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特開2024-141452絶縁回路基板、半導体デバイス、および、絶縁回路基板の製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024141452
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】絶縁回路基板、半導体デバイス、および、絶縁回路基板の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 23/13 20060101AFI20241003BHJP
H01L 25/07 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
H01L23/12 C
H01L25/04 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023053120
(22)【出願日】2023-03-29
(71)【出願人】
【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】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(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】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】石川 史朗
(72)【発明者】
【氏名】大井 宗太郎
(72)【発明者】
【氏名】牧 一誠
(72)【発明者】
【氏名】福岡 航世
(57)【要約】
【課題】高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途でも使用可能な冷熱サイクル信頼性を有するとともに、放熱性に優れた絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体デバイス、および、絶縁回路基板の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の表面に形成された回路層２０と、を備えた絶縁回路基板１０であって、回路層２０は、セラミックス基板１１側に配設された第１銅層２１と、第１銅層２１に積層された第２銅層２２と、を有しており、第１銅層２１を構成する第１銅板の半軟化温度が２００℃以下とされており、第２銅層２２を構成する第２銅板の半軟化温度が、第１銅層２１を構成する第１銅板の半軟化温度よりも高いことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の表面に形成された回路層２０と、を備えた絶縁回路基板１０であって、回路層２０は、セラミックス基板１１側に配設された第１銅層２１と、第１銅層２１に積層された第２銅層２２と、を有しており、第１銅層２１を構成する第１銅板の半軟化温度が２００℃以下とされており、第２銅層２２を構成する第２銅板の半軟化温度が、第１銅層２１を構成する第１銅板の半軟化温度よりも高いことを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、
前記回路層は、前記セラミックス基板側に配設された第１銅層と、前記第１銅層に積層された第２銅層と、を有しており、
前記第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度が２００℃以下とされており、
前記第２銅層を構成する第２銅板の半軟化温度が、前記第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度よりも高いことを特徴とする絶縁回路基板。
前記回路層は、前記セラミックス基板側に配設された第１銅層と、前記第１銅層に積層された第２銅層と、を有しており、
前記第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度が２００℃以下とされており、
前記第２銅層を構成する第２銅板の半軟化温度が、前記第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度よりも高いことを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項2】
前記セラミックス基板の前記回路層とは反対側の面に金属層が形成されており、前記金属層が、前記セラミックス基板側に配設された第３銅層と、前記第３銅層に積層された第４銅層と、を有しており、
前記第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度が２００℃以下とされており、
前記第４銅層を構成する第４銅板の半軟化温度が、前記第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
前記第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度が２００℃以下とされており、
前記第４銅層を構成する第４銅板の半軟化温度が、前記第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板。
【請求項3】
請求項１に記載の絶縁回路基板と、前記回路層上に搭載された半導体素子と、を備えていることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項4】
前記絶縁回路基板および前記半導体素子が、絶縁樹脂によって樹脂封止されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項5】
請求項１に記載の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板に前記第１銅板を接合して前記第１銅層を形成する第１銅層形成工程と、前記第１銅層に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程と、を有しており、
前記第１銅層形成工程と前記第２銅層形成工程を同時に実施することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
前記セラミックス基板に前記第１銅板を接合して前記第１銅層を形成する第１銅層形成工程と、前記第１銅層に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程と、を有しており、
前記第１銅層形成工程と前記第２銅層形成工程を同時に実施することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項6】
請求項２に記載の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板に前記第３銅板を接合して前記第３銅層を形成する第３銅層形成工程と、前記第３銅層に前記第４銅板を接合して前記第４銅層を形成する第４銅層形成工程と、を有しており、
前記第３銅層形成工程と前記第４銅層形成工程を同時に実施することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
前記セラミックス基板に前記第３銅板を接合して前記第３銅層を形成する第３銅層形成工程と、前記第３銅層に前記第４銅板を接合して前記第４銅層を形成する第４銅層形成工程と、を有しており、
前記第３銅層形成工程と前記第４銅層形成工程を同時に実施することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【請求項7】
請求項１に記載の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板に前記第１銅板を接合して前記第１銅層を形成する第１銅層形成工程と、
前記第１銅層に回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、
前記回路パターンを形成した前記第１銅層のうち、少なくとも半導体素子が搭載される素子搭載領域に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程と、
を有することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
前記セラミックス基板に前記第１銅板を接合して前記第１銅層を形成する第１銅層形成工程と、
前記第１銅層に回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、
前記回路パターンを形成した前記第１銅層のうち、少なくとも半導体素子が搭載される素子搭載領域に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程と、
を有することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板、この絶縁回路基板を備えた半導体デバイス、および、絶縁回路基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
近年のパワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子などの素子の高集積化や高出力化に伴って、絶縁回路基板においては、放熱特性の向上が望まれている。そこで、絶縁回路基板では、素子で発生した熱の放熱特性を向上させるために回路層の厚くすることが検討されている。
