特許 7510582 接合体及びパワーモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-25

(45)【発行日】2024-07-03

(54)【発明の名称】接合体及びパワーモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/13 20060101AFI20240626BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240626BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20240626BHJP

【ＦＩ】

H01L23/12 C

H01L25/04 C

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2024516525

(86)(22)【出願日】2023-11-15

(86)【国際出願番号】 JP2023041137

【審査請求日】2024-03-13

(31)【優先権主張番号】P 2022188488

(32)【優先日】2022-11-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003296

【氏名又は名称】デンカ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128381

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 義憲

(74)【代理人】

【識別番号】100185591

【弁理士】

【氏名又は名称】中塚 岳

(74)【代理人】

【識別番号】100145012

【弁理士】

【氏名又は名称】石坂 泰紀

(72)【発明者】

【氏名】尹 江

(72)【発明者】

【氏名】小宮 勝博

【審査官】小池 英敏

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１３／００８９２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００７／００４５７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２２－１６６４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－３１３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２０３７８７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／１３－２３／１５

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０５Ｋ １／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化ケイ素板と、金属板と、前記窒化ケイ素板の主面と前記金属板の主面とを接合するろう材層と、を備え、
前記窒化ケイ素板の厚さ方向に沿うようにして前記窒化ケイ素板を切断して得られる切断面のうち、前記金属板の側部における外縁の直下を含み、前記窒化ケイ素板の主面から深さ２００μｍまでの領域における気孔の面積比率の平均値が１．９％以下であり、
前記切断面の前記領域に含まれる前記気孔の円相当径の最大値が１０μｍ以下である、接合体。

【請求項2】

前記窒化ケイ素板の厚みが０．２ｍｍ以上である、請求項１に記載の接合体。

【請求項3】

前記金属板の厚みが０．５ｍｍ以下である、請求項１に記載の接合体。

【請求項4】

バンドギャップが１．１２ｅＶを超える半導体材料で構成される半導体素子が搭載される回路基板である、請求項１に記載の接合体。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載に接合体と、当該接合体の前記金属板と電気的に接続される半導体素子と、を備えるパワーモジュール。

【請求項6】

前記半導体素子を構成する半導体材料のバンドギャップが１．１２ｅＶを超える、請求項５に記載のパワーモジュール。

【請求項7】

前記窒化ケイ素板の厚みが０．３５ｍｍ以下である、請求項５に記載のパワーモジュール。

【請求項8】

前記接合体における前記金属板の厚みが０．３ｍｍ以上である、請求項５に記載のパワーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、接合体及びパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、モーター等の産業機器、及び電気自動車等の製品には、大電力制御用のパワーモジュールが用いられている。このようなパワーモジュールには、半導体装置から発生する熱を効率的に拡散するとともに、漏れ電流を抑制するため、セラミック板と回路パターンを備える回路基板が用いられている。例えば、特許文献１では、セラミック板と回路パターンとを接合するろう材層における接合ボイド率を所定値以下に低減することが提案されている。

【0003】

半導体装置には、ワイドギャップ半導体を用いることが提案されている（例えば、特許文献２）。ワイドギャップ半導体を用いた半導体装置は、Ｓｉ半導体を備えた半導体装置よりも、耐圧性及び耐熱性に優れる。このようなワイドギャップ半導体は、耐圧性に優れ、高温動作が可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１９／０２２１３３号

【文献】特開２０１８－２００９１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

パワーモジュール等の電子部品は、高性能化及び小型化が図られている。これに伴って、電子部品に用いられる各種製品の信頼性の要求レベルが益々高くなっている。例えば、ワイドギャップ半導体を用いた半導体素子が搭載される回路基板等の接合体は、高温下において従来よりも高い絶縁性能を有することが求められる。

【0006】

そこで、本開示は、高温下における絶縁信頼性に優れる接合体を提供する。また、本開示は、そのような接合体を備えることによって信頼性に優れるパワーモジュールを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一側面は、以下のセラミック焼結体を提供する。

【0008】

［１］セラミック板と、金属板と、前記セラミック板の主面と前記金属板の主面とを接合するろう材層と、を備え、前記セラミック板の厚さ方向に沿うようにして前記セラミック板を切断して得られる切断面のうち、前記金属板の側部における外縁の直下を含み、前記セラミック板の主面から深さ２００μｍまでの領域における気孔の面積比率の平均値が２．０％以下である、接合体。

【0009】

接合体に、例えば半導体素子等が搭載されると、半導体素子の発熱等に伴って温度が変動する。ここで、セラミック板と金属板とは熱膨張率が異なるため、接合体の温度変化に伴ってセラミック板には熱応力が生じる。この熱応力は、セラミック板のうち、金属板の端部近傍の部分で最も大きくなる。したがって、このような接合体の金属板に高電圧が印加されると、接合体の温度の上昇に伴って、セラミック板のうち金属板の端部近傍の部分で絶縁破壊が生じやすくなる。上記［１］の接合体では、大きい熱応力が生じる部分に相当する、金属板の外縁の直下を含み且つセラミック板の主面から深さ２００μｍまでの領域における気孔の面積比率の平均値を十分に低くしている。このため、上記接合体の高温下における絶縁破壊を十分に抑制することができる。したがって、上記接合体は高温下における絶縁信頼性に優れる。

【0010】

上記［１］の接合体は、以下の［２］～［５］のいずれか一つであってもよい。

【0011】

［２］前記切断面の前記領域に含まれる前記気孔の円相当径の最大値が１０μｍ以下である、上記［１］に記載の接合体。
［３］前記セラミック板の厚みが０．２ｍｍ以上である、［１］又は［２］に記載の接合体。
［４］前記金属板の厚みが０．５ｍｍ以下である、［１］～［３］のいずれか一つに記載の接合体。
［５］バンドギャップが１．１２ｅＶを超える半導体材料で構成される半導体素子が搭載される回路基板である、［１］～［４］のいずれか一つに記載の接合体。

【0012】

上記［２］の接合体は、セラミック板の上記領域における気孔の円相当径の最大値が１０μｍ以下である。大きな気孔があると、そこを起点に絶縁破壊が生じやすくなる。気孔の円相当径の最大値を小さくすることによって、絶縁信頼性のばらつきを十分に低減することができる。したがって、上記［２］の接合体は、高温での絶縁信頼性に一層優れる。上記［３］の接合体におけるセラミック板は十分な厚みを有することから、高温下における絶縁の耐久性を向上することができる。上記［４］の接合体では、金属板の厚みが０．５ｍｍ以下であることによって、セラミック板に生じる熱応力を小さくすることができる。したがって、高温での絶縁信頼性を一層向上することができる。上記［５］では、高温下における絶縁性能に優れる接合体を、バンドギャップが１．１２ｅＶを超える半導体材料で構成される半導体素子が搭載される回路基板として用いることによって、高周波で駆動することが可能なパワーモジュールを得ることができる。

