特許 7512863 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 37/02 20060101AFI20240702BHJP

   H05K 1/03 20060101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

C04B37/02 B

H05K1/03 630H

H05K1/03 630J

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020194601

(22)【出願日】2020-11-24

(65)【公開番号】P2021091596

(43)【公開日】2021-06-17

【審査請求日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】P 2019221364

(32)【優先日】2019-12-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】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】寺▲崎▼ 伸幸

【審査官】田中 永一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－２５５４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第４３７５７３０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１８－１４０９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０４４５９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０４５３８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第７０５６７４４（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ３７／０２

Ｈ０１Ｌ ２３／１５

Ｈ０５Ｋ １／０３

Ｈ０５Ｋ ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化ケイ素からなる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、
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、
前記接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内の前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個／μｍ未満とされていることを特徴とする銅／セラミックス接合体。

【請求項2】

前記セラミックス部材は、窒化ケイ素相と、この窒化ケイ素相の間に形成されたガラス相と、を備えており、
前記銅部材側に位置する前記ガラス相の内部にＣｕ原子が存在し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。

【請求項3】

前記Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＭｇとＮとＳｉの合計値を１００原子％とした場合に、Ｓｉ濃度が２５原子％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。

【請求項4】

窒化ケイ素からなる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、
前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、
前記接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内の前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個／μｍ未満とされていることを特徴とする絶縁回路基板。

【請求項5】

前記セラミックス基板は、窒化ケイ素相と、この窒化ケイ素相の間に形成されたガラス相と、を備えており、
前記銅板側に位置する前記ガラス相の内部にＣｕ原子が存在し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。

【請求項6】

前記Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＭｇとＮとＳｉの合計値を１００原子％とした場合に、Ｓｉ濃度が２５原子％以下であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の絶縁回路基板。

【請求項7】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体を製造する銅／セラミックス接合体の製造方法であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、
前記銅部材と前記セラミックス部材とをＭｇを介して積層する積層工程と、
Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とし、
前記接合工程では、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４０℃・ｈ以上４２０℃・ｈ以下の範囲内とすることを特徴とする銅／セラミックス接合体の製造方法。

【請求項8】

請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の絶縁回路基板の製造方法であって、
前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、
前記銅板と前記セラミックス基板とをＭｇを介して積層する積層工程と、
Ｍｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とし、
前記接合工程では、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４０℃・ｈ以上４２０℃・ｈ以下の範囲内と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、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化ケイ素からなる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、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、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、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モジュール及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素子及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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第３２１１８５６号公報

【文献】特許第４３７５７３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、最近では、上述の絶縁回路基板においては、大電流高電圧が負荷される傾向にある。このため、上述の絶縁回路基板においては、セラミックス基板における絶縁性の向上が求められている。

【0007】

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、絶縁性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、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】

【0008】

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、窒化ケイ素からなる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、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、前記接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内の前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個／μｍ未満とされていることを特徴としている。

【0009】

本発明の銅／セラミックス接合体によれば、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、前記接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内の前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個／μｍ未満とされているので、接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相に起因して電界集中が生じることを抑制できる。よって、銅／セラミックス接合体の絶縁性を十分に向上させることができる。

【0010】

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は、窒化ケイ素相と、この窒化ケイ素相の間に形成されたガラス相と、を備えており、前記銅部材側に位置する前記ガラス相の内部にＣｕ原子が存在していることが好ましい。
この場合、セラミックス部材において、窒化ケイ素相と、これら窒化ケイ素相の間に形成されたガラス相と備え、前記銅部材側に位置する前記ガラス相の内部にＣｕ原子が存在しているので、セラミックス部材と銅部材とが十分に界面反応しており、接合信頼性に特に優れている。

【0011】

また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＭｇとＮとＳｉの合計値を１００原子％とした場合に、Ｓｉ濃度が２５原子％以下であることが好ましい。
この場合、前記Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＳｉ濃度が２５原子％以下とされているので、前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の内部にＳｉ単相が局所的に析出することが抑えられ、前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の強度を十分に確保することができる。これにより、端子材の超音波接合等で、接合界面に負荷がかかった際に、Ｍｇ－Ｎ化合物相でのクラックを抑制することが可能となり、Ｍｇ－Ｎ化合物相によるアンカー効果を維持することができる。