例えば、特許文献１には、回路層が金属材料からなり、厚みが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされている絶縁回路基板が記載されている。
例えば、特許文献１には、回路層が金属材料からなり、厚みが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされている絶縁回路基板が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１９－１６９５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、放熱性を向上させるために、回路層の銅の厚さを厚くした場合には、高温環境下で使用した際に、冷熱サイクルによって回路層の加工硬化が起き、厳しい熱応力が負荷され、その熱応力によってセラミックス基板が割れてしまうおそれがあった。
一方、冷熱サイクル時にセラミックス基板に加わる熱応力を緩和してセラミックス基板の割れを抑制するために、回路層を変形し易い純アルミニウムで構成した場合には、冷熱サイクルの熱応力によって回路層の表面が波打つように変形してしまい、半導体素子との接合信頼性が低下してしまうおそれがあった。また、アルミニウムの熱伝導度は、銅の熱伝導度よりも低いため、放熱性に限界があった。
一方、冷熱サイクル時にセラミックス基板に加わる熱応力を緩和してセラミックス基板の割れを抑制するために、回路層を変形し易い純アルミニウムで構成した場合には、冷熱サイクルの熱応力によって回路層の表面が波打つように変形してしまい、半導体素子との接合信頼性が低下してしまうおそれがあった。また、アルミニウムの熱伝導度は、銅の熱伝導度よりも低いため、放熱性に限界があった。
【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、高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途でも使用可能な冷熱サイクル信頼性を有するとともに、放熱性に優れた絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体デバイス、および、絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前述の課題を解決するために、本発明の態様１の絶縁回路基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に形成された回路層と、を備えた絶縁回路基板であって、前記回路層は、前記セラミックス基板側に配設された第１銅層と、前記第１銅層に積層された第２銅層と、を有しており、前記第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度が２００℃以下とされており、前記第２銅層を構成する第２銅板の半軟化温度が、前記第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度よりも高いことを特徴としている。
【0008】
本発明の態様１の絶縁回路基板においては、回路層が第１銅層と第２銅層とが積層された構造とされていることから、回路層全体の厚さを確保することができ、十分な放熱性を確保することが可能となる。
そして、セラミックス基板側に配設された第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度が２００℃以下とされているので、冷熱サイクル時の再結晶化によって加工硬化を低減でき、冷熱サイクルが繰り返されても熱応力が大きくなり難く、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
また、第２銅層を構成する第２銅板の半軟化温度が、第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度よりも高いことから、冷熱サイクルを負荷した際に回路層の表面が変形することを抑制できる。
そして、セラミックス基板側に配設された第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度が２００℃以下とされているので、冷熱サイクル時の再結晶化によって加工硬化を低減でき、冷熱サイクルが繰り返されても熱応力が大きくなり難く、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
また、第２銅層を構成する第２銅板の半軟化温度が、第１銅層を構成する第１銅板の半軟化温度よりも高いことから、冷熱サイクルを負荷した際に回路層の表面が変形することを抑制できる。
【0009】
本発明の態様２の絶縁回路基板は、態様１の絶縁回路基板において、前記セラミックス基板の前記回路層とは反対側の面に金属層が形成されており、前記金属層が、前記セラミックス基板側に配設された第３銅層と、前記第３銅層に積層された第４銅層と、を有しており、前記第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度が２００℃以下とされており、前記第４銅層を構成する第４銅板の半軟化温度が、前記第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度よりも高いことを特徴としている。
【0010】
本発明の態様２の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板の前記回路層とは反対側の面に形成された金属層が、第３銅層と第４銅層とが積層された構造とされていることから、金属層全体の厚さを確保することができ、さらなる放熱性の向上を図ることが可能となる。また、前記金属層が第２接合層を介してヒートシンクと接合した場合、第２接合層への熱応力も低減することが可能となる。
また、セラミックス基板側に配設された第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度が２００℃以下とされているので、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に加わる熱応力を緩和することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
また、第４銅層を構成する第４銅板の半軟化温度が、第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度よりも高いことから、冷熱サイクルを負荷した際に金属層の表面が変形することを抑制できる。
また、セラミックス基板側に配設された第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度が２００℃以下とされているので、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に加わる熱応力を緩和することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
また、第４銅層を構成する第４銅板の半軟化温度が、第３銅層を構成する第３銅板の半軟化温度よりも高いことから、冷熱サイクルを負荷した際に金属層の表面が変形することを抑制できる。
【0011】
本発明の態様３の半導体デバイスは、態様１または態様２の絶縁回路基板と、前記回路層上に搭載された半導体素子と、を備えていることを特徴とする。
本発明の態様３の半導体デバイスによれば、態様１または態様２の絶縁回路基板を備えているので、半導体素子から生じる熱を効率的に放熱することができるとともに、冷熱サイクルによる回路層表面の変形やセラミックス基板の割れを抑制でき、高温環境下で使用される場合など厳しい冷熱サイクルが負荷される用途であっても、安定して使用することができる。
本発明の態様３の半導体デバイスによれば、態様１または態様２の絶縁回路基板を備えているので、半導体素子から生じる熱を効率的に放熱することができるとともに、冷熱サイクルによる回路層表面の変形やセラミックス基板の割れを抑制でき、高温環境下で使用される場合など厳しい冷熱サイクルが負荷される用途であっても、安定して使用することができる。
【0012】
本発明の態様４の半導体デバイスは、態様３の半導体デバイスにおいて、前記絶縁回路基板および前記半導体素子が、絶縁樹脂によって樹脂封止されていることを特徴としている。
本発明の態様４の半導体デバイスによれば、前記絶縁回路基板および前記半導体素子が、絶縁樹脂によって樹脂封止されていることから、冷熱サイクル負荷時おける熱応力をさらに抑制することができ、回路層表面の変形やセラミックス基板の割れをさらに抑制できる。また、半導体素子と他の部材との電気的な短絡を抑制でき、安定して使用することができる。さらには、半導体素子と絶縁回路基板との接合信頼性も高くすることができる。
本発明の態様４の半導体デバイスによれば、前記絶縁回路基板および前記半導体素子が、絶縁樹脂によって樹脂封止されていることから、冷熱サイクル負荷時おける熱応力をさらに抑制することができ、回路層表面の変形やセラミックス基板の割れをさらに抑制できる。また、半導体素子と他の部材との電気的な短絡を抑制でき、安定して使用することができる。さらには、半導体素子と絶縁回路基板との接合信頼性も高くすることができる。
【0013】