【0013】

本開示の一側面は、以下のパワーモジュールを提供する。

【0014】

［６］上記［１］～［５］のいずれか一つに記載の接合体と、当該接合体の前記金属板と電気的に接続される半導体素子と、を備えるパワーモジュール。

【0015】

上記パワーモジュールは、半導体素子とともに高温での絶縁性能に優れる上記接合体を備える。したがって、上記パワーモジュールは信頼性に優れる。

【0016】

上記［６］のパワーモジュールは、以下の［７］～［９］のいずれか一つであってもよい。

【0017】

［７］前記半導体素子を構成する半導体材料のバンドギャップが１．１２ｅＶを超える、［６］に記載のパワーモジュール。
［８］前記セラミック板の厚みが０．３５ｍｍ以下である、［６］又は［７］に記載のパワーモジュール。
［９］前記接合体における前記金属板の厚みが０．３ｍｍ以上である、［６］～［８］のいずれか一つに記載のパワーモジュール。

【0018】

上記［７］のパワーモジュールは、バンドギャップが大きい半導体材料で構成される半導体素子を有することから、高周波で駆動して制御性能を向上することができる。このようなバンドギャップの大きい半導体を用いると、半導体素子の発熱量が増大する。そこで、上記［８］のとおりセラミック板の厚みを小さくすることによって、接合体を小型化するとともに放熱性を向上することができる。また、上記［９］のとおり、金属板の厚みを大きくすることによって放熱性を向上して、信頼性を一層高くすることができる。

【発明の効果】

【0019】

本開示は、高温下における絶縁信頼性に優れる接合体を提供することができる。また、本開示は、そのような接合体を備えることによって信頼性に優れるパワーモジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、接合体の平面図である。

【図2】図２は、接合体の厚さ方向に沿う断面図である。

【図3】図３は、セラミック板の厚さ方向に沿うようにして切断して得られる切断面のうち、金属板の側部における外縁の直下を含み、セラミック板の主面から深さ２００μｍまでの領域を模式的に示す拡大断面図である。

【図4】図４は、パワーモジュールの断面図である。

【図5】図５は、レーザー回折・散乱法による焼結助剤粉末の体積基準の粒子径分布の一例を示す図である。

【図6】図６は、製造方法の一例において焼結が進行するときの粒成長のイメージ例を示す図である。

【図7】図７は、Ｖ－ｔ試験を行う検査装置の一例を模式的に示す図である。

【図8】図８の（Ａ）は、走査型電子顕微鏡による実施例１のセラミック板の切断面の画像を示す写真（５００倍）であり、図８の（Ｂ）は、当該画像を二値化処理して示す図である。

【図9】図９は、従来の製造方法において焼結が進行するときの粒成長のイメージを示す図である。

【図10】図１０は、走査型電子顕微鏡による、従来の成形体（セラミックグリーンシート）の切断面（２００倍）と、当該切断面に含まれる焼結助剤粉末の凝集体の写真である。

【図11】図１１の（Ａ）は、走査型電子顕微鏡による比較例１のセラミック板の切断面の画像を示す写真（５００倍）であり、図１１の（Ｂ）は、当該写真を二値化処理して示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、場合により図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。なお、「～」の記号で示される数値範囲は、下限値及び上限値を含む。すなわち、「Ａ～Ｂ」で示される数値範囲は、Ａ以上且つＢ以下を意味する。上限値のみを有する数値範囲と下限値のみを有する数値範囲を組み合わせた数値範囲も本開示に含まれる。各数値範囲の上限又は下限をいずれかの実施例の数値で置き換えたものも、本開示に含まれる。複数の材料が例示されている場合、そのうちの一種を単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。

【0022】

一実施形態に係る接合体は、セラミック板と、金属板と、セラミック板の主面と金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える。セラミック板は、セラミック粒子を含むセラミック焼結体で構成される。

【0023】

セラミック焼結体を構成するセラミック粒子は、窒化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子及びアルミナ粒子からなる群より選ばれる少なくとも一つを含有していてもよい。セラミック板は気孔を含んでもよい。セラミック板としては、主成分として窒化ケイ素粒子を含む窒化ケイ素板、主成分として窒化アルミニウム粒子を含む窒化アルミニウム板、及び、主成分としてアルミナ粒子を含むアルミナ板が挙げられる。また、複数種類のセラミック粒子を含む複合焼結体で構成されるセラミック板であってもよい。

【0024】

本実施形態の接合体において、セラミック板の厚さ方向に沿うようにしてセラミック板を切断して得られる切断面のうち、金属板の側部における外縁の直下を含み、セラミック板の主面から深さ２００μｍまでの領域における気孔の面積比率の平均値は２．０％以下である。当該領域における面積比率の平均値は、１．９％以下、１．８％以下、１．７％以下、１．６％以下、１．５％以下、１．４％以下、又は１．３％以下であってよい。このように当該領域における面積比率の平均値が小さいセラミック板を備える接合体は、高温における絶縁信頼性に十分に優れる。当該領域における面積比率の平均値は、０．１％以上、０．３％以上、０．５％以上、又は０．８％以上であってよい。当該領域における面積比率の平均値の範囲の一例は、０．１～１．９％である。

【0025】

金属板の側面は、セラミック板に向かって拡がるように傾斜していてもよい。この場合、「金属板の側部における外縁」は、金属板のセラミック板側の主面の外縁となる。金属板の側面にはろう材が這い上がってろう材で覆われていてもよい。金属板の側面がろう材成分を含む被覆層で覆われている場合、「金属板の側部における外縁」は、金属板の側面を覆う被覆層の外縁となる。

【0026】

本明細書において、高温における絶縁信頼性とは、例えば８０～１００℃の環境下における絶縁信頼性をいう。接合体をパワーモジュールの部品として用いると、このような温度環境下に長時間曝されることとなる。特に、ワイドギャップ半導体を用いたパワーモジュールは、高周波で駆動されるために発熱量が大きいため、当該パワーモジュールに内蔵される接合体（回路基板）は、このような高温下に頻繁に曝されることとなる。本実施形態の接合体では、高温度下において熱応力が大きくなる部分に相当する、金属板の外縁の直下を含み且つセラミック板の主面から深さ２００μｍまでの領域における気孔の面積比率の平均値を十分に低くしている。このため、本実施形態の接合体の高温下における絶縁破壊を十分に抑制することができる。したがって、本実施形態の接合体は高温下における絶縁信頼性に優れる。