【0012】

本発明の絶縁回路基板は、窒化ケイ素からなる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、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、前記接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内の前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個／μｍ未満とされていることを特徴としている。

【0013】

本発明の絶縁回路基板によれば、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、前記接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内の前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個／μｍ未満とされているので、接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相に起因して電界集中が生じることを抑制できる。よって、絶縁回路基板の絶縁性を十分に向上させることができる。

【0014】

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は、窒化ケイ素相と、この窒化ケイ素相の間に形成されたガラス相と、を備えており、前記銅板側に位置する前記ガラス相の内部にＣｕ原子が存在していることが好ましい。
この場合、セラミックス基板において、窒化ケイ素相と、これら窒化ケイ素相の間に形成されたガラス相と備え、前記銅板側に位置する前記ガラス相の内部にＣｕ原子が存在しているので、セラミックス基板と銅板とが十分に界面反応しており、接合信頼性に特に優れている。

【0015】

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＭｇとＮとＳｉの合計値を１００原子％とした場合に、Ｓｉ濃度が２５原子％以下であることが好ましい。
この場合、前記Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＳｉ濃度が２５原子％以下とされているので、前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の内部にＳｉ単相が局所的に析出することが抑えられ、前記Ｍｇ－Ｎ化合物相の強度を十分に確保することができる。これにより、端子材の超音波接合等で、接合界面に負荷がかかった際に、Ｍｇ－Ｎ化合物相でのクラックを抑制することが可能となり、Ｍｇ－Ｎ化合物相によるアンカー効果を維持することができる。

【0016】

本発明の銅／セラミックス接合体の製造方法は、上述の銅／セラミックス接合体を製造する銅／セラミックス接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とをＭｇを介して積層する積層工程と、Ｍｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とし、前記接合工程では、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４０℃・ｈ以上４２０℃・ｈ以下の範囲内とすることを特徴としている。

【0017】

この構成の銅／セラミックス接合体の製造方法によれば、前記Ｍｇ配置工程において、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上とし、接合工程において、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４０℃・ｈ以上としているので、界面反応に必要なＣｕ－Ｍｇ液相を十分に得ることができ、銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。よって、接合信頼性を向上させることができる。
また、前記Ｍｇ配置工程において、Ｍｇ量を２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下とし、接合工程において、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４２０℃・ｈ以下としているので、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面にＭｇ－Ｎ化合物相が過剰に生成・成長することを抑制できる。よって、絶縁性を向上させることが可能となる。

【0018】

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、上述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、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｍｇを配置するＭｇ配置工程と、前記銅板と前記セラミックス基板とをＭｇを介して積層する積層工程と、Ｍｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とし、前記接合工程では、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４０℃・ｈ以上４２０℃・ｈ以下の範囲内とすることを特徴としている。

【0019】

この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記Ｍｇ配置工程において、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上とし、接合工程において、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４０℃・ｈ以上としているので、界面反応に必要なＣｕ－Ｍｇ液相を十分に得ることができ、銅板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。よって、接合信頼性を向上させることができる。
また、前記Ｍｇ配置工程において、Ｍｇ量を２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下とし、接合工程において、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４２０℃・ｈ以下としているので、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面にＭｇ－Ｎ化合物相が過剰に生成・成長することを抑制できる。よって、絶縁性を向上させることが可能となる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、絶縁性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、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】

【0021】

【図1】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。

【図2】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板のセラミックス基板の接合界面の拡大説明図である。

【図3】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板における接合界面Ｓに存在するＭｇ－Ｎ化合物相の長さの説明図である。

【図4】本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層（金属層）とセラミックス基板との接合界面の観察結果である。

【図5】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。

【図6】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。（ａ）はＭｇ配置工程、（ｂ）は接合工程、（ｃ）は得られた絶縁回路基板を示す概略説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

