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(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】2024-07-19
(45)【発行日】2024-07-29
(54)【発明の名称】接合体、セラミックス銅回路基板、および半導体装置
(51)【国際特許分類】
C04B 37/02 20060101AFI20240722BHJP
H05K 1/03 20060101ALI20240722BHJP
【ＦＩ】
C04B37/02 B
H05K1/03 630J
H05K1/03 630H
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2022557575
(86)(22)【出願日】2021-10-20
(86)【国際出願番号】 JP2021038712
(87)【国際公開番号】W WO2022085711
(87)【国際公開日】2022-04-28
【審査請求日】2023-04-14
(31)【優先権主張番号】P 2020177286
(32)【優先日】2020-10-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】303058328
【氏名又は名称】東芝マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004026
【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ
(72)【発明者】
【氏名】米津 麻紀
(72)【発明者】
【氏名】末永 誠一
(72)【発明者】
【氏名】藤澤 幸子
(72)【発明者】
【氏名】佐野 孝
【審査官】末松 佳記
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１５／０１９６０２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－１６９１１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５０６４９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１８０９６５（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０４Ｂ ３７／００－３７／０２
Ｈ０５Ｋ １／０３－１／０５
Ｈ０５Ｋ ３／３４
Ｈ０５Ｋ ３／３８
Ｈ０１Ｌ ２３／１２－２３／１５
Ｈ０１Ｌ ２３／３６－２３／３７３
Ｂ２３Ｋ １／００－１／２０
Ｂ２３Ｋ ３１／０２
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミックス基板と、銅板と、
前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に配置され、前記セラミックス基板と前記銅板とを接合する接合層と、を備え、
前記接合層は、ＡｇおよびＴｉを含有し、
前記銅板は、
厚さ方向において前記接合層から離れた第一領域と、
前記接合層と前記第一領域との間に設けられ、前記第一領域よりも高いＡｇ濃度を有する第二領域と、
前記接合層と前記第二領域との間に設けられ、前記第二領域よりも低いＡｇ濃度を有する第三領域と、
を含むことを特徴とする接合体。
【請求項2】
前記第一領域、前記第二領域、および前記第三領域は、前記厚さ方向において、３０μｍ以上１００μｍ以下のピッチで並び、前記第一領域、前記第二領域、および前記第三領域のそれぞれは、幅方向１００μｍ以上２００μｍ以下×厚さ方向１０μｍ以上１００μｍ以下の領域であり、
前記第一領域、前記第二領域、および前記第三領域のそれぞれにおけるＡｇ濃度は、ＥＤＸにより分析されることを特徴とする、請求項１に記載の接合体。
【請求項3】
前記第二領域は、前記厚さ方向において、前記接合層と前記銅板との境界から０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内に位置することを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の接合体。【請求項4】
前記銅板の厚さは、０．８ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の接合体。【請求項5】
前記セラミックス基板は、窒化珪素基板であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の接合体。【請求項6】
前記接合層は、ＡｇおよびＴｉ以外に、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、およびＣから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の接合体。【請求項7】
前記第一領域におけるＡｇ濃度と、前記第二領域における前記Ａｇ濃度と、の差は、０．０５原子％以上であり、前記第二領域における前記Ａｇ濃度と、前記第三領域における前記Ａｇ濃度と、の差は、０．０５原子％以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項8】
前記第二領域における前記Ａｇ濃度は、０．１原子％以上０．４原子％以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の接合体。【請求項9】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の接合体を備えたことを特徴とするセラミックス銅回路基板。【請求項10】
請求項９に記載のセラミックス銅回路基板と、前記セラミックス銅回路基板に実装された半導体素子と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
後述する実施形態は、概ね、接合体、セラミックス銅回路基板、および半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