【0027】

接合体は、バンドギャップが１．１２ｅＶ超、２．０ｅＶ以上、２．５ｅＶ以上、又は３．０ｅＶを超える半導体材料で構成される半導体素子が搭載される回路基板であってよい。半導体素子はワイドギャップ半導体素子であってよい。すなわち、半導体素子を構成するワイドギャップ半導体材料としては、例えば、炭化ケイ素、ダイヤモンド、酸化ガリウム及び窒化ガリウムが挙げられる。また、これらに不純物をドープした半導体であってよい。本明細書におけるワイドギャップ半導体（ワイドギャップ半導体材料）は、２．２ｅＶ以上のバンドギャップを有するものをいう。

【0028】

当該領域における面積比率の平均値は、少なくとも５つの領域における面積比率の算術平均値である。少なくとも５つの領域は、互いに異なる領域であり、領域同士が重複しないように選定する。各領域の面積は、例えば、それぞれ０．０５ｍｍ^２である。少なくとも５つの領域における気孔の円相当径の最大値は、１０μｍ以下、９μｍ以下、８μｍ以下、又は７μｍ以下である。このように気孔の円相当径の最大値を小さくすることによって、絶縁信頼性のばらつきを十分に低減することができる。領域における気孔の面積及び円相当径の最大値は、走査型電子顕微鏡で５００倍に拡大した画像において求めることができる。

【0029】

セラミック板の厚みは、０．２ｍｍ以上、０．２５ｍｍ以上又は０．３ｍｍ以上であってよい。このようにセラミック板の厚みを大きくすることによって、高温下における絶縁の耐久性を向上することができる。セラミック板の厚みは、０．３５ｍｍ以下、又は０．３１ｍｍ以下であってよい。これによって、接合体を小型化するとともに、ワイドハンドギャップ半導体素子を有するパワーモジュールのように発熱量が大きいデバイスに搭載された場合に、放熱性を向上することができる。したがって、パワーモジュール等のデバイスの信頼性を一層高くすることができる。セラミック板の厚み範囲の一例は、上述の特性を両立する観点から、０．２～０．３５ｍｍであってよい。

【0030】

金属板の厚みは、０．５ｍｍ以下、０．４５ｍｍ以下、又は０．４ｍｍ以下であってよい。このように金属板の厚みを小さくすることによって、セラミック板に生じる熱応力を小さくすることができる。したがって、高温での絶縁信頼性を一層向上することができる。金属板の厚みは、０．３ｍｍ以上、又は０．３５ｍｍ以上であってよい。これによって、ワイドハンドギャップ半導体素子を有するパワーモジュールのように発熱量が大きいデバイスに搭載された場合に、放熱性を向上して、デバイスの信頼性を一層高くすることができる。金属板の厚み範囲の一例は、上述の特性を両立する観点から、０．３～０．５ｍｍであってよい。金属板は、熱伝導性及び電気伝導性を高くする観点から、例えば銅板であってよい。

【0031】

図１は、接合体の一例を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線で切断して得られる断面図である。図１及び図２に示す接合体１００は、セラミック板１０と、セラミック板１０の一方の主面１０Ａにろう材層５１を介して接合された金属板４１と、セラミック板１０の他方の主面１０Ｂにろう材層５１を介して接合された金属板４２と、を備える。金属板４１は、パターン形成されており、例えば回路として機能する。本明細書では、このように金属製の回路パターンも金属板と称する。金属板４２はパターン形成されておらず、例えば放熱板として機能する。

【0032】

図２は、セラミック板１０の厚さ方向に沿う切断面を示している。このようにして得られる切断面のうち、金属板４１の側部における外縁４４の直下を含み、セラミック板１０の主面１０Ａから深さ２００μｍまでの領域ＲＥにおける気孔の面積比率の平均値が２．０％以下である。金属板４１の側部における外縁４４の直下は、図１のように接合体１００を平面視したときの金属板４１の側部（側面）の外縁の直下である。図１に示すように、金属板４１の側部における外縁４４の少なくとも５つの外縁部分４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅの直下において、領域ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３，ＲＥ４，ＲＥ５を選択する。領域ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３，ＲＥ４，ＲＥ５は、いずれも、外縁４４（外縁部分４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ）の直下を含み、セラミック板１０の主面１０Ａから深さ２００μｍまでの領域である。なお、図２には、外縁部分４４ｅ及びその直下を含む領域ＲＥ５が示されていない。領域ＲＥ５も、領域ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３，ＲＥ４と同様に、セラミック板１０の厚さ方向に沿って金属板４１の外縁４４の直下を通るように切断して得られる切断面を得て画定することができる。

【0033】

図１には５箇所の領域ＲＥ（図２には４箇所）が示されているが、６箇所以上の領域ＲＥを選択して領域ＲＥにおける気孔の面積比率の平均値を求めてよい。また、セラミック板１０の厚さ方向に沿って切断する位置は、図１及び図２に示す位置に限定されない。例えば、５つの切断面を得て、それぞれの切断面において領域ＲＥを確定し、各領域ＲＥにおける気孔の面積比率を求めてもよい。接合体１００における気孔の面積比率の平均値は、各領域ＲＥにおいて求めた気孔の面積比率を算術平均して算定することができる。なお、セラミック板１０及び金属板４１，４２の厚みの範囲は、上述したとおりである。金属板４１，４２の厚みは、互いに同じであってよいし、互いに異なっていてもよい。

【0034】

図３には、セラミック板１０の切断面１０Ｃの一部を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、倍率：５００倍）で観察したときの画像の一例を模式的に示す図である。図３に示されるようにセラミック板１０の切断面１０Ｃにおける領域ＲＥは、セラミック粒子と気孔２０とを含む。領域ＲＥには複数の気孔２０が含まれている。図３には、一つの気孔２０を模式的に拡大して示している。このように、気孔２０の二次元画像には、真円ではないものも含まれている。なお、領域ＲＥには、通常、多数のセラミック粒子が含まれているが、図３では、便宜上、セラミック粒子の表示を省略している。各気孔２０の面積は、市販の画像処理ソフトウエア（例えば、Ｉｍａｇｅ Ｊ）を用いて求めることができる。ＳＥＭ画像を二値化処理して、各気孔２０の面積を求めてもよい。

【0035】

図３に示す領域ＲＥに含まれる各気孔２０の面積から、気孔２０の面積の合計値を求める。この面積の合計値を領域ＲＥの面積で除することによって、各領域ＲＥにおける気孔２０の面積比率を求めることができる。領域ＲＥの面積は、例えば、０．０５ｍｍ^２である。各領域ＲＥにおける気孔２０の面積比率を用いて、上述のとおり気孔２０の面積比率の平均値を算定することができる。気孔２０の面積比率の平均値は上述したとおり２．０％以下である。その他の数値範囲の例は上述したとおりである。