本発明の態様５の絶縁回路基板の製造方法は、態様１または態様２の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、前記セラミックス基板に前記第１銅板を接合して前記第１銅層を形成する第１銅層形成工程と、前記第１銅層に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程と、を有しており、前記第１銅層形成工程と前記第２銅層形成工程を同時に実施することを特徴とする。
【0014】
本発明の態様５の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板に前記第１銅板を接合して前記第１銅層を形成する第１銅層形成工程と、前記第１銅層に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程と、を同時に実施していることから、製造工程が少なく、回路層が２層構造とされた絶縁回路基板を効率的に製造することが可能となる。
【0015】
本発明の態様６の絶縁回路基板の製造方法は、態様２の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、前記セラミックス基板に前記第３銅板を接合して前記第３銅層を形成する第３銅層形成工程と、前記第３銅層に前記第４銅板を接合して前記第４銅層を形成する第４銅層形成工程と、を有しており、前記第３銅層形成工程と前記第４銅層形成工程を同時に実施することを特徴とする。
【0016】
本発明の態様６の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板に前記第３銅板を接合して前記第３銅層を形成する第３銅層形成工程と、前記第３銅層に前記第４銅板を接合して前記第４銅層を形成する第４銅層形成工程と、を同時に実施していることから、製造工程が少なく、金属層が２層構造とされた絶縁回路基板を効率的に製造することが可能となる。
【0017】
本発明の態様７の絶縁回路基板の製造方法は、態様１または態様２の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、前記セラミックス基板に前記第１銅板を接合して前記第１銅層を形成する第１銅層形成工程と、前記第１銅層に回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、前記回路パターンを形成した前記第１銅層のうち、少なくとも半導体素子が搭載される素子搭載領域に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程と、を有することを特徴とする。
【0018】
本発明の態様７の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記セラミックス基板に前記第１銅板を接合して前記第１銅層を形成する第１銅層形成工程と、前記第１銅層に回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、を備えているので、回路パターン形成工程において、第１銅層に対してのみ回路パターンを形成することから、第１銅層を薄くすることで回路パターンを精度良く、かつ、効率的に形成することが可能となる。
また、前記回路パターンを形成した前記第１銅層のうち、少なくとも半導体素子が搭載される素子搭載領域に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程を有しているので、熱源となる半導体素子が搭載される素子搭載領域の厚さが確保され、放熱性に優れた絶縁回路基板を製造することができる。
また、前記回路パターンを形成した前記第１銅層のうち、少なくとも半導体素子が搭載される素子搭載領域に前記第２銅板を接合して前記第２銅層を形成する第２銅層形成工程を有しているので、熱源となる半導体素子が搭載される素子搭載領域の厚さが確保され、放熱性に優れた絶縁回路基板を製造することができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途でも使用可能な冷熱サイクル信頼性を有するとともに、放熱性に優れた絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体デバイス、および、絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の第一の実施形態に係る絶縁回路基板を備えた半導体デバイスの概略説明図である。
【図2】本発明の第一の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法のフロー図である。
【図3】本発明の第一の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の説明図である。
【図4】本発明の第二の実施形態に係る絶縁回路基板を備えた半導体デバイスの概略説明図である。
【図5】本発明の第二の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法のフロー図である。
【図6】本発明の第二の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
【0022】
図１に示す半導体デバイス１は、本実施形態である絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に第１接合層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に接合された端子材５と、絶縁回路基板１０の下側に第２接合層７を介して接合されたヒートシンク６と、絶縁樹脂からなる封止樹脂８と、を備えている。
【0023】
半導体素子３は、Ｓｉ、ＳｉＣ等の半導体材料で構成されている。なお、本実施形態においては、半導体素子３がパワー半導体とされており、半導体デバイス１はパワーモジュールとされている。
絶縁回路基板１０と半導体素子３との間に介在する第１接合層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）、または、銀焼結材、銅焼結材とされている。
絶縁回路基板１０と半導体素子３との間に介在する第１接合層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）、または、銀焼結材、銅焼結材とされている。
【0024】
端子材５は、導電性に優れた金属で構成されており、本実施形態では、銅又は銅合金からなるリードフレーム材とされている。なお、アルミニウムワイヤ、銅ワイヤなども使用可能である。
【0025】
ヒートシンク６は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク６は、銅又は銅合金、もしくはアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成された放熱板とされている。
絶縁回路基板１０とヒートシンク６との間に介在する第２接合層７は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）、または、銀焼結材、銅焼結材とされている。
絶縁回路基板１０とヒートシンク６との間に介在する第２接合層７は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）、または、銀焼結材、銅焼結材とされている。
【0026】
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２０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３０と、を備えている。
【0027】
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。
【0028】
回路層２０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設された第１銅層２１と、この第１銅層２１の一方の面に積層された第２銅層２２と、を有している。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、回路層２０には、回路パターンが形成されており、半導体素子３が搭載される素子搭載領域と、端子材５が接合される端子接合領域とが形成されている。
そして、本実施形態においては、図１に示すように、第２銅層２２は、半導体素子３が搭載される素子搭載領域に形成されており、端子材５が接合される端子接合領域には形成されていない。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、回路層２０には、回路パターンが形成されており、半導体素子３が搭載される素子搭載領域と、端子材５が接合される端子接合領域とが形成されている。
そして、本実施形態においては、図１に示すように、第２銅層２２は、半導体素子３が搭載される素子搭載領域に形成されており、端子材５が接合される端子接合領域には形成されていない。
【0029】
回路層２０を構成する第１銅層２１は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、第１銅板４１が接合されることにより形成されている。
また、第２銅層２２は、第１銅層２１に第２銅板４２が接合されることによって形成されている。