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）及び銅板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。

【0023】

このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層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３０と、を備えている。

【0024】

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。

【0025】

ヒートシンク３０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３０は、Ｃｕ又はＣｕ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３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１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３０と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層３２によって接合されている。このはんだ層３２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。

【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。

【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（Ｓｉ_３Ｎ_４）で構成されている。このセラミックス基板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、０．３２ｍｍに設定されている。

【0028】

回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図５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、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２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。

【0029】

金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図５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、無酸素銅の圧延板からなる銅板２３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。

【0030】

そして、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、セラミックス基板１１側から回路層１２（金属層１３）側に向けて延在するＭｇ－Ｎ化合物相が形成されることがある。
このＭｇ－Ｎ化合物相は、接合材として用いられるマグネシウム（Ｍｇ）とセラミックス基板１１に含まれる窒素（Ｎ）とが反応することによって形成されるものである。

【0031】

本実施形態においては、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との積層方向に沿った断面を観察した際の、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面Ｓに存在するＭｇ－Ｎ化合物相１５の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、この接合界面Ｓに沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相１５の個数密度が８個／μｍ未満とされている。図４の点線が接合界面Ｓに沿った長さとなる。
ここで、長さは、以下の通り定義する。 図３に示すように、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５と接合界面Ｓとの接触点をそれぞれ左端Ａ、右端Ｂとし、左端Ａから右端Ｂまでの接合界面Ｓに沿った長さの半分の箇所を中間点Ｐ１とし、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５と回路層１２（金属層１３）との境界線Ｃとし、境界線Ｃの変曲点を先端Ｐ２とする。中間点Ｐ１と先端Ｐ２の距離Ｌを長さと定義する。

【0032】

なお、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相１５の個数密度は、５個／μｍ未満であることが好ましく、３個／μｍ未満であることがさらに好ましい。また、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相１５の個数密度の下限値が０個／μｍであってもよい。
また、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５の最大長さは１０ｎｍ以上とすることが好ましい。
ここで、図４に、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面Ｓ近傍の観察結果を示す。図４は、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との積層方向に沿った断面をＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭを用いて観察したＳＴＥＭ－ＨＡＡＤＦ像である。
この図４においては、明確なＭｇ－Ｎ化合物相１５は観察されておらず、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相１５の個数密度は０個／μｍとされている。

【0033】

また、本実施形態の絶縁回路基板１０においては、図２に示すように、セラミックス基板１１は、窒化ケイ素相１１ａと、この窒化ケイ素相１１ａの間に形成されたガラス相１１ｂと、を備えており、回路層１２（金属層１３）側に位置するガラス相１１ｂの内部にＣｕ原子が存在していることが好ましい。
なお、ガラス相１１ｂは、窒化ケイ素の原料を焼結する際に用いられる焼結助剤によって形成されるものであり、窒化ケイ素相１１ａ同士の粒界部分に存在する。

【0034】

さらに、本実施形態の絶縁回路基板１０においては、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５におけるＭｇとＮとＳｉの合計値を１００原子％とした場合に、Ｓｉ濃度が２５原子％以下であることが好ましい。この場合、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５におけるＳｉ濃度が２５原子％以下とされているので、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５の内部にＳｉ単相が局所的に析出することが抑えられ、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５の強度を十分に確保することができる。これにより、端子材の超音波接合等で、接合界面に負荷がかかった際に、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５でのクラックを抑制することが可能となり、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５によるアンカー効果を維持することができる。
Ｓｉ濃度は、より好ましくは２０原子％以下であり、下限値は５原子％である。

【0035】

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５及び図６を参照して説明する。

【0036】

（Ｍｇ配置工程Ｓ０１）
まず、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなるセラミックス基板１１を準備し、図６（ａ）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、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、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。