【0036】

このようなセラミック板１０を備える接合体１００では、温度変化に伴って領域ＲＥにおいて大きい熱応力が発生する。領域ＲＥでは、気孔２０の面積比率が低いため、クラックの発生及び進展を十分に抑制することができる。したがって、接合体１００は、高温における絶縁信頼性に優れる。

【0037】

図３の領域ＲＥに含まれる気孔２０の円相当径は、市販の画像処理ソフトウエア（例えば、Ｉｍａｇｅ Ｊ）を用いて求めることができる。領域ＲＥとして５つの領域ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３，ＲＥ４，ＲＥ５を選定した場合、５つの領域における気孔２０の円相当径の最大値を求める。すなわち５つの最大値の中から最大値を求める。このようにして求められる円相当径の最大値が、上述の範囲にある。

【0038】

この例では、主面１０Ａから深さ２００μｍまでの領域のみを複数選定したが、別の例では主面１０Ｂにおいて金属板４２の側部における外縁の直下を含み、セラミック板の主面から深さ２００μｍまでの領域ＲＥにおける気孔の面積比率を求めてもよい。例えば、主面１０Ａから深さ２００μｍまでの領域ＲＥを３つ選択し、主面１０Ｂから深さ２００μｍまでの領域ＲＥを２つ選択してもよい。

【0039】

領域ＲＥは、気孔２０及びセラミック粒子の他に、焼結助剤相を含んでよい。領域ＲＥにおけるセラミック粒子（セラミック相）の面積比率の平均値は、７０～９０％であってよく、７５～８５％であってもよい。領域ＲＥにおける焼結助剤相の面積比率の平均値は、１０～２５％であってよく、１４～２２％であってよい。セラミック粒子及び焼結助剤相をこのような面積比率の平均値で含む領域ＲＥ（切断面１０Ｃ）を有するセラミック板１０は、十分に高い熱伝導率を有する。なお、セラミック粒子及び焼結助剤相の面積比率の平均値は、気孔２０の面積比率の平均値と同様に、少なくとも５つの領域ＲＥで測定されるそれぞれの面積比率の算術平均値として求められる。

【0040】

図１，図２及び図３は、接合体の一例である。セラミック板１０及び金属板４１，４２の形状は図１及び図２に示す形状に限定されない。接合体１００の変形例では金属板４２も回路パターンであってよい。別の変形例では、金属板４１と金属板４２の両方がパターン形成されていなくてよい。例えば、金属板をエッチングして回路パターンを形成する場合、回路パターンを形成する前及び回路パターンを形成する後の両方が接合体に該当する。さらに別の変形例では、セラミック板の一方の主面に接合される金属板（回路パターン）が複数であってもよい。セラミック板の一方の主面のみに金属板が接合されていてもよい。

【0041】

ろう材層５１，５２は、セラミック板１０と金属板４１，４２とを接合する層であり、ろう材成分を含む。ろう材層５１，５２は、例えば、ろう材に由来する銀、又は銀及び銅を含んでよい。ろう材層５１，５２は、さらに、ろう材に由来する錫及び活性金属からなる群より選ばれる一種又は二種以上の金属を含有してよい。ろう材層５１，５２において、二種以上の金属は合金となっていてもよい。活性金属は、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、及びニオブからなる群より選ばれる一種又は二種以上を含んでいてよい。ろう材層５１，５２に含まれる銀及び銅は、例えばＡｇ－Ｃｕ共晶合金等の合金として含まれていてもよい。

【0042】

ろう材層５１，５２における銀の含有量は、Ａｇ換算で４５～９５質量％であってよく、５０～９５質量％であってもよい。ろう材層５１，５２における銀及び銅の合計含有量は、それぞれＡｇ及びＣｕに換算して６５～１００質量％であってよく、７０～９９質量％であってよく、９０～９８質量％であってもよい。ろう材層５１，５２の厚み及び組成は、互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。

【0043】

一実施形態に係るパワーモジュールは、接合体（回路基板）と、接合体の金属板に電気的に接続される半導体素子と、を備える。接合体は、上述の接合体１００又はその変形例であってよい。接合体、及びこれらの変形例に関する説明内容は、本実施形態のパワーモジュールに適用される。このようなパワーモジュールは、高温における絶縁信頼性に優れる接合体（回路基板）を備える。したがって、高温となる環境下で使用しても、高い性能を維持することができる。このように、上記パワーモジュールは信頼性に優れる。

【0044】

図４は、パワーモジュールの一例を示す断面図である。この例の説明内容は本例に限定されず、パワーモジュールの変形例にも適用される。図４のパワーモジュール２００は、ベース板９０と、ハンダ８２を介してベース板９０の一方面と接合される接合体１００とを備える。接合体１００の一方面側における金属板４２（放熱板）がハンダ８２を介してベース板９０と接合している。

【0045】

接合体１００の他方面側における金属板４１（回路パターン）には、ハンダ８１を介して半導体素子８０が取り付けられている。半導体素子８０は、アルミワイヤ（アルミ線）等の金属ワイヤ８４で金属板４１の所定箇所に接続されている。このようにして、半導体素子８０と金属板４１とは電気的に接続されている。筐体８６の外部と金属板４１とを電気的に接続するため、金属板４１の一つである金属板４１ａは、ハンダ８５を介して筐体８６を貫通して設けられる電極８３に接続されている。

【0046】

ベース板９０の一方の主面上には、当該主面と一体になって接合体１００を収容する筐体８６が配置されている。ベース板９０の一方の主面と筐体８６とで形成される収容空間には樹脂９５が充填されている。樹脂９５は、接合体１００及び半導体素子８０を封止している。樹脂は、例えば、熱硬化型樹脂であってよく、光硬化型樹脂であってもよい。

【0047】

ベース板９０の他方の主面には、グリース９４を介して放熱部材をなす冷却フィン９２が接合されている。ベース板９０の端部には冷却フィン９２をベース板９０に固定するネジ９３が取り付けられている。ベース板９０及び冷却フィン９２はアルミニウムで構成されていてもよい。ベース板９０及び冷却フィン９２は、高い熱伝導率を有することによって放熱部として良好に機能する。

【0048】

セラミック板１０によって、金属板４１と金属板４２は電気的に絶縁される。金属板４１（４１ａ）は電気回路を構成していてよい。金属板４１及び金属板４２は、ろう材成分を含むろう材層（不図示）によってセラミック板１０の主面１０Ａ及び主面１０Ｂにそれぞれ接合されている。パワーモジュール２００は接合体１００を備えることから信頼性に優れる。