そして、本実施形態においては、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度が２００℃以下とされている。また、第２銅層２２を構成する第２銅板４２の半軟化温度が、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度よりも高くなるように構成されている。
なお、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度は、１８０℃以下あることがより望ましい。また、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度は、８０℃以上であってもよい。また、基板に要求される冷熱サイクルの上限温度よりも低いことが好ましい。
また、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の質別には特に指定はないが、加工硬化が少ない１／４Ｈ材、１／８Ｈ材、Ｏ材であることが好ましい。
また、第２銅層２２は、第１銅層２１に第２銅板４２が接合されることによって形成されている。
そして、本実施形態においては、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度が２００℃以下とされている。また、第２銅層２２を構成する第２銅板４２の半軟化温度が、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度よりも高くなるように構成されている。
なお、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度は、１８０℃以下あることがより望ましい。また、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度は、８０℃以上であってもよい。また、基板に要求される冷熱サイクルの上限温度よりも低いことが好ましい。
また、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の質別には特に指定はないが、加工硬化が少ない１／４Ｈ材、１／８Ｈ材、Ｏ材であることが好ましい。
【0030】
なお、銅板の半軟化温度は次のように測定できる。
他の部材と接合前の銅板であれば、銅板を焼鈍して、引張試験によって０．２％耐力を測定した際の焼鈍前の０．２％耐力と、完全に軟化したとき（３０分焼鈍後にそれ以上焼鈍温度を上げても０．２％耐力が変化しない状態を、完全に軟化したとみなす）の０．２％耐力との間の、中間点の０．２％耐力に相当する焼鈍温度を半軟化温度とする。
また、銅とセラミックスとの接合後の材料（回路基板）であれば、回路基板サンプルを気相中で－４０℃～１５０℃の冷熱サイクルを３０００回負荷した後に、例えば、５℃間隔の各温度で熱処理（焼鈍）を行い、切断し断面を出した状態で、降伏応力又はナノインデンテーション硬さ（硬度）をナノインデンテーションにて測定する。なお、単に研磨した状態では、研磨面が加工の影響によりＣｕの研磨面表層が若干硬化している。ナノインデンテーションでは極表層の評価であることから、表層の硬化層を排除するため、更にＣＰ（クロスセクションポリッシャー）加工した面を評価している。表層の硬化層を排除するためには、薬品による化学研磨でもよい。降伏応力又は硬度の測定は、活性金属層や、ろう材層がある場合はそれを銅層とし、活性金属の酸化物や窒化物がある場合はそれをセラミックス層として、銅層とセラミックス層の界面から銅層側に１００μｍ離れた点（半軟化温度が低い銅に対応）における断面と、セラミックから最も離れた銅層（回路上）の場所からセラミックス側に１００μｍ離れた点（半軟化温度が高い銅に対応）における断面とで測定を行う。このように測定し、冷熱サイクル試験後であって、焼鈍前の降伏応力又は硬度と、完全に軟化したときの降伏応力又は硬度との間の、中間点の降伏応力又は硬度に相当する焼鈍温度を半軟化温度とする。
他の部材と接合前の銅板であれば、銅板を焼鈍して、引張試験によって０．２％耐力を測定した際の焼鈍前の０．２％耐力と、完全に軟化したとき（３０分焼鈍後にそれ以上焼鈍温度を上げても０．２％耐力が変化しない状態を、完全に軟化したとみなす）の０．２％耐力との間の、中間点の０．２％耐力に相当する焼鈍温度を半軟化温度とする。
また、銅とセラミックスとの接合後の材料（回路基板）であれば、回路基板サンプルを気相中で－４０℃～１５０℃の冷熱サイクルを３０００回負荷した後に、例えば、５℃間隔の各温度で熱処理（焼鈍）を行い、切断し断面を出した状態で、降伏応力又はナノインデンテーション硬さ（硬度）をナノインデンテーションにて測定する。なお、単に研磨した状態では、研磨面が加工の影響によりＣｕの研磨面表層が若干硬化している。ナノインデンテーションでは極表層の評価であることから、表層の硬化層を排除するため、更にＣＰ（クロスセクションポリッシャー）加工した面を評価している。表層の硬化層を排除するためには、薬品による化学研磨でもよい。降伏応力又は硬度の測定は、活性金属層や、ろう材層がある場合はそれを銅層とし、活性金属の酸化物や窒化物がある場合はそれをセラミックス層として、銅層とセラミックス層の界面から銅層側に１００μｍ離れた点（半軟化温度が低い銅に対応）における断面と、セラミックから最も離れた銅層（回路上）の場所からセラミックス側に１００μｍ離れた点（半軟化温度が高い銅に対応）における断面とで測定を行う。このように測定し、冷熱サイクル試験後であって、焼鈍前の降伏応力又は硬度と、完全に軟化したときの降伏応力又は硬度との間の、中間点の降伏応力又は硬度に相当する焼鈍温度を半軟化温度とする。
【0031】
ここで、軟化温度が２００℃以下とされた第１銅層２１を構成する第１銅板４１は、例えば、純度が９９．９９９９ｍａｓｓ％以上の６ＮＣｕや、純度が９９．９６ｍａｓｓ％以上の無酸素銅にイットリウム、スカンジウム、サマリウム、ランタン、セリウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ジルコニウム、ハフニウム、ネオジム、タンタル、カルシウム、マンガンといった元素を少なくとも１種または２種以上微量添加した銅材を用いることができる。
また、第２銅層２２を構成する第２銅板４２は、第１銅板４１よりも半軟化温度が高い銅または銅合金で構成されたものとされている。
また、第２銅層２２を構成する第２銅板４２は、第１銅板４１よりも半軟化温度が高い銅または銅合金で構成されたものとされている。
【0032】
第１銅層２１（第１銅板４１）と第２銅層２２（第２銅板４２）は、固相拡散接合によって直接接合されている。
また、回路層２０における第１銅層２１の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
一方、回路層２０における第２銅層２２の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
また、回路層２０における第１銅層２１の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
一方、回路層２０における第２銅層２２の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
【0033】
金属層３０は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、銅板５０が接合されることにより形成されている。
ここで、金属層３０の厚さは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
ここで、金属層３０の厚さは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
【0034】
【0035】
（第１銅層および金属層形成工程Ｓ０１）
図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、第１銅層２１となる第１銅板４１を、接合材４６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、金属層３０となる銅板５０を、接合材５６を介して積層する。
なお、本実施形態では、接合材４６、５６として、ＣｕとＴｉを含むＡｇ合金からなるろう材（例えば、Ａｇ－２７．４質量％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉろう材）を用いている。
図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、第１銅層２１となる第１銅板４１を、接合材４６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、金属層３０となる銅板５０を、接合材５６を介して積層する。
なお、本実施形態では、接合材４６、５６として、ＣｕとＴｉを含むＡｇ合金からなるろう材（例えば、Ａｇ－２７．４質量％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉろう材）を用いている。
【0036】