【0037】

ここで、Ｍｇ配置工程Ｓ０１では、配置するＭｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とする。
配置するＭｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることで、界面反応に必要なＣｕ－Ｍｇ液相を十分に得ることができ、銅板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。一方、配置するＭｇ量を２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下に制限することで、上述のＭｇ－Ｎ化合物相が過剰に生成・成長することを抑制できる。
なお、配置するＭｇ量の下限は０．４３ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることが好ましく、０．５２ｍｇ／ｃｍ^２以上とすることがさらに好ましい。一方、配置するＭｇ量の上限は１．３４ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることが好ましく、１．０４ｍｇ／ｃｍ^２以下とすることがさらに好ましい。

【0038】

（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。

【0039】

（接合工程Ｓ０３）
次に、図６（ｂ）で示すように、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。
ここで、接合工程Ｓ０３においては、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が４０℃・ｈ以上４２０℃・ｈ以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度を設定する。

【0040】

ここで、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４０℃・ｈ以上とすることで、界面反応に必要なＣｕ－Ｍｇ液相を十分に得ることができ、銅板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。一方、上述の温度積分値を４２０℃・ｈ以下とすることで、上述のＭｇ－Ｎ化合物相が過剰に生成及び成長することを抑制できる。

【0041】

なお、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値の下限は、１００℃・ｈ以上とすることが好ましく、１５０℃・ｈ以上とすることがさらに好ましい。一方、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値の上限は、４００℃・ｈ以下とすることが好ましく、３５０℃・ｈ以下とすることがさらに好ましく、３００℃・ｈ以下とすることがより好ましい。

【0042】

なお、接合工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、接合工程Ｓ０３における真空度は、１×１０^－６Ｐａ以上５×１０^－２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。

【0043】

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、図６（ｃ）で示す本実施形態の絶縁回路基板１０が製造されることになる。

【0044】

（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３０を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク３０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３２を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク３０とをはんだ接合する。

【0045】

（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。
上述の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。

【0046】

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）によれば、回路層１２（及び金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相１５の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相１５の個数密度が８個／μｍ未満とされているので、接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相１５に起因して電界集中が生じることを抑制できる。よって、絶縁回路基板１０の絶縁性を十分に向上させることができる。

【0047】

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が、窒化ケイ素相１１ａと、この窒化ケイ素相１１ａの間に形成されたガラス相１１ｂと、を備えており、回路層１２（及び金属層１３）側に位置するガラス相１１ｂの内部にＣｕ原子が存在している場合には、セラミックス基板１１と銅板２２，２３とが十分に界面反応していることになり、回路層１２（及び金属層１３）とセラミックス基板１１との接合信頼性に特に優れている。

【0048】

また、本実施形態の絶縁回路基板１０において、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５におけるＭｇとＮとＳｉの合計値を１００原子％とした場合に、Ｓｉ濃度が２５原子％以下である場合には、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５の内部にＳｉ単相が局所的に析出することが抑えられ、Ｍｇ－Ｎ化合物相１５の強度を十分に確保することができる。

【0049】

本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）の製造方法によれば、Ｍｇ配置工程Ｓ０１において、Ｍｇ量を０．３４ｍｇ／ｃｍ^２以上とし、接合工程Ｓ０３において、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４０℃・ｈ以上としているので、界面反応に必要なＣｕ－Ｍｇ液相を十分に得ることができ、銅板２２，２３とセラミックス基板１１とを確実に接合することが可能となる。
また、Ｍｇ配置工程Ｓ０１において、Ｍｇ量を２．０９ｍｇ／ｃｍ^２以下とし、接合工程Ｓ０３において、Ｍｇ－Ｓｉ共晶温度（６３９℃）以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を４２０℃・ｈ以下としているので、回路層１２（及び金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面にＭｇ－Ｎ化合物相が過剰に生成・成長することを抑制できる。

【0050】

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。

【0051】

また、本実施形態の絶縁回路基板では、回路層と金属層がともに銅又は銅合金からなる銅板によって構成された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、回路層とセラミックス基板とが本発明の銅／セラミックス接合体で構成されていれば、金属層の材質や接合方法に限定はなく、金属層がなくてもよいし、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
一方、金属層とセラミックス基板とが本発明の銅／セラミックス接合体で構成されていれば、回路層の材質や接合方法に限定はなく、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。