【0049】

パワーモジュール２００における半導体素子８０は、バンドギャップが１．１２ｅＶ超、２．０ｅＶ以上、２．５ｅＶ以上、又は３．０ｅＶを超える半導体材料で構成されていてよい。半導体素子はワイドギャップ半導体材料で構成されていてもよい。ワイドギャップ半導体材料としては、例えば、炭化ケイ素、ダイヤモンド、及び窒化ガリウムが挙げられる。接合体１００及びその変形例は、高温における絶縁信頼性に優れることから、ワイドギャップ半導体素子を備えるパワーモジュール２００は、高い電力レベルで動作することができる。半導体素子８０を構成する半導体材料のバンドギャップは、６．０ｅＶ以下、５．５ｅＶ以下、又は５．０ｅＶ以下であってよい。半導体材料のバンドギャップの範囲の一例は、１．１２ｅＶ超且つ６．０ｅＶ以下である。

【0050】

接合体１００に備えられるセラミック板１０の製造方法の一例を説明する。この一例の製造方法は、焼結助剤原料を粉砕機で粉砕してＤ５０（メジアン径）が０．５～１．１μｍの焼結助剤粉末を得る粉砕工程と、セラミック粉末と焼結助剤粉末とを含む混合原料を調製する混合工程と、混合原料の成形体を焼成する焼成工程と、を有する。

【0051】

焼結助剤粉末は、アルカリ土類金属酸化物、希土類酸化物、当該希土類酸化物とは異なる遷移金属酸化物、シリカ及びアルミナからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよく、二つ以上又は三つ以上を含んでもよい。

【0052】

アルカリ土類金属酸化物は、構成元素としてアルカリ土類金属と酸素とを有する。アルカリ土類金属酸化物は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム及び酸化ストロンチウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよい。希土類酸化物は、構成元素として希土類元素と酸素とを有する。希土類酸化物は、例えば、酸化イットリウム及び酸化セリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよい。当該希土類酸化物とは異なる遷移金属酸化物は、構成元素として、希土類とは異なる遷移金属と酸素とを有する。このような遷移金属酸化物は、例えば、酸化鉄を含んでよい。

【0053】

焼結助剤粉末の一例は、酸化マグネシウム、希土類酸化物、及びシリカを含む。この場合、焼結助剤粉末の全体を１００質量部としたときに、希土類酸化物の含有量は、３０～８０質量部であってよく、４０～７０質量部であってもよい。このとき、酸化マグネシウムの含有量は５～４０質量部であってよく、１０～３０質量部であってもよい。このとき、シリカの含有量は５～４０質量部であってよく、１０～３０質量部であってもよい。

【0054】

粉砕工程における焼結助剤粉末のＤ５０（メジアン径）は、例えば、焼結助剤原料を粉砕機で粉砕して調製してもよい。粉砕機としては、ビーズミル式粉砕機を用いることができる。ビーズミル式粉砕機のビーズの直径、周速及び粉砕時間からなる群より選ばれる少なくとも一つの条件を変更することで、焼結助剤粉末の粒子径分布を調整してもよい。ビーズの直径は０．１～０．３ｍｍであってよい。ロータの周速は８～１２ｍ／秒であってよい。粉砕時間は５～２０分間であってよい。ビーズミル式粉砕機以外の粉砕機としては、ボールミル、振動ミル、及びポットミル等が挙げられる。

【0055】

焼結助剤粉末のＤ５０が１．１μｍを超えると気孔２０の個数及びサイズが増大して、領域ＲＥにおける気孔２０の面積比率の平均値が高くなる傾向にある。また、焼結助剤粉末のＤ５０が０．５μｍ未満になると、粉砕機から焼結助剤原料に加えられる入力エネルギーと粉砕比の関係性により、粉砕された粒子が凝集する傾向にある。この要因としては、粉砕が進むと粉砕された粒子同士の接触頻度が増加すること、及び、ポテンシャルエネルギーが引力リッチになることが考えられる。この場合も、領域ＲＥにおける気孔２０の面積比率の平均値が高くなる傾向にある。

【0056】

焼結助剤粉末のＤ５０は、レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置によって測定される体積基準の粒子径分布に基づいて求められる。焼結助剤粉末のＤ５０が上記範囲であることによって、焼結助剤粉末に含まれる粒子が十分に小さく、且つ粒子同士が凝集することを抑制できる。これによって、セラミック板（セラミック焼結体）を作製する際に、焼結助剤粉末の粒子及び凝集体に起因する気孔の発生を抑制することができる。したがって、領域ＲＥにおける気孔２０の面積比率の平均値を低くするとともに、領域ＲＥに含まれる気孔２０の円相当径の最大値を小さくすることができる。また、セラミック粒子の粒成長を高い均一性で進行させることができる。

【0057】

図５は、レーザー回折・散乱法による焼結助剤粉末の体積基準の粒子径分布の一例を示す図である。横軸は、対数目盛の粒径［μｍ］であり、縦軸は頻度［体積％］である。本開示における粒子径分布は、ＪＩＳ Ｚ ８８２５：２０１３「粒子径解析－レーザー回折・散乱法」に記載の方法に準拠して測定される。粒子径分布測定には、ベックマンコールター社製のＬＳ－１３ ３２０（商品名）を用いる。測定条件としては、粒子屈折率を２．２、溶媒の屈折率を１．３３とする。

【0058】

焼結助剤粉末は、図５に示されるように、粒子径分布（頻度％）におけるピークが一つのみであってよい。このような焼結助剤粉末は、凝集が十分に抑制されているため、セラミック焼結体における気孔のサイズ及び個数を十分に低減することができる。粒子径分布におけるピークは、シャープであってよい。例えば、焼結助剤粉末のＤ１００は、５．５μｍ以下であってよく、５．０μｍ未満であってもよい。例えば、Ｄ５０に対するＤ１００の比は、５以下であってよい。Ｄ１００の下限の一例は２μｍである。Ｄ５０に対するＤ１００の比の下限の一例は２である。

【0059】

混合工程では、粉砕によって得られた焼結助剤粉末と、セラミック粉末、及び、必要に応じて添加剤を配合し、例えばボールミル等を用いて混合する。このようにして、焼結助剤粉末とセラミック粉末を含む混合原料を調製する。添加剤としては、バインダ、可塑剤、分散媒、及び離型剤等が挙げられる。バインダとしては、例えば、可塑性又は界面活性効果を有するメチルセルロース系のもの、熱分解性に優れたアクリル酸エステル系のものが挙げられる。可塑剤としては、例えばグリセリンが挙げられる。分散媒としては、イオン交換水及びエタノール等が挙げられる。

