、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、このセラミックス基板１１の一面１１ａ（図１において上面）に配設されたＣｕ部材１２とを備えている。また、このセラミックス基板１１とＣｕ部材１２とは、接合部１３を介して接合されている。接合部１３は、例えば、活性金属材及びＣｕ−Ｐ系ろう材を加熱処理することによって形成される。なお、こうした接合体１０の製造方法は、後ほど詳述する。

【0024】

セラミックス基板１１は、Ａｌを含む絶縁性の高いセラミックス、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等から構成されている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、放熱性の優れたＡｌＮで構成されている。セラミックス基板１１の厚さは、例えば０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍのものを用いている。

【0025】

Ｃｕ部材１２は、高い導電性を有するＣｕ又はＣｕ合金からなる金属板が用いられる。本実施形態では、Ｃｕ部材１２として無酸素銅からなる金属板を用いている。このＣｕ部材１２の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍのものが用いられている。
このようなＣｕ部材１２は、例えば、パワーモジュール用基板の回路層として用いられる。

【0026】

図２は、接合部１３の概要を示した要部拡大断面図である。また、図３は、接合部１３の断面観察写真である。なお、図２及び図３に示す、本実施形態の接合部１３の構成は、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材と、活性金属としてＴｉを用いた場合の一例である。なお、活性金属としては、Ｔｉ以外にも、例えば、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆなどが挙げられる。
接合部１３は、活性金属材（本実施形態ではＴｉ）及びＣｕ−Ｐ系ろう材を所定の温度、時間で熱処理することで生じる接合層である。
接合部１３は、Ｃｕ部材１２側にある合金層１７と、セラミックス基板１１側にある活性金属化合物領域１６とを備えている。

【0027】

本実施形態において、活性金属化合物領域１６は、活性金属材から拡散されたＴｉと、セラミックス基板１１を構成するＡｌＮに含まれるＮとが化合して形成されたＴｉ窒化物、例えばＴｉＮを主体に構成されている。合金層１７は、ろう材の成分であるＣｕ，Ｐ，Ｓｎ，Ｎｉ、および活性金属材から拡散されたＴｉ及びそれらの合金や金属間化合物で構成されている。

【0028】

このような構成の接合部１３において、活性金属化合物領域１６のＣｕ部材１２側をなす一面１６ａからＣｕ部材１２側に向かって、０．５μｍ〜３μｍの厚み範囲ＥにおけるＡｌ濃度が０．５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下の範囲となるように形成されている。即ち、活性金属化合物領域１６の一面１６ａから、Ｃｕ部材１２に向けて０．５μｍ（Δｔ１）の位置で広がる面と、Ｃｕ部材１２に向けて３μｍ（Δｔ２）の位置で広がる面との間の、２．５μｍの厚み範囲Ｅに広がる領域内においては、Ａｌ濃度が０．５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下とされている。なお、Ａｌ濃度は厚み範囲Ｅにおける平均値とされている。上記厚み範囲ＥにおけるＡｌ濃度は、０．５ａｔ％以上、１０ａｔ％以下とすることが好ましいが、これに限定されることはない。

【0029】

接合部１３におけるＡｌ成分は、セラミックス基板１１の構成材料、即ち、Ａｌを含むセラミックスの一部が、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合時に分解され、Ａｌ成分が接合部１３に向かって拡散することにより生じたものである。例えば、本実施形態では、セラミックス基板１１を構成するＡｌＮが分解し、Ａｌが拡散したものである。

【0030】

このような接合部１３の厚み範囲ＥにおけるＡｌ濃度の制御は、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合時における、加熱処理工程での接合温度の設定や、加熱時間の設定によって、所望の値に制御される。

【0031】

なお、本実施形態では、活性金属化合物領域１６は、活性金属材と、セラミックス基板１１を構成するＡｌＮに含まれるＮとが化合して形成された活性金属の窒化物を主体に構成されているが、セラミックス基板１１としてＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合、活性金属化合物領域１６は、Ａｌ_２Ｏ_３に含まれるＯと活性金属とが化合して形成された活性金属の酸化物を主体に構成される。