【0052】

さらに、本実施形態では、Ｍｇ配置工程において、銅板とセラミックス基板との間に、Ｍｇ箔を積層する構成として説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板及び銅板の接合面に、Ｍｇからなる薄膜を、スパッタ法や蒸着法等によって成膜してもよい。また、ＭｇまたはＭｇＨ_２を用いたペーストを塗布してもよい。

【実施例】

【0053】

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。

【0054】

（実施例１）
まず、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるセラミックス基板からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．３２ｍｍ）を準備した。
このセラミックス基板の両面に、無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）を、表１に示すＭｇ配置工程及び接合工程の条件で銅板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基基板（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。

【0055】

得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、接合界面におけるＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さ、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度、ガラス相内部のＣｕ原子の有無、冷熱サイクル後の接合率、絶縁耐圧について、以下のようにして評価した。

【0056】

（Ｍｇ－Ｎ化合物相）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率２万倍で観察し、ＭｇとＮが共存する領域が存在し、かつ、その領域において、Ｍｇ，Ｎ，Ｓｉの合計を１００原子％として、Ｍｇの濃度が４０原子％以上６５原子％以下である場合に、Ｍｇ－Ｎ化合物相と認定した。
そして、Ｍｇ－Ｎ化合物相の最大長さ、接合界面に沿った単位長さにおいて長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度を算出した。

【0057】

Ｍｇ－Ｎ化合物相の最大長さは、銅／セラミックス接合体の断面において、接合界面を、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）で観察した際の視野（２μｍ×２μｍ）における、Ｍｇ－Ｎ化合物相を抽出して、上述した定義に従ってＭｇ－Ｎ化合物相の長さを測定した。これを各銅／セラミックス接合体において５視野で行い、最も長さの大きかった、Ｍｇ－Ｎ化合物相の長さをＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さとして示した。

【0058】

Ｍｇ－Ｎ化合物相の個数密度は、銅／セラミックス接合体を、銅／セラミックス接合体の積層方向に沿って切断した断面を透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて観察した際の視野（２μｍ×２μｍ）における、銅板とセラミックス基板との接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相の個数をカウントして、個数密度（個／μｍ）を算出した。これを５視野で行い、平均値を個数密度（個／μｍ）として示した。

【0059】

評価結果を表１に示す。なお、Ｍｇ－Ｎ化合物相の最大長さ及びＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度については、測定視野の境界部に存在して全体が把握できないＭｇ－Ｎ化合物相は、除外して測定している。

【0060】

（ガラス相内部のＣｕ原子）
セラミックス基板の断面を透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ、加速電圧２００ｋＶ）を用いて観察し、ガラス相中のＣｕ原子の有無を確認した。
なお、ガラス相は、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎの合計値を１００原子％とした際に、Ｓｉが１５原子％未満、且つ、Ｏが３原子％以上２５原子％以下の範囲内の領域とした。評価結果を表１に示す。

【0061】

（冷熱サイクル負荷後の接合率）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ－７２ＥＳ）を使用し、絶縁回路基板に対して、気相で、－４０℃×５分←→１７５℃×５分の８００サイクルを実施した。この後、セラミックス基板と銅板との接合率を以下のようにして評価した。
接合率の評価は、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ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。

【0062】

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。これらの結果を表１に示す。

【0063】

（絶縁耐圧）
上述の冷熱サイクル負荷後の絶縁回路基板の表裏を電極で挟み、昇圧速度１ｋＶ／秒で０．５ｋＶずつ昇圧して３０秒間保持を繰り返し、絶縁破壊したときの電圧を絶縁耐圧とした。なお、本実施例では、１ｍＡ以上の電流が流れた際の電圧を絶縁耐圧とした。評価結果を表１に示す。

【0064】

【表1】

【0065】

Ｍｇ配置工程におけるＭｇ量が２．６１ｍｇ／ｃｍ^２とされた比較例１においては、Ｍｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００μｍを超え、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満のＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個を超えた。このため、絶縁耐圧が５．５ｋＶと低く、絶縁性が不十分であった。