【0060】

セラミック粉末としては、例えば、窒化ケイ素粉末、窒化アルミニウム粉末、又は酸化アルミニウム粉末等を用いることができる。セラミック粉末のＤ５０（メジアン径）は、０．１～６μｍであってよく、０．５～４μｍであってもよい。これによって、十分に緻密化したセラミック焼結体を得ることができる。セラミック粉末のＤ５０は、焼結助剤粉末のＤ５０と同じ方法で求められる。セラミック粉末の粒子径分布（頻度％）のピークの数も一つであってよい。

【0061】

セラミック粉末に対する焼結助剤粉末の質量基準の配合比は、０．０３～０．１２であってよく、０．０５～０．１であってもよい。これによって、セラミック焼結体が緻密化し易くなり、抗折強度を十分に高くすることができる。

【0062】

混合工程で得られた混合原料を、ドクターブレード法、カレンダー法、又は押し出し法等によって離型フィルム上に所定の厚みで塗布して乾燥し、成形して成形体を得る。成形圧力は３～３０ＭＰａであってよい。成形体は一軸加圧して作製してもよいし、ＣＩＰによって作製してもよい。また、ホットプレスによって成形しながら焼成してもよい。例えば、ドクターブレード法等の上記方法によってセラミックグリーンシート基材を作製した後、ダイとパンチを備える金型を用いてセラミックグリーンシート基材を打ち抜いて成形体を得てもよい。

【0063】

金型で打ち抜かれる際のセラミックグリーンシート基材の固形分の含有量は、６５～８５質量％であってよく、７５～８５質量％であってもよい。固形分の含有量は、金型で打ち抜く前に、セラミックグリーンシート基材を乾燥する乾燥工程を行って調節してもよい。

【0064】

焼成工程で成形体を焼成する前に、成形体の脱脂を行ってもよい。脱脂方法は特に限定されず、例えば、成形体を空気中又は窒素等の非酸化雰囲気中で３００～７００℃に加熱して行ってよい。加熱時間は、例えば１～１０時間であってよい。

【0065】

セラミック板（板状のセラミック焼結体）は、成形体を焼成して得ることができる。焼成時の雰囲気、温度及び時間等は、セラミック焼結体の種類に応じて適宜設定することができる。セラミック板として窒化ケイ素板を製造する場合、窒素ガス又はアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行ってよい。焼成時の圧力は、０．７～１ＭＰａであってよい。焼成温度は１８００～２１００℃、１８００～２０００℃、又は１８００～１９００℃であってよい。当該焼成温度における焼成時間は３～２０時間であってよく、４～１６時間であってよい。

【0066】

セラミック板として窒化アルミニウム板を製造する場合、焼成温度は例えば１７６０～１８４０℃であってよい。１７６０～１８４０℃の温度範囲における保持時間は、例えば１～１０時間であってよい。焼成は大気圧下で行ってよい。窒化ケイ素板及び窒化アルミニウム板以外のセラミック板（例えば、及び酸化アルミニウム板）を製造する場合、焼結体の緻密化が十分に進行するような焼結条件を適宜設定すればよい。

【0067】

図６は、本例の製造方法において焼結が進行するときの粒成長のイメージを示す図である。この例では、図６の（ａ）に示されるように、成形体において、微細な焼結助剤粉末３２がセラミック粒子１２中に高い均一性で分散している。このような成形体を焼成すると、図６の（ｂ）に示されるように液化した焼結助剤相３２ａが毛細管現象によって粒界に拡散する。焼結助剤相３２ａが拡散すると成形体（セラミック焼結体）の収縮が進行し、図６の（ｃ）のように気孔２２が消滅する。加熱を継続すると、セラミック粒子１２が焼結助剤相３２ａ中に溶けて、図６の（ｄ）に示されるように柱状のセラミック粒子１４が生成する。このように、液相焼結が進行する際に、セラミック粒子の円滑な粒成長に伴って気孔２２が十分に消滅するため、セラミック板１０に含まれる気孔２０を十分に低減することができる。焼結助剤相３２ａの一部はセラミック板に残存してもよい。

【0068】

図９は、従来例の製造方法において焼結が進行するときの粒成長のイメージを示す図である。従来例の製造方法では、図９の（ａ）に示されるように、成形体において、焼結助剤粉末の凝集体１３２がセラミック粒子１１２中に含まれている。そのような従来例の成形体の断面写真が図１０に示されている。このような成形体を焼成すると、図９の（ｂ）に示されるように液化した焼結助剤相１３２ａが凝集体１３２を起点に毛細管現象によって粒界に拡散する。毛細管現象による拡散が進行すると、凝集体１３２のサイズが大きいため、凝集体１３２の部分に気孔１２２が生じる。気孔１２２は大きいサイズを有するため、成形体が収縮しても消滅せず、図９の（ｃ）に示されるように気孔１２２がセラミック板中に残存する。このようにして、セラミック板中に含まれるサイズの大きな気孔の個数が増加する。

【0069】

従来例の製造方法に対し、本例のセラミック板１０の製造方法では、焼結助剤粉末の粒子が十分に微細であり、且つ粒子同士の凝集が抑制されている。このため、焼結助剤粉末の痕跡として残存する気孔を低減できる。これによって、焼結過程で生じる気孔の個数を低減するとともに、気孔のサイズを小さくすることができる。このようにして得られるセラミック板１０の領域ＲＥにおける気孔２０の面積比率の平均値は十分に小さくなる。また、領域ＲＥにおける気孔２０の円相当径の最大値も十分に小さくなる。このようなセラミック板は、温度変化に伴って熱応力が発生したときに、クラックの発生及び進展を十分に抑制することができる。このため、高温における絶縁信頼性に優れる。

【0070】

図７は、接合体（回路基板）のＶ－ｔ試験を行う検査装置の一例を模式的に示す図である。検査装置４００は、交流電源６０と、交流電源６０に接続された耐電圧試験器５０とを備える。耐電圧試験器５０の一方の端子は、セラミック板１０に接合された金属板４１に接触する導電性支持部７２ａと電気的に接続される。耐電圧試験器５０の他方の端子は、絶縁油７６を貯留する貯留槽７７内に配置される電極７０を介して、金属板４２に接触する導電性支持部７２ｂと電気的に接続される。

【0071】

電極７０は、貯留槽７７の底面及び一側面に沿って配置されている。電極７０は、図７に示されるように、鉛直方向断面でみたときにＬ字型形状を有している。電極７０には、導電性支持部７２ｂに隣接して、２つの絶縁性支持部７４が設置されている。２つの絶縁性支持部７４は、金属板４２とそれぞれ接し、接合体１００を絶縁油７６中において支持している。