【0032】

また、図２では、模式的に、活性金属化合物領域１６の一面１６ａを平面としているが、実際には、図３の観察写真に示すように、この活性金属化合物領域１６の一面１６ａは多数の凹凸をもつ面とされている。この場合、例えば図４に示すように、Ａｌの濃度が規定された接合部１３の厚み範囲Ｅは、活性金属化合物領域１６の一面１６ａのうち、最もＣｕ部材に近い地点Ｓｐ（最もＣｕ部材１２側に突出した頂部Ｓｐ）を基点として、０．５μｍ〜３μｍの厚み範囲Ｅが定義されればよい。

【0033】

また、セラミックス基板１１の他面１１ｂ側に、更に金属部材、例えばＡｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ部材、ＣｕやＣｕ合金からなるＣｕ部材が接合された構成であることも好ましい。こうした金属部材の一例として、４Ｎ−ＡｌからなるＡｌ部材や、無酸素銅からなるＣｕ部材とが挙げられる。セラミックス部材１１と金属部材との接合には、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材やＣｕ−Ｐ系ろう材などを用いることができる。Ａｌ−Ｓｉ系ろう材としては、Ｓｉ含有量が１ｍａｓｓ％から１２ｍａｓｓ％のろう材が挙げられる。

【0034】

以上のような構成の接合体１０によれば、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２とを接合する接合部１３は、活性金属化合物領域１６の一面１６ａからＣｕ部材１２側に向かって、０．５μｍ〜３μｍの厚み範囲ＥにおけるＡｌ濃度が０．５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下になるように形成されている。このＡｌは、セラミックス基板１１を構成するＡｌＮやＡｌ_２Ｏ_３が分解され、拡散したものである。よって、Ａｌの濃度は、これらＡｌＮやＡｌ_２Ｏ_３の分解度合いを示すものであり、Ａｌの濃度が高いほど、ＡｌＮやＡｌ_２Ｏ_３の分解が進行し、セラミックス基板１１と接合部１３との接合力が高まっていることを示している。

【0035】

よって、接合部１３の特定領域のＡｌ濃度を管理することで、セラミックス基板１１と接合部１３との接合力を高く維持することができ、接合部１３の剥離率を低減させることが可能になる。

【0036】

（接合体の製造方法）
上述したような構成の接合体の製造方法について説明する。
図５は、本発明の接合体の製造方法を段階的に示した断面図である。
例えば、パワーモジュール用基板として用いられる接合体を製造する際には、まず、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のＡｌを含むセラミックスからなるセラミックス基板（セラミックス部材）１１を用意する（図５（ａ）参照）。本実施形態では、ＡｌＮからなり、厚みが０．６３５ｍｍのセラミックス基板を用いた。

【0037】

次に、セラミックス基板１１の一面１１ａ側に、ろう材３１、活性金属材３２およびＣｕ部材１２を順に積層し、積層体３５を形成する（図５（ｂ）参照：積層工程）。ろう材３１は、Ｃｕ−Ｐ系ろう材が用いられる。Ｃｕ−Ｐ系のろう材としては、例えば、Ｃｕ−Ｐろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｚｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｃｒ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｆｅ系ろう材などが挙げられ、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。

【0038】

Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材の組成は、具体的には、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされている。ここで、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材の厚さは、５μｍ以上１５０μｍ以下となるように形成される。

【0039】

Ｃｕ−Ｐ系のろう材の成分であるＰは、ろう材の融点を低下させる作用効果を有する元素である。また、このＰは、Ｐが酸化することで発生するＰ酸化物により、ろう材表面を覆うことでろう材の酸化を防止するとともに、溶融したろう材の表面を流動性の良いＰ酸化物が覆うことでろう材の濡れ性を向上させる作用効果を有する元素である。