セラミックス基板と銅板の接合体は、半導体素子などを搭載する回路基板として用いられている。国際公開第２０１８／１８０９６５号公報（特許文献１）には、セラミックス基板と銅板が接合されたセラミックス銅回路基板が開示されている。特許文献１では、銅板の結晶粒径および銅板中のＡｇの拡散量を制御している。特許文献１では、このような制御を行うことで、セラミックス銅回路基板の 温度サイクル試験（ＴＣＴ）特性を向上させている。
その一方で、セラミックス銅回路基板のサイズが大きくなると、ＴＣＴ特性が向上しないセラミックス銅回路基板が発生する。
その一方で、セラミックス銅回路基板のサイズが大きくなると、ＴＣＴ特性が向上しないセラミックス銅回路基板が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０１８／１８０９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
この原因を調べたところ、銅板へのＡｇの拡散量に原因があることが分かった。特許文献１では、銅板を厚さ方向に３等分してＡｇの拡散量を制御している。接合層に近い方から銅板表面に行くに従って、Ａｇ拡散量が少なくなっている。銅板中のＡｇは、接合層から拡散する。そのため、接合層に近い箇所のＡｇ量が多く、銅板表面に行くに従ってＡｇ量が少なくなっていた。銅板では、Ａｇの拡散量の多いところと少ないところで、熱膨張に差が生じる。この部分的なＡｇの拡散量の違いが、ＴＣＴ特性の向上阻害の原因であることが分かった。
本発明は、このような問題に対処するためのものであり、銅板中のＡｇ濃度を制御した接合体を提供することを目的とする。
本発明は、このような問題に対処するためのものであり、銅板中のＡｇ濃度を制御した接合体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】
【0005】
実施形態にかかる接合体は、セラミックス基板と、銅板と、接合層と、を備える。前記接合層は、前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に配置され、前記セラミックス基板と前記銅板とを接合する。前記接合層は、ＡｇおよびＴｉを含有する。前記銅板は、第一領域、第二領域、および第三領域を含む。前記第一領域は、厚さ方向において前記接合層から離れている。前記第二領域は、前記接合層と前記第一領域との間に設けられ、前記第一領域よりも高いＡｇ濃度を有する。前記第三領域は、前記接合層と前記第二領域との間に設けられ、前記第二領域よりも低いＡｇ濃度を有する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】実施形態にかかる接合体の一例を示す模式図である。
【図2】銅板中のＡｇ濃度を測定する測定領域の一例を示す模式図である。
【図3】実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の一例を示す模式図である。
【図4】実施形態にかかる半導体装置の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
実施形態にかかる接合体は、セラミックス基板と、銅板と、接合層と、を備える。前記接合層は、前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に配置され、前記セラミックス基板と前記銅板とを接合する。前記接合層は、ＡｇおよびＴｉを含有する。前記銅板は、第一領域、第二領域、および第三領域を含む。前記第一領域は、厚さ方向において前記接合層から離れている。前記第二領域は、前記接合層と前記第一領域との間に設けられ、前記第一領域よりも高いＡｇ濃度を有する。前記第三領域は、前記接合層と前記第二領域との間に設けられ、前記第二領域よりも低いＡｇ濃度を有する。
【0008】
図１は、実施形態にかかる接合体の一例を示す模式図である。図１において、１は接合体、２はセラミックス基板、３は銅板、４は接合層である。
図１は、セラミックス基板２の両面に接合層４を介して銅板３をそれぞれ配置した接合体１を示す。図１に示す例では、セラミックス基板２の縦横サイズは、銅板３の縦横サイズと同じである。実施形態にかかる接合体は、このような形態に限定されない。接合体１は、その片面のみに銅板が設けられた構造を有していてもよい。セラミックス基板２の縦横サイズは、銅板３の縦横サイズと異なっていてもよい。
図２は、銅板中のＡｇ濃度を測定する測定領域の一例を示す模式図である。図２において、３は銅板、４は接合層、５は測定領域、Ｔは銅板の厚さ、Ｐは測定領域同士の間隔（ピッチ）である。５－１は第一測定領域、５－２は第二測定領域、５－３は第三測定領域、５－４は第四測定領域、５－５は第五測定領域、５－６は第六測定領域、５－７は第七測定領域、５－ｎは第ｎ測定領域である。図２では、測定領域がｎ個の例を示した。
図１は、セラミックス基板２の両面に接合層４を介して銅板３をそれぞれ配置した接合体１を示す。図１に示す例では、セラミックス基板２の縦横サイズは、銅板３の縦横サイズと同じである。実施形態にかかる接合体は、このような形態に限定されない。接合体１は、その片面のみに銅板が設けられた構造を有していてもよい。セラミックス基板２の縦横サイズは、銅板３の縦横サイズと異なっていてもよい。
図２は、銅板中のＡｇ濃度を測定する測定領域の一例を示す模式図である。図２において、３は銅板、４は接合層、５は測定領域、Ｔは銅板の厚さ、Ｐは測定領域同士の間隔（ピッチ）である。５－１は第一測定領域、５－２は第二測定領域、５－３は第三測定領域、５－４は第四測定領域、５－５は第五測定領域、５－６は第六測定領域、５－７は第七測定領域、５－ｎは第ｎ測定領域である。図２では、測定領域がｎ個の例を示した。
【0009】
まず、接合体１の任意の断面を測定する場所とする。断面は、セラミックス基板２と銅板３とを結ぶ方向に垂直な面である。つまり、断面は、セラミックス基板２と銅板３の接合面に対して垂直な面である。
次に、複数の測定領域のピッチＰを決める。複数の測定領域は、銅板３の厚さ方向に、３０μｍ以上１００μｍ以下のピッチで等間隔に並ぶ。ピッチとは、上下に並ぶ測定領域の中心同士の間隔Ｐのことである。測定領域の中心同士の間隔Ｐのことを、ピッチＰということもある。ピッチＰは、３０～１００μｍの範囲内で一定の間隔とする。例えば、ピッチＰを５０μｍに決定したときは、ピッチＰは常に５０μｍとなる。また、ピッチＰを１００μｍに決定したときは、ピッチＰは常に１００μｍとなる。