【0072】

電極７０及び導電性支持部７２ａ，７２ｂとしては、例えば無酸素銅製のものを用いることができる。絶縁油７６としては、例えばフッ素系不活性液体が用いることができる。耐電圧試験器５０としては市販のものを用いることができる。このような検査装置４００では、セラミック板１０を挟む金属板４１，４２の間に例えば１０～１５ｋＶ程度の電圧を印加し、耐電圧試験器５０において漏れ電流の有無を測定する。絶縁油７６を加熱することによって、例えば１００℃以上の高温下における接合体１００におけるセラミック板１０の絶縁性能を評価することができる。

【0073】

検査装置は図７の構成に限定されず、例えば１００℃以上の温度下で、金属板４１，４２間に電圧を印加したときのＶ－ｔ試験を行うことが可能な検査装置であれば、特に制限なく用いることができる。

【0074】

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上記実施形態に何ら限定されるものではない。セラミック焼結体の実施形態に関する説明内容は、接合体、パワーモジュール、及びセラミック焼結体の製造方法にも適用される。セラミック焼結体の製造方法の実施形態に関する説明内容は、セラミック焼結体にも適用される。

【0075】

上記各実施形態で具体的に記載された数値範囲の上限値及び下限値を任意に組み合わせた数値範囲も、本開示に含まれる。また、数値範囲の上限値及び／又は下限値を、以下に説明する実施例の値で置換したものも本開示に含まれる。

【実施例】

【0076】

実施例、参考例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は下記の具体例に限定されるものではない。

【0077】

（焼結助剤粉末の調製）
焼結助剤粉末の原料として、市販の酸化イットリウム粉末、酸化マグネシウム粉末及びシリカ粉末を準備した。これらを、Ｙ_２Ｏ_３：ＭｇＯ：ＳｉＯ_２＝５：２：２の質量比となるように配合して混合粉末を得た。ビーズミル式粉砕機（アシザワ・ファインテック株式会社製、装置名：スターミルＬＭＺ）を用いて混合粉末を粉砕し、焼結助剤粉末を得た。ビーズミル式粉砕機による粉砕条件（ビーズの直径、ロータの周速及び粉砕時間）を表１及び表２に示すとおりに変更して、粉砕条件が互いに異なる８種類の焼結助剤粉末を調製した。

【0078】

レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置（日機装株式会社製、装置名：粒子径分布測定器 ＭＴ３０００ＩＩ）を用いて、各焼結助剤粉末の体積基準の粒子径分布を測定した。これらの粒子径分布の測定結果から、Ｄ５０（メジアン径）、及び、Ｄ１００（最大粒子径）を求めた。結果は、表１及び表２に示すとおりであった。表１及び表２には、Ｄ５０に対するＤ１００の比も示した。番号５～８の粒子径分布（頻度％）は、いずれもピークを一つのみ有していた。すなわち、これらの粒子径分布は図５に示すような形状を有していた。

【0079】

【表1】

【0080】

【表2】

【0081】

表１の番号１～３の結果から、ビーズの直径を小さくすることによって、焼結助剤のＤ５０及びＤ１００を小さくできることが確認された。また、表１及び表２の番号３，４，５の結果から、ロータの周速を大きくすることによって、Ｄ５０及び／又はＤ１００を小さくできることが確認された。番号５，６の結果から、粉砕時間を長くするとＤ５０及びＤ１００を小さくできることが確認された。一方、番号６，７，８の結果から、粉砕時間を長くし過ぎると、Ｄ５０及びＤ１００が大きくなることが確認された。これは、粉砕粉が凝集することに起因すると考えられる。

【0082】

（実施例１）
［窒化ケイ素板の作製］
市販の窒化ケイ素粉末（Ｄ５０：０．７μｍ）、表２の番号６の焼結助剤粉末、及び添加剤（溶剤系のバインダ）を、ビーズミルに入れて混合し、原料スラリーを調製した。窒化ケイ素粉末と焼結助剤粉末の配合比は、窒化ケイ素粉末：焼結助剤粉末＝９１：９とした。次に、離型フィルム上にドクターブレード法によって、上述の原料スラリーを塗布してグリーンシートを作製した。作製したセラミックグリーンシートを、縦×横＝２５０ｍｍ×１８０ｍｍとなるように切断し、７０枚積層して積層体を得た。上記積層体を、カーボンヒータを備える電気炉中に配置し、空気中、５００℃で２０時間加熱して脱脂した。

【0083】

脱脂後の成形体を焼成炉内に置いて、焼成炉内を１００Ｐａ以下に減圧し、９００℃まで昇温した。その後、焼成炉内に窒素ガスを導入し、約０．９ＭＰaの加圧下で１５００℃まで昇温し、４時間保持した。保持後、１８３０℃まで昇温し、１８３０℃で５時間保持した。このようにして厚さ３ｍｍの窒化ケイ素板を得た。

【0084】

［接合体の作製］
Ａｇ粉末（福田金属箔粉工業株式会社製、商品名：Ａｇ－ＨＷＱ、平均粒子径Ｄ５０：２．５μｍ、比表面積０．４ｍ^２／ｇ）８９．５質量部、Ｃｕ粉末（福田金属箔粉工業株式会社製、商品名：Ｃｕ－ＨＷＱ、平均粒子径Ｄ５０：３．０μｍ、比表面積：０．４ｍ^２／ｇ、）９．５質量部、Ｓｎ粉末（福田金属箔粉工業株式会社製：Ｓｎ－ＨＰＮ、平均粒子径Ｄ５０：３μｍ、比表面積０．１ｍ^２／ｇ）１．０質量部の合計１００質量部に対して、水素化チタン粉末（トーホーテック株式会社製、商品名：ＴＣＨ－１００）を３．５質量部含むろう材を調製した。このろう材を、塗布量が８ｍｇ／ｃｍ^２となるように、窒化ケイ素板の両主面の上にスクリーン印刷法で塗布した。

【0085】

窒化ケイ素板の一方の主面のろう材層の上に回路形成用銅板を、他方の主面のろう材層の上に放熱板形成用銅板（いずれも厚さ０．３ｍｍ、純度９９．６０質量％のＣ１０２０無酸素銅板）を重ね合わせて積層体を得た。この積層体を、１．０×１０^－３Ｐａ以下の真空中にて８３０℃、３０分間の条件で加熱して、接合体を得た。接合した回路形成用銅板にエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄溶液で回路形成用銅板をエッチングして図１に示すような回路パターンを形成した。さらに、フッ化アンモニウム／過酸化水素溶液で、金属板の側面よりも外方にはみ出ているろう材層を除去した。このようにして回路基板を作製した。回路基板は、以下の切断面観察及びＶ－ｔ試験に用いるため、複数枚作製した。