【0040】

Ｐの含有量が３ｍａｓｓ％未満では、ろう材の融点を低下させる効果が十分に得られずろう材の融点が上昇したり、ろう材の流動性が不足し、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合性が低下したりするおそれがある。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％超では、脆い金属間化合物が多く形成され、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合性や接合信頼性が低下するおそれがある。
このような理由からＣｕ−Ｐ系ろう材に含まれるＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内が好ましい。上記Ｃｕ−Ｐ系ろう材に含まれるＰの含有量は、６ｍａｓｓ％以上８ｍａｓｓ％以下の範囲内であることがさらに好ましいが、これに限定されることはない。

【0041】

Ｃｕ−Ｐ系のろう材の成分の一例であるＳｎは、ろう材の融点を低下させる作用効果を有する元素である。Ｓｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の融点を確実に低くすることができる。また、Ｓｎの含有量が２５ｍａｓｓ％以下では、ろう材の低温脆化を抑制することができ、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合信頼性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ系ろう材にＳｎを含有させる場合、その含有量は０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内にすることが好ましい。

【0042】

Ｃｕ−Ｐ系のろう材の成分の一例であるＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ等は、セラミックス基板１１とろう材との界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制する作用効果を有する元素である。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２ｍａｓｓ％以上では、セラミックス基板１１とろう材との接合界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制することができ、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合信頼性が向上する。

【0043】

また、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２０ｍａｓｓ％以下では、ろう材の融点が上昇することを抑制し、ろう材の流動性が低下することを抑え、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ系ろう材にＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を含有させる場合、それらの合計含有量は２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲内にすることが好ましい。

【0044】

Ｃｕ−Ｐ系のろう材の成分の一例であるＺｎは、ろう材の耐酸化性を向上させる作用効果を有する元素である。
Ｚｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の耐酸化性を十分に確保し、接合性を向上させることができる。また、Ｚｎの含有量が５０ｍａｓｓ％以下では、脆い金属間化合物が多く形成されることを防止し、セラミックス基板１１とＣｕ部材１２との接合信頼性を確保することができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ系ろう材にＺｎを含有させる場合、その含有量は０．５ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下の範囲内にすることが好ましい。

【0045】

ろう材３１は、構成元素の成分の粉末を混合し、適切なバインダーを介してペースト状にしたもの（ろう材ペースト）を、セラミックス基板１１の一面１１ａに塗布することによって形成される。

【0046】

活性金属材３２は、少なくとも活性元素を含有するものとされている。活性金属材３２の性状としては、箔、粉末、粉末に適切なバインダーを加えて混練したペーストなどが挙げられる。
本実施形態では、活性金属材として、Ｔｉ箔を用いており、Ｔｉ箔の厚さは、０．５μｍ以上２５μｍ以下とされている。また、Ｔｉ箔の組成を純度９９．４ｍａｓｓ％以上としても良く、本実施形態では純度９９．６ｍａｓｓ％としている。

【0047】

なお、本実施形態では、活性金属材３２は、Ｃｕ部材１２の側に配しているが、セラミックス部材１１の側に配することもできる。この場合、積層体３５の積層順序は、セラミックス部材１１、活性金属材３２、ろう材３１、およびＣｕ部材１２の順になる。

【0048】

次に、図５（ｃ）に示すように、積層体３５を、例えば真空加熱処理炉Ｈに入れ、積層体３５を加圧しつつ、ろう材３１の溶融温度（接合温度）以上になるまで加熱する（加熱処理工程）。これによって、ろう材３１が溶融する。その後、冷却されると、図５（ｄ）に示すように、セラミックス部材１１とＣｕ部材１２とが接合部１３を介して接合された接合体１０が得られる。

【0049】

本実施形態では、加熱処理工程における加熱処理条件として、積層体３５の積層方向への加圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．１０〜３．４３ＭＰａ）、真空加熱炉内の圧力１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下、加熱温度７００℃以上８５０℃以下、加熱時間１０分以上６０分以下にそれぞれ設定した。