１つの測定領域５の幅方向の長さは、１００μｍ以上２００μｍ以下の範囲内である。１つの測定領域５の厚さ方向の長さは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内である。測定領域５は、幅方向×厚さ方向で区画された四角形である。幅方向は、セラミックス基板２表面に平行な方向である。つまり、銅板３表面に平行な方向である。厚さ方向は、セラミックス基板２表面に垂直な方向であり、銅板３の厚さ方向である。測定領域５は、銅板３の厚さ方向に配列される。
各測定領域５のサイズとして、幅方向１００μｍ以上２００μｍ以下×厚さ方向１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内から一つのサイズが選ばれる。例えば、測定領域５のサイズが幅方向１５０μｍ×厚さ方向５０μｍに決定された場合には、すべての測定領域５のサイズが、幅方向１５０μｍ×厚さ方向５０μｍとなる。
測定領域５のサイズを決めたら、前述のピッチＰに合わせて測定領域を特定する。ピッチＰは、銅板３の接合面からカウントする。ピッチＰ→測定領域５→ピッチＰ→測定領域５を交互に位置決めしていく。図２では、接合層４に最も近い測定領域を第一測定領域５－１とした。接合層４から最も遠い測定領域を第ｎ測定領域５－ｎとした。
測定領域５を定めたら、Energy dispersive X-ray spectroscopy（ＥＤＸ）を用いて、各測定領域５のＡｇ濃度を測定する。ＥＤＸのことを、ＥＤＳと呼ぶこともある。Ａｇ濃度は、測定領域ごとに測定する。このため、第一測定領域５－１～第ｎ測定領域５－ｎを含むｎ個の測定領域のそれぞれのＡｇ濃度を測定する。
次に、複数の測定領域のピッチＰを決める。複数の測定領域は、銅板３の厚さ方向に、３０μｍ以上１００μｍ以下のピッチで等間隔に並ぶ。ピッチとは、上下に並ぶ測定領域の中心同士の間隔Ｐのことである。測定領域の中心同士の間隔Ｐのことを、ピッチＰということもある。ピッチＰは、３０～１００μｍの範囲内で一定の間隔とする。例えば、ピッチＰを５０μｍに決定したときは、ピッチＰは常に５０μｍとなる。また、ピッチＰを１００μｍに決定したときは、ピッチＰは常に１００μｍとなる。
１つの測定領域５の幅方向の長さは、１００μｍ以上２００μｍ以下の範囲内である。１つの測定領域５の厚さ方向の長さは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内である。測定領域５は、幅方向×厚さ方向で区画された四角形である。幅方向は、セラミックス基板２表面に平行な方向である。つまり、銅板３表面に平行な方向である。厚さ方向は、セラミックス基板２表面に垂直な方向であり、銅板３の厚さ方向である。測定領域５は、銅板３の厚さ方向に配列される。
各測定領域５のサイズとして、幅方向１００μｍ以上２００μｍ以下×厚さ方向１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内から一つのサイズが選ばれる。例えば、測定領域５のサイズが幅方向１５０μｍ×厚さ方向５０μｍに決定された場合には、すべての測定領域５のサイズが、幅方向１５０μｍ×厚さ方向５０μｍとなる。
測定領域５のサイズを決めたら、前述のピッチＰに合わせて測定領域を特定する。ピッチＰは、銅板３の接合面からカウントする。ピッチＰ→測定領域５→ピッチＰ→測定領域５を交互に位置決めしていく。図２では、接合層４に最も近い測定領域を第一測定領域５－１とした。接合層４から最も遠い測定領域を第ｎ測定領域５－ｎとした。
測定領域５を定めたら、Energy dispersive X-ray spectroscopy（ＥＤＸ）を用いて、各測定領域５のＡｇ濃度を測定する。ＥＤＸのことを、ＥＤＳと呼ぶこともある。Ａｇ濃度は、測定領域ごとに測定する。このため、第一測定領域５－１～第ｎ測定領域５－ｎを含むｎ個の測定領域のそれぞれのＡｇ濃度を測定する。
【0010】
Ａｇ濃度の測定には、Scanning Electron Microscope（ＳＥＭ）－ＥＤＸを用いる。ＳＥＭ－ＥＤＸとして、日本電子製ＪＥＤ－２３００またはそれと同等の性能を有する装置を用いる。Ａｇ濃度は原子％とし、小数点二桁まで測定する。また、ＥＤＸの測定では、ピークが安定する時間をとる。なお、ＳＥＭには、Field Emission（ＦＥ）－ＳＥＭを用いてもよい。
【0011】
銅板３は、前記セラミックス基板２側からその反対の側に向かって、Ａｇ濃度が相対的に低い領域、Ａｇ濃度が相対的に高い領域、Ａｇ濃度が相対的に低い領域の順に並んだ部分を含むことを特徴とする。セラミックス基板２側からセラミックス基板２側の反対の側に向かってとは、いわゆる銅板３の厚さ方向のことである。つまり、接合層４から銅板３表面に向かった方向である。
【0012】
例えば、銅板３は、第一領域、第二領域、および第三領域を含む。第一領域は、厚さ方向において、接合層４から離れている。第二領域は、接合層と前記第一領域との間に位置し、第一領域よりも高いＡｇ濃度を有する。第三領域は、接合層と第二領域との間に位置し、第二領域よりも低いＡｇ濃度を有する。第一領域は、第二領域および第三領域から見て、銅板３の表面側に位置する。
第一領域～第三領域は、複数の測定領域の一部であり、厚さ方向において互いに隣り合う。そのため、第一領域～第三領域は、厚さ方向において、３０μｍ以上１００μｍ以下のピッチで並ぶ。第一領域～第三領域のそれぞれのサイズは、幅方向１００μｍ以上２００μｍ以下×厚さ方向１０μｍ以上１００μｍ以下である。
第一領域～第三領域は、複数の測定領域の一部であり、厚さ方向において互いに隣り合う。そのため、第一領域～第三領域は、厚さ方向において、３０μｍ以上１００μｍ以下のピッチで並ぶ。第一領域～第三領域のそれぞれのサイズは、幅方向１００μｍ以上２００μｍ以下×厚さ方向１０μｍ以上１００μｍ以下である。
【0013】