そして、積層方向に加圧（圧力０．１～１００ｋｇｆ／ｃｍ２（０．０１～９．８ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し、積層方向に加圧して加熱することにより、第１銅板４１とセラミックス基板１１を接合して第１銅層２１を形成するとともに、銅板５０とセラミックス基板１１を接合して金属層３０を形成する。本実施形態においては、第１銅層形成工程Ｓ１１、金属層形成工程Ｓ１２を同時に実施している。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は８００℃以上９３０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上１２０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は８００℃以上９３０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上１２０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【0037】
（回路パターン形成工程Ｓ０２）
次に、第１銅層２１に回路パターンを形成する。本実施形態では、エッチング法によって第１銅層２１に回路パターンを形成している。なお、本実施形態においては、第１銅層２１の厚さを０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内と比較的薄く形成していることから、エッチングによって微細パターンを形成することができる。また、回路パターンの形成を効率良く、かつ、精度良く実施することが可能となる。
次に、第１銅層２１に回路パターンを形成する。本実施形態では、エッチング法によって第１銅層２１に回路パターンを形成している。なお、本実施形態においては、第１銅層２１の厚さを０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内と比較的薄く形成していることから、エッチングによって微細パターンを形成することができる。また、回路パターンの形成を効率良く、かつ、精度良く実施することが可能となる。
【0038】
（第２銅層形成工程Ｓ０３）
次に、第１銅層２１の一方の面側（図３において上側）に、第２銅層２２となる第２銅板４２を積層する。なお、本実施形態においては、半導体素子３が搭載される領域に第２銅板４２を積層する。
なお、第１銅層２１、第２銅板４２のそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
次に、第１銅層２１の一方の面側（図３において上側）に、第２銅層２２となる第２銅板４２を積層する。なお、本実施形態においては、半導体素子３が搭載される領域に第２銅板４２を積層する。
なお、第１銅層２１、第２銅板４２のそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
【0039】
そして、上述の積層体を、積層方向に加圧（圧力１～１００ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１～９．８ＭＰａ））するとともに加熱することにより、第１銅層２１と第２銅板４２を固相拡散接合する。
ここで、加熱温度は、８００℃以上９３０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上１２０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
ここで、加熱温度は、８００℃以上９３０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上１２０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【0040】
以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
【0041】
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次いで、回路層２０の素子搭載領域（第２銅層２２）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
次いで、回路層２０の素子搭載領域（第２銅層２２）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
【0042】
（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
次に、金属層３０とヒートシンク６とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
次に、金属層３０とヒートシンク６とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
【0043】
（端子材接合工程Ｓ０６）
次に、回路層２０の端子接合領域に、端子材５を超音波接合する。
次に、回路層２０の端子接合領域に、端子材５を超音波接合する。
【0044】
（樹脂封止工程Ｓ０７）
次いで、半導体素子３、絶縁回路基板１０、ヒートシンク６を樹脂封止する。このとき、端子材５の一端は、封止樹脂８の外側に配置される。
次いで、半導体素子３、絶縁回路基板１０、ヒートシンク６を樹脂封止する。このとき、端子材５の一端は、封止樹脂８の外側に配置される。
【0045】
上記のようにして、本実施形態である半導体デバイス１が製造される。
【0046】
以上のような構成とされた本実施形態に係る絶縁回路基板１０によれば、回路層２０が第１銅層２１と第２銅層２２とが積層された構造とされていることから、回路層２０全体の厚さを確保することができ、十分な放熱性を確保することが可能となる。
セラミックス基板１１側に配設された第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度が２００℃以下とされているので、第１銅層２１が変形し易く、冷熱サイクル時に再結晶化が起こり、加工硬化し難い。そのため、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板１１に加わる熱応力を緩和することができ、セラミックス基板１１の割れを抑制することができる。
セラミックス基板１１側に配設された第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度が２００℃以下とされているので、第１銅層２１が変形し易く、冷熱サイクル時に再結晶化が起こり、加工硬化し難い。そのため、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板１１に加わる熱応力を緩和することができ、セラミックス基板１１の割れを抑制することができる。
【0047】
また、第２銅層２２を構成する第２銅板４２の半軟化温度が、第１銅層２１を構成する第１銅板４１の半軟化温度よりも高いことから、冷熱サイクルを負荷した際に回路層２０の表面が変形することを抑制でき、半導体素子３との接合性の低下を抑制することができる。
よって、高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途であっても、安定して使用することが可能となる。
よって、高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途であっても、安定して使用することが可能となる。
【0048】
本実施形態の半導体デバイス１は、本実施形態である絶縁回路基板１０と、回路層２０上に搭載された半導体素子３と、を備えた構造とされているので、半導体素子３から生じる熱を効率的に放熱することができるとともに、冷熱サイクルによる回路層２０表面の変形やセラミックス基板１１の割れを抑制でき、高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途であっても、安定して使用することができる。
【0049】
本実施形態の半導体デバイス１において、絶縁回路基板１０および半導体素子３が絶縁樹脂によって樹脂封止されている場合には、冷熱サイクル負荷時おける熱応力をさらに抑制することができ、回路層２０の表面の変形やセラミックス基板１１の割れをさらに抑制できる。また、半導体素子３や端子材５が他の部材と短絡することを抑制できる。
【0050】
本実施形態の絶縁回路基板１０の製造方法は、セラミックス基板１１に第１銅板４１を接合して第１銅層２１を形成するとともに、セラミックス基板１１に第３銅板５１を接合して第３銅層３１を形成する第１銅層および金属層形成工程Ｓ０１と、第１銅層２１に回路パターンを形成する回路パターン形成工程Ｓ０２と、を備えているので、回路パターン形成工程Ｓ０２において、第１銅層２１に対してのみ回路パターンを形成することから、回路パターンを精度良く、かつ、効率的に形成することが可能となる。
また、第２銅層形成工程Ｓ０３において、回路パターンを形成した第１銅層２１のうち半導体素子３が搭載される素子搭載領域に第２銅板５２を接合して第２銅層２２を形成しているので、熱源となる半導体素子３が搭載される素子搭載領域の厚さが確保され、放熱性に優れた絶縁回路基板１０を製造することができる。
また、第２銅層形成工程Ｓ０３において、回路パターンを形成した第１銅層２１のうち半導体素子３が搭載される素子搭載領域に第２銅板５２を接合して第２銅層２２を形成しているので、熱源となる半導体素子３が搭載される素子搭載領域の厚さが確保され、放熱性に優れた絶縁回路基板１０を製造することができる。
【0051】
（第二の実施形態）
次に、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。なお、第一実施形態と同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図４に、本発明の第二実施形態である絶縁回路基板１１０、及び、この絶縁回路基板１１０を用いた半導体デバイス１０１を示す。