【0050】

加熱処理工程においては、セラミックス基板１１の一面１１ａのＡｌＮが分解され、Ａｌが接合部１３に拡散する程度まで加熱処理を行う。即ち、図２に示す、得られた接合体１０の接合部１３において、活性金属化合物領域１６のＣｕ部材１２側をなす一面１６ａからＣｕ部材１２側に向かって、０．５μｍ〜３μｍの厚み範囲ＥにおけるＡｌ濃度が０．５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下の範囲となるように加熱処理を行う。

【0051】

これにより、セラミックス基板１１を構成するＡｌＮの分解度合いが適切な範囲になり、セラミックス基板１１と接合部１３との接合力が高められる。よって、接合体１０のセラミックス基板１１と接合部１３との接合力を高く維持することができ、接合部１３の初期剥離率を低減させることが可能になる。

【0052】

（パワーモジュール用基板及びパワーモジュール）
上述した接合体を用いたパワーモジュール用基板及びパワーモジュールの構成について説明する。なお、図１、図２に示す接合体１０と同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明を略す。
図６は、本発明のパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す断面図である。

【0053】

本発明のパワーモジュール１は、パワーモジュール用基板４０と、このパワーモジュール用基板４０の一方側（図６において上側）の面にはんだ層２を介して接合されたパワー半導体（電子部品）３と、を備えている。
ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。

【0054】

本発明のパワーモジュール用基板４０は、セラミックス基板（セラミックス部材）１１と、このセラミックス基板１１の一面１１ａ（図６において上面）に配設されたＣｕ部材（回路層）１２と、セラミックス基板１１およびＣｕ部材１２を接合する接合部１３と、からなる接合体１０を備えている。

【0055】

また、パワーモジュール用基板４０は、Ｃｕ部材（回路層）１２が配設されたセラミックス基板１１の一面１１ａに対して反対面を成すセラミックス基板１１の他面１１ｂ（図６において下面）に金属層４１を備えている。金属層４１は、例えば、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる金属板が用いられる。本実施形態では、金属層４１として無酸素銅からなる金属板を用いている。このＣｕ部材１２の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍのものが用いられている。

【0056】

本発明のパワーモジュール用基板４０におけるＣｕ部材（回路層）１２は、パワーモジュールに適用した際に、パワー半導体の回路層を構成する。即ち、Ｃｕ部材１２はパワー半導体の導電体を成す。また、セラミックス基板１１はこの導電体の下層側を絶縁する絶縁体を成す。

【0057】

このような本発明のパワーモジュール用基板４０及びパワーモジュール１によれば、図１に示す本発明の接合体１０を適用することによって、セラミックス基板１１とＣｕ部材（回路層）１２とを接合する接合部１３の特定領域のＡｌ濃度が管理され、セラミックス基板１１と接合部１３との接合力を高く維持したパワーモジュール用基板４０及びパワーモジュール１を実現することができる。

【0058】

なお、本実施形態では、パワーモジュール用基板４０として、セラミックス基板１１の他面１１ｂ金属層４１を形成しているが、こうした金属層４１を特に形成しない構成であってもよい。また、金属層４１は、Ｃｕ又はＣｕ合金に限定されるものではなく、各種金属を用いることができる。例えば、ＡｌやＡｌ合金などを金属層として適用することもできる。
例えば、金属層４１をＡｌやＡｌ合金によって形成すれば、例えば、セラミックス部材に熱応力が加わった際に、この熱応力をＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層によって吸収でき、セラミックス部材の熱応力による破損を抑制することが可能になる。金属層をＡｌやＡｌ合金によって形成する場合、厚さは０．１ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。

【実施例】

【0059】

（実施例１）
表１記載の材質からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面に、表１記載のろう材（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、表１記載の活性金属材（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を順に積層し、積層体を形成する。なお、本発明例４については、Ｃｕ−7ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉ粉末とＴｉ粉末からなるペーストをろう材及び活性元素として用いた。なお、ペーストの塗布厚は８０μｍとした。