上述したとおり、銅板３の一部では、Ａｇ濃度が相対的に低い領域、Ａｇ濃度が相対的に高い領域、Ａｇ濃度が相対的に低い領域が順に並んでいる。これは、接合層４から銅板３表面に向かって、各測定領域のＡｇ濃度を順番に比較したときに、Ａｇ濃度が相対的に低い領域、Ａｇ濃度が相対的に高い領域、Ａｇ濃度が相対的に低い領域となっている箇所が存在することを指す。例えば、第一測定領域５－１～第ｎ測定領域５－ｎを含む複数の測定領域５を設けたとする。これら第一測定領域５－１～第ｎ測定領域５－ｎの中に、接合層４から銅板３表面に向かう方向において、Ａｇ濃度が相対的に低い領域→Ａｇ濃度が相対的に高い領域→Ａｇ濃度が相対的に低い領域の順番に並ぶ３つの測定領域が存在する。以降では、Ａｇ濃度が相対的に高い領域（第二領域）を、「高濃度領域」とも呼ぶ。Ａｇ濃度が相対的に低い領域（第一領域および第三領域）を、「低濃度領域」とも呼ぶ。
従来、銅板へのＡｇの拡散量は、接合層から銅板表面に向かうに従って減っていた。このため、順番に並んだ測定領域のＡｇ濃度を比較すると、それらのＡｇ濃度は、互い→低い→さらに低い、という順に並んでいる。それに対し、実施形態にかかる接合体１では、銅板３の一部で、Ａｇ濃度が相対的に低い領域→Ａｇ濃度が相対的に高い領域→Ａｇ濃度が相対的に低い領域、という順番に並んでいる。このような３つの領域からなるＡｇ濃度の起伏を有するエリアは、少なくとも１つ存在すれば良い。銅板３において、Ａｇ濃度の起伏を有するエリアが２つ以上設けられても良い。好ましくは、銅板３において、１つのみの当該エリアが設けられる。
第一測定領域５－１～第ｎ測定領域５－ｎを含むｎ個の測定領域が設けられる場合、例えば、第一測定領域５－１と第二測定領域５－２と第三測定領域５－３を含むエリアが、Ａｇ濃度の起伏を有する。第三測定領域５－３が、上記第一領域に対応する。第二測定領域５－２が、上記第二領域に対応する。第一測定領域５－１が、上記第三領域に対応する。あるいは、第二測定領域５－２と第三測定領域５－３と第四測定領域５－４を含むエリア、第三測定領域５－３と第四測定領域５－４と第五測定領域５－５を含むエリア、第四測定領域５－４と第五測定領域５－５と第六測定領域５－６を含むエリア、または第五測定領域５－５と第六測定領域５－６と第七測定領域５－７を含むエリアのいずれかが、Ａｇ濃度の起伏を有しても良い。これらのエリアの２つ以上が、Ａｇ濃度の起伏を有しても良い。
また、銅板表面は、測定領域に含めない。このため、銅板表面から３０μｍ以上離れた個所を、第ｎ測定領域とする。３０μｍ以上離したのは、ピッチＰが３０μｍ以上１００μｍ以下のためである。なお、銅板表面で、Ａｇが検出されてもよいし、検出されなくてもよい。
従来、銅板へのＡｇの拡散量は、接合層から銅板表面に向かうに従って減っていた。このため、順番に並んだ測定領域のＡｇ濃度を比較すると、それらのＡｇ濃度は、互い→低い→さらに低い、という順に並んでいる。それに対し、実施形態にかかる接合体１では、銅板３の一部で、Ａｇ濃度が相対的に低い領域→Ａｇ濃度が相対的に高い領域→Ａｇ濃度が相対的に低い領域、という順番に並んでいる。このような３つの領域からなるＡｇ濃度の起伏を有するエリアは、少なくとも１つ存在すれば良い。銅板３において、Ａｇ濃度の起伏を有するエリアが２つ以上設けられても良い。好ましくは、銅板３において、１つのみの当該エリアが設けられる。
第一測定領域５－１～第ｎ測定領域５－ｎを含むｎ個の測定領域が設けられる場合、例えば、第一測定領域５－１と第二測定領域５－２と第三測定領域５－３を含むエリアが、Ａｇ濃度の起伏を有する。第三測定領域５－３が、上記第一領域に対応する。第二測定領域５－２が、上記第二領域に対応する。第一測定領域５－１が、上記第三領域に対応する。あるいは、第二測定領域５－２と第三測定領域５－３と第四測定領域５－４を含むエリア、第三測定領域５－３と第四測定領域５－４と第五測定領域５－５を含むエリア、第四測定領域５－４と第五測定領域５－５と第六測定領域５－６を含むエリア、または第五測定領域５－５と第六測定領域５－６と第七測定領域５－７を含むエリアのいずれかが、Ａｇ濃度の起伏を有しても良い。これらのエリアの２つ以上が、Ａｇ濃度の起伏を有しても良い。
また、銅板表面は、測定領域に含めない。このため、銅板表面から３０μｍ以上離れた個所を、第ｎ測定領域とする。３０μｍ以上離したのは、ピッチＰが３０μｍ以上１００μｍ以下のためである。なお、銅板表面で、Ａｇが検出されてもよいし、検出されなくてもよい。
【0014】
このように、Ａｇ濃度の起伏を有するエリアが存在し、銅板３がＡｇ濃度分布を有することが重要である。銅板３がＡｇ濃度分布を有することにより、接合体およびセラミックス銅回路基板のＴＣＴ特性を向上させることができる。Ａｇ濃度の起伏を有するエリアが存在するということは、銅板を厚さ方向に見たとき、銅板の内側に、高濃度領域が存在することを意味する。主に、Ａｇは銅板の銅結晶の粒界に存在する。銅結晶の粒界にＡｇが存在することにより、ピン止め効果により、銅板の熱膨張を抑制することができる。このため、ＴＣＴ特性を向上させることができる。また、接合層と高濃度領域との間に低濃度領域を形成することにより、銅板の熱伝導率および電気伝導性を活かしつつ、熱膨張を抑制できる。例えば、接合体サイズが縦または横が２００ｍｍ以上と大きくなったとしても、接合体の反り量を０．２ｍｍ以下にできる。なお、銅板の粒界にＡｇがあるか否かは、ＳＥＭ写真とＳＥＭ－ＥＤＸによる成分分析を組合わせることで分かる。まず、ＳＥＭ写真により銅板の粒界の場所を特定する。ＳＥＭ写真によって特定された場所を、ＥＤＸで分析することにより、銅板の粒界にＡｇがあるか否かを確認できる。
【0015】
高濃度領域（第二領域）は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内に存在することが好ましい。０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲は、接合層と銅板との境界を基準とする距離である。「０．１ｍｍ」は、接合層４により近い位置である。「０．５ｍｍ」は、銅板３の厚さ方向の中心側である。銅板３の中心部から接合層４の間に高濃度領域を形成することにより、銅板の熱膨張を抑制することができる。また、銅板の厚さＴに対し、０．３Ｔ～０．５Ｔの範囲に高濃度領域が存在することが好ましい。なお、銅板３と接合層４の境界は、Ａｇ量が５原子％である個所を基準に定義する。接合層中のＡｇは、銅板に拡散していく。接合層から銅板に向かうにつれて、Ａｇ量は少なくなる。接合層から銅板に向けてＡｇ量が５原子％となった個所を銅板３と接合層４の境界と定義する。