次に、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。なお、第一実施形態と同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図４に、本発明の第二実施形態である絶縁回路基板１１０、及び、この絶縁回路基板１１０を用いた半導体デバイス１０１を示す。
【0052】
図４に示す半導体デバイス１０１は、本実施形態である絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の一方の面（図４において上面）に第１接合層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１１０の下側に第２接合層７を介して接合されたヒートシンク６と、を備えている。
【0053】
そして、本実施形態である絶縁回路基板１１０は、図４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４において上面）に配設された回路層１２０と、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に配設された金属層１３０と、を備えている。
【0054】
回路層１２０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設された第１銅層１２１と、この第１銅層１２１の一方の面に積層された第２銅層１２２と、を有している。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、回路層１２０には、回路パターンが形成されている。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、回路層１２０には、回路パターンが形成されている。
【0055】
回路層１２０を構成する第１銅層１２１は、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、第１銅板１４１が接合されることにより形成されている。
また、第２銅層１２２は、第１銅層１２１に第２銅板１４２が接合されることによって形成されている。
そして、本実施形態においては、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の半軟化温度が２００℃以下とされている。また、第２銅層１２２を構成する第２銅板１４２の半軟化温度が、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の半軟化温度よりも高くなるように構成されている。
なお、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の半軟化温度は、１８０℃以下あることがより望ましい。また、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の半軟化温度は、８０℃以上であってもよい。
また、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の質別には特に指定はないが、加工硬化が少ない１／４Ｈ材、１／８Ｈ材、Ｏ材であることが好ましい。
また、第２銅層１２２は、第１銅層１２１に第２銅板１４２が接合されることによって形成されている。
そして、本実施形態においては、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の半軟化温度が２００℃以下とされている。また、第２銅層１２２を構成する第２銅板１４２の半軟化温度が、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の半軟化温度よりも高くなるように構成されている。
なお、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の半軟化温度は、１８０℃以下あることがより望ましい。また、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の半軟化温度は、８０℃以上であってもよい。
また、第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１の質別には特に指定はないが、加工硬化が少ない１／４Ｈ材、１／８Ｈ材、Ｏ材であることが好ましい。
【0056】
ここで、軟化温度が２００℃以下とされた第１銅層１２１を構成する第１銅板１４１は、例えば、純度が９９．９９９９ｍａｓｓ％以上の６ＮＣｕや、純度が９９．９６ｍａｓｓ％以上の無酸素銅にイットリウム、スカンジウム、サマリウム、ランタン、セリウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ジルコニウム、ハフニウム、ネオジム、タンタル、カルシウム、マンガンといった元素を少なくとも１種または２種以上微量添加した銅材を用いることができる。
また、第２銅層１２２を構成する第２銅板１４２は、第１銅板１４１よりも半軟化温度が高い銅または銅合金で構成されたものとされている。
また、第２銅層１２２を構成する第２銅板１４２は、第１銅板１４１よりも半軟化温度が高い銅または銅合金で構成されたものとされている。
【0057】
第１銅層１２１（第１銅板１４１）と第２銅層１２２（第２銅板１４２）は、固相拡散接合によって直接接合されている。
また、回路層１２０における第１銅層１２１の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
一方、回路層１２０における第２銅層１２２の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
また、回路層１２０における第１銅層１２１の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
一方、回路層１２０における第２銅層１２２の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
【0058】
金属層１３０は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設された第３銅層１３１と、この第３銅層１３１の他方の面に積層された第４銅層１３２と、を有している。
金属層１３０を構成する第３銅層１３１は、図６に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、第３銅板１５１が接合されることにより形成されている。
また、第４銅層１３２は、第３銅層１３１に第４銅板１５２が接合されることによって形成されている。
そして、本実施形態においては、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度が２００℃以下とされている。また、第４銅層１３２を構成する第４銅板１５２の半軟化温度が、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度よりも高くなるように構成されている。
なお、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度は、１８０℃以下あることがより望ましい。また、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度は、８０℃以上であってもよい。
また、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の質別には特に指定はないが、加工硬化が少ない１／４Ｈ材、１／８Ｈ材、Ｏ材であることが好ましい。
金属層１３０を構成する第３銅層１３１は、図６に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、第３銅板１５１が接合されることにより形成されている。
また、第４銅層１３２は、第３銅層１３１に第４銅板１５２が接合されることによって形成されている。
そして、本実施形態においては、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度が２００℃以下とされている。また、第４銅層１３２を構成する第４銅板１５２の半軟化温度が、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度よりも高くなるように構成されている。
なお、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度は、１８０℃以下あることがより望ましい。また、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度は、８０℃以上であってもよい。
また、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の質別には特に指定はないが、加工硬化が少ない１／４Ｈ材、１／８Ｈ材、Ｏ材であることが好ましい。
【0059】