【0060】

そして、積層体を積層方向に圧力５ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．４９ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉に投入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面にＣｕ板を接合した。加熱温度及び時間は表１記載の通りとした。
このようにして、本発明例１〜８、比較例１〜３の接合体を得た。得られた接合体の「活性金属化合物領域の有無」「接合部におけるＡｌ濃度」「接合率」について評価した。

【0061】

（活性金属化合物領域の有無）
接合体の断面をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー、日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）により倍率１００００倍で測定し、セラミックス基板に含まれる元素（ＡｌＮの場合はＮ、Ａｌ_２Ｏ_３の場合にはＯ）及び活性金属元素の元素マッピングを取得する。得られたマッピングにおいて、活性金属元素とセラミックス基板に含まれる元素が同一領域に存在する場合に活性金属化合物領域が有ると判断した。
図７に、活性金属化合物領域の観察例を示す。この図７においては、活性金属元素（Ｔｉ）とセラミックス基板（ＡｌＮ）に含まれる元素（Ｎ）が同一領域に存在しており、活性金属化合物領域が有ると判断される。

【0062】

（接合部におけるＡｌ濃度）
接合部におけるＡｌ濃度の測定方法としては、接合部の断面をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー、日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）により分析し、活性金属化合物領域の一面から０．５μｍ〜３μｍの範囲を定量分析しＡｌ濃度を測定した。具体的には上記範囲内の任意の個所１０点を分析し、その平均値をＡｌ濃度とした。

【0063】

（冷熱サイクル試験）
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１）を使用し、パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１５０℃×５分の２０００サイクルを実施した。
（接合率）
接合率の評価は、接合体に対し、セラミックス基板とＣｕ部材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、すなわち本実施例ではＣｕ部材の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）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とした。
（接合率（％））＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
接合率の評価は、冷熱サイクル試験を行う前（初期接合率）及び冷熱サイクル試験後に行った。
結果を表１に示す。

【0064】

【表1】

【0065】

（実施例２）
（本発明例９〜１０）
実施例１で得られた接合体を用い、セラミックス基板の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）を接合し、金属層を形成したパワーモジュール用基板を作成した。本発明例９では本発明例２の接合体を、本発明例１０では本発明例８の接合体を用いた。なお、実施例９〜１０では、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材として、Ａｌ−７ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いた。
（本発明例１１〜１２）
セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉろう材、Ｔｉ箔、無酸素銅（ＯＦＣ）からなるＣｕ板を順に積層し、積層体を形成し、積層体を積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に投入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板が接合されたパワーモジュール用基板を作成した。本発明例１１ではセラミックス基板としてＡｌＮを、本発明例１２ではＡｌ_２Ｏ_３を用いた。
得られた本発明例９〜１２のパワーモジュール用基板に対し、回路層（セラミックス基板の一方の面）の接合率を評価した。評価方法は実施例１記載と同じとした。
結果を表２に示す。

【0066】

【表2】

【0067】

表１に示す結果から、本発明例１〜８については、Ａｌ濃度が０．５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下の範囲であるため、セラミックス基板とＣｕ板との初期の接合率が高く、強固に接合されていることが確認された。また、冷熱サイクル後の接合率も高く、接合信頼性に優れたＣｕ板とセラミックス基板の接合体が得られた。
一方、比較例１及び比較例２は、Ａｌ濃度が０．５ａｔ％以上、１５ａｔ％以下の範囲から外れているため、セラミックス基板とＣｕ板との初期接合率及び冷熱サイクル後の接合率が、本発明例と比較して劣った。また、接合時に活性金属材を用いなかった比較例３では、Ｃｕ板とセラミックス基板が接合されなかった。
また、表２に示す結果から、本発明例９〜１２については、冷熱サイクル試験後の接合率が高く、接合信頼性が高いことが確認された。

【符号の説明】

【0068】

１ パワーモジュール
３ パワー半導体（電子部品）
１０ 接合体
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ Ｃｕ部材
１３ 接合部
３１ ろう材
３２ 活性金属材
４０ パワーモジュール用基板
４１ 金属層

【図1】

【図2】

【図4】

【図5】

【図6】

【図3】

【図7】