【0016】
高濃度領域におけるＡｇ濃度は、ＡｇとＣｕのそれぞれの濃度の合計を１００原子％としたとき、０．１原子％以上であることが好ましい。すなわち、高濃度領域における実際のＡｇ濃度（原子％）をＣＡｇ、実際のＣｕ濃度（原子％）をＣＣｕとしたとき、０．１≦ＣＡｇ
／（ＣＡｇ＋ＣＣｕ）であることが好ましい。また、高濃度領域におけるＡｇ濃度は、ＡｇとＣｕのそれぞれの濃度の合計を１００原子％としたとき、０．４原子％以下が好ましい。銅板中のＡｇ濃度が高くなり過ぎると、銅板の良さ（熱伝導率および電気伝導性）を活かせなくなる可能性がある。
ＡｇとＣｕのそれぞれの濃度の合計を１００原子％としたとき、低濃度領域におけるＡｇ濃度と高濃度領域におけるＡｇ濃度との差は、０．０５原子％以上であることが好ましい。Ａｇ濃度差を０．０５原子％以上とすることにより、効果を向上させることができる。
ＡｇとＣｕのそれぞれの濃度の合計を１００原子％としたとき、低濃度領域におけるＡｇ濃度と高濃度領域におけるＡｇ濃度との差は、０．０５原子％以上であることが好ましい。Ａｇ濃度差を０．０５原子％以上とすることにより、効果を向上させることができる。
【0017】
銅板３の厚さＴは、０．８ｍｍ以上であることが好ましい。銅板３が厚いと、熱膨張による変形量が増える。しかし、Ａｇ濃度を制御することにより、熱膨張を抑制できる。
銅板３として、純銅板または銅合金板を用いることができる。銅板は無酸素銅であることが好ましい。無酸素銅は、純銅の一種である。無酸素銅は、ＪＩＳ－Ｈ－３１００（ＩＳＯ１３３７など）に示されたように、銅純度９９．９６質量％以上の銅である。
セラミックス基板２として、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板、アルジル基板などが挙げられる。アルジル基板とは、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した基板である。
セラミックス基板２の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。基板厚さが０．１ｍｍ未満では、強度が低下する可能性がある。１ｍｍより厚いと、セラミックス基板が熱抵抗体となり、接合体の放熱性を低下させる可能性がある。
窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上であることが好ましい。熱伝導率は、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。窒化珪素基板の強度を上げることにより、基板厚さを薄くできる。このため、窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上が好ましい。窒化珪素基板の基板厚さを、０．４０ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下と薄くできる。
窒化アルミニウム基板の３点曲げ強度は、３００～４５０ＭＰａ程度である。その一方、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。窒化アルミニウム基板の強度は低いため、基板厚さは０．６０ｍｍ以上が好ましい。
酸化アルミニウム基板の３点曲げ強度は３００～４５０ＭＰａ程度であるが、酸化アルミニウム基板は安価である。アルジル基板の３点曲げ強度は５５０ＭＰａ程度と高いが、その熱伝導率は３０～５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
セラミックス基板２としては、窒化珪素基板が好ましい。前述のように窒化珪素基板の強度は高いため、基板厚さを薄くできる。これにより、セラミックス基板の熱抵抗を低減できる。
銅板３として、純銅板または銅合金板を用いることができる。銅板は無酸素銅であることが好ましい。無酸素銅は、純銅の一種である。無酸素銅は、ＪＩＳ－Ｈ－３１００（ＩＳＯ１３３７など）に示されたように、銅純度９９．９６質量％以上の銅である。
セラミックス基板２として、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板、アルジル基板などが挙げられる。アルジル基板とは、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した基板である。
セラミックス基板２の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。基板厚さが０．１ｍｍ未満では、強度が低下する可能性がある。１ｍｍより厚いと、セラミックス基板が熱抵抗体となり、接合体の放熱性を低下させる可能性がある。
窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上であることが好ましい。熱伝導率は、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。窒化珪素基板の強度を上げることにより、基板厚さを薄くできる。このため、窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上が好ましい。窒化珪素基板の基板厚さを、０．４０ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下と薄くできる。
窒化アルミニウム基板の３点曲げ強度は、３００～４５０ＭＰａ程度である。その一方、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。窒化アルミニウム基板の強度は低いため、基板厚さは０．６０ｍｍ以上が好ましい。
酸化アルミニウム基板の３点曲げ強度は３００～４５０ＭＰａ程度であるが、酸化アルミニウム基板は安価である。アルジル基板の３点曲げ強度は５５０ＭＰａ程度と高いが、その熱伝導率は３０～５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