【0086】

［切断面観察］
回路基板を、窒化ケイ素板の厚さ方向に沿うようにして窒化ケイ素板を切断して切断面を得た。複数箇所で切断を行って、回路パターンの側部における外縁直下を含み、窒化ケイ素板の主面から深さ２００μｍまでの領域を５つ選択した。特定した領域ＲＥを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で５００倍に拡大して観察した。５つの領域ＲＥ（各面積：０．０５ｍｍ^２）における気孔の合計面積と気孔の円相当径の最大値を求めた。各領域は回路パターンの側部における外縁直下を含んでいた。気孔のサイズと個数は、画像処理ソフトウエア（ＩｍａｇｅＪ）を用いて測定した。気孔の合計面積を視野の面積（０．０５ｍｍ^２）で除して気孔の面積比率を求めた。５つの領域ＲＥのそれぞれにおいて、気孔の円相当径の最大値と気孔の面積比率を求めた。気孔の面積比率の算術平均値と、気孔の円相当径の最大値（５つの領域ＲＥにおける最大値）は、表３に示すとおりであった。

【0087】

［絶縁性試験］
図７に示すような検査装置を用い、ＪＩＳ Ｃ２１１０－１：２０１０に準拠して回路基板のＶ－ｔ試験を行った。この検査には、株式会社計測技術研究所製のＡＣ２０ｋＶ耐電圧試験器（型式：７４７３）を用いた。絶縁油としては、シリコンオイルを用いた。貯留槽７７、電極７０、導電性支持部７２ａ，７２ｂ、及び絶縁性支持部７４として、大西電子株式会社製の検査治具を用いた。電極７０は無酸素銅製のものを、導電性支持部７２ａ，７２ｂは炭素工具鋼鋼材（ＳＫ材）にロジウムめっきが施されたものを、それぞれ用いた。

【0088】

検査装置の絶縁油を１００℃に加熱し、当該絶縁油中に回路基板１００を固定して、回路パターン４１と銅板４２との間に１０ｋＶの電圧を印加して、絶縁破壊するまでの時間（最大：７４６時間）を測定した。結果は、表３に示すとおりであった。

【0089】

（実施例２）
表２の番号６の焼結助剤粉末に代えて、表２の番号５の焼結助剤粉末を用いたこと以外は、実施例１と同じ手順で、窒化ケイ素板及び接合体を作製し、各評価を行った。結果は表３に示すとおりであった。

【0090】

（実施例３）
表２の番号６の焼結助剤粉末に代えて、表２の番号７の焼結助剤粉末を用いたこと以外は、実施例１と同じ手順で、窒化ケイ素板及び接合体を作製し、各評価を行った。結果は表３に示すとおりであった。

【0091】

（実施例４）
表２の番号６の焼結助剤粉末に代えて、表２の番号８の焼結助剤粉末を用いたこと以外は、実施例１と同じ手順で、窒化ケイ素板及び接合体を作製し、各評価を行った。結果は表３に示すとおりであった。

【0092】

（比較例１）
表２の番号６の焼結助剤粉末に代えて、表１の番号３の焼結助剤粉末を用いたこと以外は、実施例１と同じ手順で、窒化ケイ素板及び接合体を作製し、各評価を行った。結果は表３に示すとおりであった。

【0093】

（比較例２）
表２の番号６の焼結助剤粉末に代えて、表１の番号１の焼結助剤粉末を用いたこと以外は、実施例１と同じ手順で、窒化ケイ素板及び接合体を作製し、各評価を行った。結果は表３に示すとおりであった。

【0094】

（比較例３）
表２の番号６の焼結助剤粉末に代えて、表１の番号２の焼結助剤粉末を用いたこと以外は、実施例１と同じ手順で、窒化ケイ素板及び接合体を作製し、各評価を行った。結果は表３に示すとおりであった。

【0095】

【表3】

【0096】

表３に示すとおり、Ｄ５０が小さい焼結助剤粉末を用いることによって、気孔の面積比率が小さくなることが確認された。Ｄ５０及びＤ１００／Ｄ５０が最も小さい番号６の焼結助剤粉末を用いた実施例１では、気孔の面積比率を最も小さくすることができた。この実施例１は、絶縁破壊が生じず、最も優れた絶縁信頼性を有していた。図８の（Ａ）は実施例１の窒化ケイ素板の切断面で選択された上記領域の一つのＳＥＭ画像（５００倍）を示す写真であり、図８（Ｂ）は当該ＳＥＭ画像を二値化処理して示す図である。図１１（Ａ）は比較例１の窒化ケイ素板の切断面で選択された上記領域の一つのＳＥＭ画像（５００倍）を示す写真であり、図１１（Ｂ）は当該ＳＥＭ画像を二値化処理して示す図である。図８と図１１の対比から、比較例１よりも実施例１の方が明らかに気孔の個数が少なく、気孔のサイズも小さかった。

【0097】

表３に示す結果から、窒化ケイ素板の上記領域における気孔の面積比率の平均値及び気孔の円相当径の最大値は、実施例１～４の方が、比較例１～３よりも小さかった。実施例１の回路基板のＶ－ｔ試験では試験終了（７４６時間）まで絶縁破壊が生じなかった。また、実施例２～４も、比較例１～３よりも破壊に要する時間が長く、絶縁信頼性に優れることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0098】

本開示によれば、高温下における絶縁信頼性に優れる接合体が提供される。また、本開示によれば、上記接合体を備えることによって信頼性に優れるパワーモジュールが提供される。

【符号の説明】

【0099】

１０…セラミック板、１０Ａ，１０Ｂ…主面、１０Ｃ…切断面、１２，１４…セラミック粒子、２０，２２，１２２…気孔、３２…焼結助剤粉末、３２ａ，１３２ａ…焼結助剤相、４１…金属板（回路パターン）、４２…金属板（銅板）、４４…外縁、４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，４４ｅ…外縁部分、５０…耐電圧試験器、５１，５２…ろう材層、６０…交流電源、７０，８３…電極、７２ａ，７２ｂ…導電性支持部、７４…絶縁性支持部、７６…絶縁油、７７…貯留槽、８０…半導体素子、８１，８２，８５…ハンダ、８４…金属ワイヤ、８６…筐体、９０…ベース板、９２…冷却フィン、９３…ネジ、９４…グリース、９５…樹脂、１００…接合体（回路基板）、１３２…凝集体、２００…パワーモジュール、４００…検査装置、ＲＥ，ＲＥ１，ＲＥ２，ＲＥ３，ＲＥ４，ＲＥ５…領域。

【要約】

セラミック板と、金属板と、セラミック板の主面と金属板の主面とを接合するろう材層と、を備え、セラミック板の厚さ方向に沿うようにしてセラミック板を切断して得られる切断面のうち、金属板の側部における外縁の直下を含み、セラミック板の主面から深さ２００μｍまでの領域における気孔の面積比率の平均値が２．０％以下である、接合体を提供する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】