ここで、軟化温度が２００℃以下とされた第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１は、例えば、純度が９９．９９９９ｍａｓｓ％以上の６ＮＣｕや、純度が９９．９６ｍａｓｓ％以上の無酸素銅にイットリウム、スカンジウム、サマリウム、ランタン、セリウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、ジルコニウム、ハフニウム、ネオジム、タンタル、カルシウム、マンガンといった元素を少なくとも１種または２種以上微量添加した銅材を用いることができる。
また、第４銅層１３２を構成する第４銅板１５２は、第３銅板１５１よりも半軟化温度が高い銅または銅合金で構成されている。
また、第４銅層１３２を構成する第４銅板１５２は、第３銅板１５１よりも半軟化温度が高い銅または銅合金で構成されている。
【0060】
第３銅層１３１（第３銅板１５１）と第４銅層１３２（第４銅板１５２）は、固相拡散接合によって直接接合されている。
また、金属層１３０における第３銅層１３１の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
一方、金属層１３０における第４銅層１３２の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
また、金属層１３０における第３銅層１３１の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
一方、金属層１３０における第４銅層１３２の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
【0061】
【0062】
（第１銅板および第２銅板準備工程Ｓ１０１）
まず、第１銅板１４１および第２銅板１４２として、回路層１２０の回路パターンを構成する形状に加工したものを準備する。本実施形態では、銅板に対して打ち抜き加工することにより、回路パターンを構成する第１銅板１４１および第２銅板１４２を準備する。
まず、第１銅板１４１および第２銅板１４２として、回路層１２０の回路パターンを構成する形状に加工したものを準備する。本実施形態では、銅板に対して打ち抜き加工することにより、回路パターンを構成する第１銅板１４１および第２銅板１４２を準備する。
【0063】
（回路層および金属層形成工程Ｓ１０２）
図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、第１銅層１２１となる第１銅板１４１を、接合材４６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、第３銅層１３１となる第３銅板１５１を、接合材５６を介して積層する。なお、第１銅板１４１は、回路パターンを形成するように配置する。
なお、本実施形態では、接合材４６、５６として、ＣｕとＴｉを含むＡｇ合金からなるろう材（例えば、Ａｇ－２７．４質量％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉろう材）を用いている。
図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、第１銅層１２１となる第１銅板１４１を、接合材４６を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、第３銅層１３１となる第３銅板１５１を、接合材５６を介して積層する。なお、第１銅板１４１は、回路パターンを形成するように配置する。
なお、本実施形態では、接合材４６、５６として、ＣｕとＴｉを含むＡｇ合金からなるろう材（例えば、Ａｇ－２７．４質量％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉろう材）を用いている。
【0064】
さらに、回路パターンを形成するように配置された第１銅板１４１の一方の面側（図６において上側）に、第２銅層１２２となる第２銅板１４２を積層する。
また、第３銅板１５１の他方の面側（図６において下側）に、第４銅層１３２となる第４銅板１５２を積層する。
なお、第１銅板１４１，第２銅板１４２、第３銅板１５１、第４銅板１５２の、それぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
また、第３銅板１５１の他方の面側（図６において下側）に、第４銅層１３２となる第４銅板１５２を積層する。
なお、第１銅板１４１，第２銅板１４２、第３銅板１５１、第４銅板１５２の、それぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
【0065】
そして、積層方向に加圧（圧力１～１００ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１～９．８ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し、積層方向に加圧して加熱することにより、第１銅板１４１とセラミックス基板１１を接合して第１銅層１２１を形成するとともに、第３銅板１５１とセラミックス基板１１を接合して第３銅層１３１を形成する。
さらに、第１銅層１２１（第１銅板１４１）と第２銅板１４２を固相拡散接合して第２銅層１２２を形成するとともに、第３銅層１３１（第３銅板１５１）と第４銅板１５２を固相拡散接合して第４銅層１３２を形成する。
すなわち、本実施形態においては、第１銅層形成工程Ｓ１２１、第２銅層形成工程Ｓ１２２、第３銅層形成工程Ｓ１２３、第４銅層形成工程Ｓ１２４を同時に実施しているのである。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は８００℃以上９３０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上１２０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
さらに、第１銅層１２１（第１銅板１４１）と第２銅板１４２を固相拡散接合して第２銅層１２２を形成するとともに、第３銅層１３１（第３銅板１５１）と第４銅板１５２を固相拡散接合して第４銅層１３２を形成する。
すなわち、本実施形態においては、第１銅層形成工程Ｓ１２１、第２銅層形成工程Ｓ１２２、第３銅層形成工程Ｓ１２３、第４銅層形成工程Ｓ１２４を同時に実施しているのである。
ここで、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は８００℃以上９３０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は５分以上１２０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【0066】
以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造される。
【0067】
（ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）
次に、金属層１３０の第４銅層１３２とヒートシンク６とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
次に、金属層１３０の第４銅層１３２とヒートシンク６とをはんだ材を介して積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
【0068】
（半導体素子接合工程Ｓ１０６）
次いで、回路層１２０に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
次いで、回路層１２０に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
【0069】
上記のようにして、本実施形態である半導体デバイス１０１が製造される。
【0070】
以上のような構成とされた本実施形態に係る絶縁回路基板１１０によれば、第一実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
また、本実施形態の絶縁回路基板１１０において、セラミックス基板１１の回路層１２０とは反対側の面に金属層１３０が形成されており、金属層１３０がセラミックス基板１１側に配設された第３銅層１３１と、第３銅層１３１に積層された第４銅層１３２と、を有している場合には、金属層１３０全体の厚さを確保することが可能となり、さらなる放熱性の向上を図ることができる。
また、本実施形態の絶縁回路基板１１０において、セラミックス基板１１の回路層１２０とは反対側の面に金属層１３０が形成されており、金属層１３０がセラミックス基板１１側に配設された第３銅層１３１と、第３銅層１３１に積層された第４銅層１３２と、を有している場合には、金属層１３０全体の厚さを確保することが可能となり、さらなる放熱性の向上を図ることができる。
【0071】
また、セラミックス基板１１側に配設された第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度が２００℃以下とされているので、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板１１に加わる熱応力を緩和することができ、セラミックス基板１１の割れを抑制することができる。
さらに、第４銅層１３２を構成する第４銅板１５２の半軟化温度が、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度よりも高いことから、冷熱サイクルを負荷した際に金属層３０の表面が変形することを抑制でき、ヒートシンク６との接合性の低下を抑制することができる。