セラミックス基板２としては、窒化珪素基板が好ましい。前述のように窒化珪素基板の強度は高いため、基板厚さを薄くできる。これにより、セラミックス基板の熱抵抗を低減できる。
【0018】
接合層４は、ＡｇおよびＴｉを含有する。Ｔｉ（チタン）は、活性金属と呼ばれる元素である。活性金属を用いたセラミックス基板と銅板の接合方法は、活性金属接合法と呼ばれている。ＡｇおよびＴｉを含有する接合層は、ＡｇおよびＴｉを含有するろう材を用いて形成される。Ｔｉを含有するろう材のことを、活性金属ろう材と呼ぶ。活性金属ろう材のことを、単にろう材と呼ぶこともある。
接合層４にＡｇ（銀）を含有させることにより、銅板３にＡｇを拡散させることができる。Ａｇの拡散を利用することにより、銅板３中のＡｇ濃度を制御することができる。予めＡｇを含有した銅板を使うことも考えられるが、この場合Ａｇ濃度は均一になり易く、Ａｇ濃度の分布を制御するのは困難である。
接合層４にＡｇ（銀）を含有させることにより、銅板３にＡｇを拡散させることができる。Ａｇの拡散を利用することにより、銅板３中のＡｇ濃度を制御することができる。予めＡｇを含有した銅板を使うことも考えられるが、この場合Ａｇ濃度は均一になり易く、Ａｇ濃度の分布を制御するのは困難である。
【0019】
接合層４は、ＡｇおよびＴｉに加えて、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、およびＣから選ばれる１種または２種以上を含有することが好ましい。
活性金属ろう材は、Ａｇ（銀）を２０質量％以上６０質量％以下、Ｃｕ（銅）を２５質量％以上７０質量％以下、Ｔｉ（チタン）またはＴｉＨ２（水素化チタン）を１質量％以上１５質量％以下含有することが好ましい。また、ＴｉとＴｉＨ２の両方を用いる場合は、それらの合計を１～１５質量％の範囲内とする。
必要に応じ、ろう材に、Ｓｎ（錫）またはＩｎ（インジウム）の１種または２種を１質量％以上５０質量％以下含有させてもよい。ＴｉまたはＴｉＨ２の含有量は、１～１５質量％であることが好ましい。必要に応じ、Ｃ（炭素）を０．１質量％以上２質量％以下、ろう材に含有させても良い。
活性金属ろう材組成の比率は、混合する原料の合計を１００質量％で計算する。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉの３種をろう材に用いる場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＝１００質量％とする。Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉＨ２、Ｉｎの４種をろう材に用いる場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋ＴｉＨ２＋Ｉｎ＝１００質量％とする。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃの５種で接合層４を構成する場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ＋Ｃ＝１００質量％とする。
ＡｇまたはＣｕは、ろう材の母材となる成分である。ＳｎまたはＩｎは、ろう材の融点を下げる効果を有する。Ｃ（炭素）は、ろう材の流動性を制御したり、他の成分と反応して接合層の組織を制御する効果を有する。このため、ろう材の成分としては、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃ、が挙げられる。また、Ｓｎの代わりにＩｎを用いてもよい。また、ＳｎとＩｎを両方用いてもよい。また、ＳｎやＩｎの代わりにＢｉ（ビスマス）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｇａ（ガリウム）などの低融点金属を用いてもよい。
活性金属ろう材は、Ａｇ（銀）を２０質量％以上６０質量％以下、Ｃｕ（銅）を２５質量％以上７０質量％以下、Ｔｉ（チタン）またはＴｉＨ２（水素化チタン）を１質量％以上１５質量％以下含有することが好ましい。また、ＴｉとＴｉＨ２の両方を用いる場合は、それらの合計を１～１５質量％の範囲内とする。
必要に応じ、ろう材に、Ｓｎ（錫）またはＩｎ（インジウム）の１種または２種を１質量％以上５０質量％以下含有させてもよい。ＴｉまたはＴｉＨ２の含有量は、１～１５質量％であることが好ましい。必要に応じ、Ｃ（炭素）を０．１質量％以上２質量％以下、ろう材に含有させても良い。
活性金属ろう材組成の比率は、混合する原料の合計を１００質量％で計算する。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉの３種をろう材に用いる場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＝１００質量％とする。Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉＨ２、Ｉｎの４種をろう材に用いる場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋ＴｉＨ２＋Ｉｎ＝１００質量％とする。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃの５種で接合層４を構成する場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ＋Ｃ＝１００質量％とする。
ＡｇまたはＣｕは、ろう材の母材となる成分である。ＳｎまたはＩｎは、ろう材の融点を下げる効果を有する。Ｃ（炭素）は、ろう材の流動性を制御したり、他の成分と反応して接合層の組織を制御する効果を有する。このため、ろう材の成分としては、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃ、が挙げられる。また、Ｓｎの代わりにＩｎを用いてもよい。また、ＳｎとＩｎを両方用いてもよい。また、ＳｎやＩｎの代わりにＢｉ（ビスマス）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｇａ（ガリウム）などの低融点金属を用いてもよい。
【0020】