【0066】

接合工程における温度積分値が５０３℃・ｈとされた比較例２においては、Ｍｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００μｍを超え、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満のＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個を超えた。このため、絶縁耐圧が５．０ｋＶと低く、絶縁性が不十分であった。

【0067】

Ｍｇ配置工程におけるＭｇ量が０．１７ｍｇ／ｃｍ^２とされた比較例３においては、Ｍｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１０μｍ未満となった。このため、接合不良となり、その他の評価を中止した。

【0068】

接合工程における温度積分値が１９℃・ｈとされた比較例４においては、Ｍｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１０μｍ未満となった。このため、接合不良となり、その他の評価を中止した。液相は十分に発生したが、反応が不十分であったためと推測される。

【0069】

これに対して、接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個／μｍ未満とされた本発明例１－８においては、絶縁耐圧が７．０ｋＶ以上であり、絶縁性に優れていた。
また、ガラス相の内部にＣｕ原子が存在する本発明例３－８においては、冷熱サイクル負荷後の接合率が高くなり、接合信頼性に優れていた。

【0070】

（実施例２）
窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるセラミックス基板からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．３２ｍｍ）を準備した。
このセラミックス基板の両面に、無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．６ｍｍ）を、表２に示す条件で銅板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基基板（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。

【0071】

得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、接合界面におけるＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さ、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度、ガラス相内部のＣｕ原子の有無、について、実施例１と同様に評価した。評価結果を表２に示す。
また、Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＳｉ濃度、通炉試験後の接合率および絶縁性について、以下のようにして評価した。

【0072】

（Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＳｉ濃度）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）の中央部から観察試料を採取し、銅板とセラミックス基板との接合界面を、透過型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率２万倍で観察し、ＭｇとＮが共存する領域（即ち前述のＭｇ－Ｎ化合物相）が存在し、その領域において、Ｍｇ，Ｎ，Ｓｉの合計を１００原子％として、Ｓｉ濃度を測定した。

【0073】

（冷熱サイクル負荷後の接合率）
－７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎ×５回の冷熱サイクルを負荷させたさせた後、セラミックス基板と銅板との接合率を、実施例１と同様に評価した。評価結果を表２に示す。

【0074】

（絶縁評価）
上述の通炉試験荷後の絶縁回路基板の表裏を電極で挟み、昇圧速度１ｋＶ／秒で０．５ｋＶずつ昇圧して３０秒間保持を繰り返し、放電電荷が１０ｐＣを超えたときの電圧を放電開始電圧とした。評価結果を表２に示す。

【0075】

【表2】

【0076】

Ｍｇ配置工程におけるＭｇ量が３．７４１ｍｇ／ｃｍ^２とされた比較例１１においては、Ｍｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００μｍを超え、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満のＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個を超え、Ｍｇ－Ｎ化合物相のＳｉ濃度が２５原子％を超えた。このため、冷熱サイクル負荷後の放電開始電圧が４．９ｋＶと低く、絶縁性が不十分であった。

【0077】

これに対して、接合界面に存在するＭｇ－Ｎ化合物相の最大長さが１００ｎｍ未満とされ、接合界面に沿った単位長さにおいて、長さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の範囲内のＭｇ－Ｎ化合物相の個数密度が８個／μｍ未満とされ、Ｍｇ－Ｎ化合物相のＳｉ濃度が２５原子％以下とされた本発明例１１－１９においては、冷熱サイクル負荷後の放電開始電圧が６．５ｋＶ以上であり、絶縁性に優れていた。
また、本発明例１１－１９を比較すると、Ｍｇ－Ｎ化合物相におけるＳｉ濃度が低く抑えることで、冷熱サイクル負荷後の放電開始電圧が高くなり、絶縁性にさらに優れることが確認された。

【0078】

以上の結果、本発明例によれば、絶縁性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、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】

【0079】

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）
１１ａ 窒化ケイ素相
１１ｂ ガラス相
１２ 回路層（銅部材）
１３ 金属層（銅部材）
１５ Ｍｇ－Ｎ化合物相

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】