よって、高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途であっても、安定して使用することが可能となる。
さらに、第４銅層１３２を構成する第４銅板１５２の半軟化温度が、第３銅層１３１を構成する第３銅板１５１の半軟化温度よりも高いことから、冷熱サイクルを負荷した際に金属層３０の表面が変形することを抑制でき、ヒートシンク６との接合性の低下を抑制することができる。
よって、高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途であっても、安定して使用することが可能となる。
【0072】
本実施形態の絶縁回路基板１１０の製造方法においては、セラミックス基板１１に第１銅板１４１を接合して第１銅層１２１を形成する第１銅層形成工程Ｓ１１１と、第１銅層１２１に第２銅板１４２を接合して第２銅層１２２を形成する第２銅層形成工程１１２と、セラミックス基板１１に第３銅板１５１を接合して第３銅層１３１を形成する第３銅層形成工程Ｓ１１３と、第３銅層１３１に第４銅板１５２を接合して第４銅層１３２を形成する第４銅層形成工程Ｓ１１４と、を同時に実施していることから、製造工程が少なく、回路層１２０および金属層１３０がそれぞれ２層構造とされた絶縁回路基板１１０を効率的に製造することが可能となる。
【0073】
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、半導体デバイスを、パワー半導体を搭載したパワーモジュールとして説明したが、これに限定されることはなく、本実施形態である絶縁回路基板を有していれば、他の半導体デバイスであってもよい。
例えば、本実施形態では、半導体デバイスを、パワー半導体を搭載したパワーモジュールとして説明したが、これに限定されることはなく、本実施形態である絶縁回路基板を有していれば、他の半導体デバイスであってもよい。
【実施例0074】
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。
【0075】
まず、窒化珪素からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍ）を準備した。
回路層（第１銅層および第２銅層）および金属層（第３銅層および第４銅層）を構成する銅板として、表１に示す銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さは表１に記載）を準備した。
ここで、表１において、「６ＮＣｕ」は純度９９．９９９９ｍａｓｓ％以上の純銅、「ＴＰＣ」はタフピッチ銅、「ＯＦＣ」は無酸素銅、「Ｃｕ１」は純度９９．９６ｍａｓｓ％以上の無酸素銅にイットリウム（Ｙ）を９ｍｏｌｐｐｍ添加したものである。
回路層（第１銅層および第２銅層）および金属層（第３銅層および第４銅層）を構成する銅板として、表１に示す銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さは表１に記載）を準備した。
ここで、表１において、「６ＮＣｕ」は純度９９．９９９９ｍａｓｓ％以上の純銅、「ＴＰＣ」はタフピッチ銅、「ＯＦＣ」は無酸素銅、「Ｃｕ１」は純度９９．９６ｍａｓｓ％以上の無酸素銅にイットリウム（Ｙ）を９ｍｏｌｐｐｍ添加したものである。
【0076】
そして、表１に示すように、セラミックス基板に銅板を接合するとともに、銅板同士を接合することにより、本発明例１～８、比較例１～３の絶縁回路基板を作製した。
セラミックス基板と銅板との接合は、Ａｇ－２７．４ｍａｓｓ％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉからなるろう材を用いて接合した。また、銅板同士の接合は、固相拡散接合とした。
セラミックス基板と銅板との接合は、Ａｇ－２７．４ｍａｓｓ％Ｃｕ－２．０質量％Ｔｉからなるろう材を用いて接合した。また、銅板同士の接合は、固相拡散接合とした。
【0077】
ここで、表１の接合方法の欄の「１」は、セラミックス基板と銅板との接合、銅板同士の接合を同時に実施した。接合条件は、真空雰囲気１０－５Ｐａ、加圧荷重１ＭＰａ、加熱温度９５０℃、加熱時間での保持時間を１時間とした。
表１の接合方法の欄の「２」は、セラミックス基板と銅板とを接合し、その後、銅板と銅板を固相拡散接合した。セラミックス基板と銅板とを接合条件は、真空雰囲気１０－５Ｐａ、加圧荷重１ＭＰａ、加熱温度８００℃、加熱時間での保持時間を１時間とした。銅板と銅板を固相拡散接合の接合条件は、真空雰囲気１０－５Ｐａ、加圧荷重１ＭＰａ、加熱温度９５０℃、加熱時間での保持時間を１時間とした。
表１の接合方法の欄の「２」は、セラミックス基板と銅板とを接合し、その後、銅板と銅板を固相拡散接合した。セラミックス基板と銅板とを接合条件は、真空雰囲気１０－５Ｐａ、加圧荷重１ＭＰａ、加熱温度８００℃、加熱時間での保持時間を１時間とした。銅板と銅板を固相拡散接合の接合条件は、真空雰囲気１０－５Ｐａ、加圧荷重１ＭＰａ、加熱温度９５０℃、加熱時間での保持時間を１時間とした。
【0078】
作製した本発明例１～８、比較例１～３の絶縁回路基板を以下のように評価した。評価結果を表１に示す。
【0079】
（冷熱サイクル信頼性）
上述の絶縁回路基板に対して、液槽（フロリナート：スリーエムジャパン社製）で、－４５℃×５分←→１７５℃×５分の冷熱サイクルを実施した。そして、冷熱サイクル５００回毎にセラミックス基板の割れの有無を確認し、割れ発生時点の冷熱サイクル数（表１においては、「セラミックス基板の割れ発生回数」と記載）を確認した。
上述の絶縁回路基板に対して、液槽（フロリナート：スリーエムジャパン社製）で、－４５℃×５分←→１７５℃×５分の冷熱サイクルを実施した。そして、冷熱サイクル５００回毎にセラミックス基板の割れの有無を確認し、割れ発生時点の冷熱サイクル数（表１においては、「セラミックス基板の割れ発生回数」と記載）を確認した。
【0080】
【表1】
【0081】
比較例１においては、回路層および金属層が半軟化温度２９０℃である無酸素銅の１層構造とされており、冷熱サイクル５００～１０００回でセラミックス基板に割れが発生したが、軽微であり１０００回近傍で発生したものと推測される。
比較例２においては、回路層および金属層が半軟化温度２３０℃であるタフピッチ銅の１層構造とされており、冷熱サイクル５００～１０００回でセラミックス基板に割れが発生した。比較例１と比べて割れが大きく、５００回近傍で発生したものと推測される。
比較例２においては、回路層および金属層が半軟化温度２３０℃であるタフピッチ銅の１層構造とされており、冷熱サイクル５００～１０００回でセラミックス基板に割れが発生した。比較例１と比べて割れが大きく、５００回近傍で発生したものと推測される。
【0082】
比較例３においては、セラミックス基板側の第１銅層および第３銅層が半軟化温度２９０℃である無酸素銅とされ、第１銅層に積層される第２銅層および第３銅層に積層される第４銅層が半軟化温度１７５℃であるＣｕ１とされており、冷熱サイクル５００～１０００回でセラミックス基板に割れが発生した。比較例１と同様に、割れが軽微であることから１０００回近傍で発生したものと推測される。
【0083】
これに対して、本発明例１～７においては、セラミックス基板側の第１銅層および第３銅層が半軟化温度２００℃以下である銅板で構成され、第１銅層に積層される第２銅層および第３銅層に積層される第４銅層の半軟化温度が、第１銅層および第３銅層を構成する銅板の半軟化温度よりも高くされており、冷熱サイクル２０００回の時点でセラミックス基板に割れが生じておらず、冷熱サイクル信頼性に優れていた。
【0084】
また、本発明例８においては、セラミックス基板側の第１銅層が半軟化温度２００℃以下である銅板で構成され、第１銅層に積層される第２銅層の半軟化温度が、第１銅層を構成する銅板の半軟化温度よりも高くされており、冷熱サイクル２０００回の時点でセラミックス基板に割れが生じておらず、冷熱サイクル信頼性に優れていた。
なお、本発明例１～７では、第１銅層の厚みは、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下で、第２銅層の厚みは０．５ｍｍ以上０．９ｍｍ以下で第２銅層の方が第１銅層よりも厚く構成されていた。
なお、本発明例１～７では、第１銅層の厚みは、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下で、第２銅層の厚みは０．５ｍｍ以上０．９ｍｍ以下で第２銅層の方が第１銅層よりも厚く構成されていた。
【0085】
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、高温環境下で厳しい冷熱サイクルが負荷される用途でも使用可能な冷熱サイクル信頼性を有するとともに、放熱性に優れた絶縁回路基板、この絶縁回路基板を用いた半導体デバイス、および、絶縁回路基板の製造方法を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【0086】
１，１０１ 半導体デバイス
１１ セラミックス基板
２０，１２０ 回路層
２１，１２１ 第１銅層
２２，１２２ 第２銅層
３０，１３０ 金属層
１３１ 第３銅層
１３２ 第４銅層
１１ セラミックス基板
２０，１２０ 回路層
２１，１２１ 第１銅層
２２，１２２ 第２銅層
３０，１３０ 金属層
１３１ 第３銅層
１３２ 第４銅層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】