以上で説明した接合体は、セラミックス銅回路基板に好適である。図３は、実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の一例を示す模式図である。図３において、６は回路部、７は放熱板、１０はセラミックス銅回路基板、である。
回路部６は表側の銅板３に回路構造を付与したものである。また、放熱板７は裏側の銅板３を加工したものである。図３では、２つの回路部６を設けた構造であるが、このような構造に限定されるものではない。回路部６は任意の個数や形状を付与することができる。また、両面の銅板３を回路部６としても良いものとする。また、回路部６や放熱板７の側面を傾斜構造としてもよい。また、回路部６や放熱板７の端部から接合層４をはみ出させた接合層はみだし部を設けてもよいものとする。
回路部６は表側の銅板３に回路構造を付与したものである。また、放熱板７は裏側の銅板３を加工したものである。図３では、２つの回路部６を設けた構造であるが、このような構造に限定されるものではない。回路部６は任意の個数や形状を付与することができる。また、両面の銅板３を回路部６としても良いものとする。また、回路部６や放熱板７の側面を傾斜構造としてもよい。また、回路部６や放熱板７の端部から接合層４をはみ出させた接合層はみだし部を設けてもよいものとする。
【0021】
実施形態に係るセラミックス銅回路基板は、半導体装置に好適である。図４は、実施形態にかかる半導体装置の一例を示す模式図である。図４において、２０は半導体装置、２１は半導体素子、２２はリードフレームである。図５に示す半導体装置２０では、２つの回路部６の一方に、半導体素子２１が実装されている。２つの回路部６の他方に、リードフレーム２２が接続されている。なお、実施形態にかかる半導体装置２０は、このような構造に限定されない。必要に応じて、回路部６の数およびサイズ、半導体素子２１の数およびサイズなどを適宜変更可能である。
【0022】
次に、実施形態にかかる接合体の製造方法について説明する。実施形態にかかる接合体は、上記構成を有していれば、その製造方法は限定されない。ここでは、実施形態にかかる接合体を歩留まり良く得るための方法を説明する。
まず、セラミックス基板２を用意する。セラミックス基板２として、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板、アルジル基板などが挙げられる。
銅板３として、銅板または銅合金板を用いることができる。銅板は、無酸素銅板であることが好ましい。無酸素銅はＪＩＳ－Ｈ－３１００に示されたように、銅純度９９．９６質量％以上の銅である。また、接合前の銅板における銅結晶の平均結晶粒径は、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。銅結晶の平均結晶粒径は、線インターセプト法を用いて算出する。銅板表面の任意の個所の直線１０ｍｍ上の銅結晶をカウントし、それらの結晶の平均結晶粒径を算出する。銅結晶の粒界が、Ａｇが拡散する主なルートになる。銅板の平均結晶粒径が５μｍ未満では、Ａｇ拡散量が増えすぎる。また、銅板の平均結晶粒径が１００μｍを超えて大きいと、Ａｇ拡散量が少なくなる。このため、接合前の銅板の平均結晶粒径は、５μｍ以上１００μｍ以下、さらには１０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。
まず、セラミックス基板２を用意する。セラミックス基板２として、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板、アルジル基板などが挙げられる。
銅板３として、銅板または銅合金板を用いることができる。銅板は、無酸素銅板であることが好ましい。無酸素銅はＪＩＳ－Ｈ－３１００に示されたように、銅純度９９．９６質量％以上の銅である。また、接合前の銅板における銅結晶の平均結晶粒径は、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。銅結晶の平均結晶粒径は、線インターセプト法を用いて算出する。銅板表面の任意の個所の直線１０ｍｍ上の銅結晶をカウントし、それらの結晶の平均結晶粒径を算出する。銅結晶の粒界が、Ａｇが拡散する主なルートになる。銅板の平均結晶粒径が５μｍ未満では、Ａｇ拡散量が増えすぎる。また、銅板の平均結晶粒径が１００μｍを超えて大きいと、Ａｇ拡散量が少なくなる。このため、接合前の銅板の平均結晶粒径は、５μｍ以上１００μｍ以下、さらには１０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。
【0023】
次に、ＡｇおよびＴｉを含有する活性金属ろう材ペーストを調製する。ＡｇおよびＴｉを含有する活性金属ろう材には、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃから選ばれる１種または２種以上を添加することが好ましい。Ｔｉは、ＴｉＨ２などの化合物として添加されてもよい。それぞれの成分の組成比（質量％）は、前述の通りである。
ろう材の原料となるＡｇ粉末の平均粒径Ｄ５０は、３．０μｍ以下、さらには２．０μｍ以下が好ましい。Ｃｕ粉末の平均粒径Ｄ５０は、６．０μｍ以下、さらには４．０μｍ以下が好ましい。Ｔｉ粉末またはＴｉＨ２粉末の平均粒径Ｄ５０は、６．０μｍ以下、さらには４．０μｍ以下が好ましい。Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の平均粒径Ｄ５０は、６．０μｍ以下、さらには４．０μｍ以下が好ましい。Ｃ粉末の平均粒径Ｄ５０は、６．０μｍ以下、さらには４．０μｍ以下が好ましい。
Ａｇ粉末の平均粒径Ｄ５０は、Ｃｕ粉末の平均粒径Ｄ５０よりも小さいことが好ましい。Ａｇ粉末の平均粒径Ｄ５０は、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の平均粒径Ｄ５０よりも小さいことが好ましい。Ｃｕ粉末の平均粒径Ｄ５０は、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の平均粒径Ｄ５０よりも小さいことが好ましい。Ａｇ粉末の粒径を小さくすることにより、銅板にＡｇが拡散され易くなる。
ろう材の原料となるＡｇ粉末の平均粒径Ｄ５０は、３．０μｍ以下、さらには２．０μｍ以下が好ましい。Ｃｕ粉末の平均粒径Ｄ５０は、６．０μｍ以下、さらには４．０μｍ以下が好ましい。Ｔｉ粉末またはＴｉＨ２粉末の平均粒径Ｄ５０は、６．０μｍ以下、さらには４．０μｍ以下が好ましい。Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の平均粒径Ｄ５０は、６．０μｍ以下、さらには４．０μｍ以下が好ましい。Ｃ粉末の平均粒径Ｄ５０は、６．０μｍ以下、さらには４．０μｍ以下が好ましい。
Ａｇ粉末の平均粒径Ｄ５０は、Ｃｕ粉末の平均粒径Ｄ５０よりも小さいことが好ましい。Ａｇ粉末の平均粒径Ｄ５０は、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の平均粒径Ｄ５０よりも小さいことが好ましい。Ｃｕ粉末の平均粒径Ｄ５０は、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の平均粒径Ｄ５０よりも小さいことが好ましい。Ａｇ粉末の粒径を小さくすることにより、銅板にＡｇが拡散され易くなる。
【0024】
活性金属ろう材の構成成分粉末を混合し、均一に分散して混合粉末を調製する。混合時間は１０時間以上が好ましい。次に、混合粉末を、バインダーおよび溶媒と混合して活性金属ろう材ペーストを調製する。活性金属ろう材ペーストを、セラミックス基板または銅板の少なくとも一方に塗布する。活性金属ろう材ペースト層の厚さは、５μｍ以上６０μｍ以下が好ましい。活性金属ろう材ペースト層の厚さとは、塗布したペーストを乾燥させた後の厚さである。活性金属ろう材ペースト層の厚さが５μｍ未満では、接合強度が低下する可能性がある。活性金属ろう材ペースト層の６０μｍを超えて厚いと、接合工程での熱応力が大きくなり、接合体の反りが大きくなる可能性がある。このため、活性金属ろう材ペースト層の厚さは、５μｍ以上６０μｍ以下、さらには１０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。
活性金属ろう材ペーストを塗布した後、ペーストを塗布していない方を載せる工程を行う。例えば、セラミックス基板に活性金属ろう材ペーストを塗布したら、銅板をセラミックス基板に載せる工程が行われる。セラミックス基板の両面に活性金属ろう材ペーストを塗布し、両面にそれぞれ銅板を配置してもよい。銅板に活性金属ろう材ペーストを塗布し、銅板にセラミックス基板を配置してもよい。
活性金属ろう材ペーストを塗布した後、ペーストを塗布していない方を載せる工程を行う。例えば、セラミックス基板に活性金属ろう材ペーストを塗布したら、銅板をセラミックス基板に載せる工程が行われる。セラミックス基板の両面に活性金属ろう材ペーストを塗布し、両面にそれぞれ銅板を配置してもよい。銅板に活性金属ろう材ペーストを塗布し、銅板にセラミックス基板を配置してもよい。
【0025】
次に、接合温度が９００℃以下である接合工程を行う。接合温度とは、一定時間保持される最高到達温度のことである。接合温度が高いと銅板を構成する銅結晶粒の粒成長が促進される。銅板の粒成長が早いと、Ａｇの拡散量が少なくなる。
接合温度は、９００℃以下、さらには８６０℃以下が好ましい。接合温度の下限は、特に限定されないが、５００℃以上が好ましい。接合温度が低いと、接合の信頼性が低下する可能性がある。このため、接合温度は５００℃以上９００℃以下、さらには５５０℃以上８６０℃以下が好ましい。接合温度の保持時間は１００分以下、さらには３０分以下が好ましい。
接合温度は、９００℃以下、さらには８６０℃以下が好ましい。接合温度の下限は、特に限定されないが、５００℃以上が好ましい。接合温度が低いと、接合の信頼性が低下する可能性がある。このため、接合温度は５００℃以上９００℃以下、さらには５５０℃以上８６０℃以下が好ましい。接合温度の保持時間は１００分以下、さらには３０分以下が好ましい。
【0026】
接合工程中の雰囲気は、真空または窒素雰囲気であることが好ましい。
真空の圧力は、１０－３Ｐａ以下が好ましい。真空中であると、ろう材中のＴｉが、セラミックス基板と反応する前に窒化するのを防ぐことができる。
窒素雰囲気とは、窒素を９０ｖｏｌ％以上含有する雰囲気のことである。接合工程中の雰囲気に窒素が存在すると、Ｔｉがセラミックス基板と反応する前にＴｉＮ（窒化チタン）になることが考えられる。ろう材中のＴｉ含有量が６質量％以上であれば、窒素雰囲気中でも、Ｔｉとセラミックス基板を十分に反応させることができる。
接合工程は、バッチ式、連続式のどちらで実行されてもよい。バッチ式では、セラミックス基板および銅板が収納容器に入れて熱処理が施される。連続式では、セラミックス基板および銅板がベルトコンベアー上に載せられ、移動しながら熱処理が施される。バッチ式は、真空中での接合工程に適している。連続式は、窒素雰囲気中の接合工程に適している。バッチ式で接合工程を行う場合は、接合温度の保持時間を短くできる。連続式で接合工程を行う場合は、接合温度の保持時間は長くなるが、連続的に熱処理できるので量産性は向上する。
接合温度からの冷却速度は、５０℃／分以下であることが好ましい。接合工程中の熱によって銅板へのＡｇ拡散が促進される。接合温度で保持した後、５０℃／分以下の遅い速度で冷却することにより、Ａｇの拡散速度を遅くすることができる。これにより、銅板内にＡｇ濃度の多い領域を形成することができる。
真空の圧力は、１０－３Ｐａ以下が好ましい。真空中であると、ろう材中のＴｉが、セラミックス基板と反応する前に窒化するのを防ぐことができる。
窒素雰囲気とは、窒素を９０ｖｏｌ％以上含有する雰囲気のことである。接合工程中の雰囲気に窒素が存在すると、Ｔｉがセラミックス基板と反応する前にＴｉＮ（窒化チタン）になることが考えられる。ろう材中のＴｉ含有量が６質量％以上であれば、窒素雰囲気中でも、Ｔｉとセラミックス基板を十分に反応させることができる。
接合工程は、バッチ式、連続式のどちらで実行されてもよい。バッチ式では、セラミックス基板および銅板が収納容器に入れて熱処理が施される。連続式では、セラミックス基板および銅板がベルトコンベアー上に載せられ、移動しながら熱処理が施される。バッチ式は、真空中での接合工程に適している。連続式は、窒素雰囲気中の接合工程に適している。バッチ式で接合工程を行う場合は、接合温度の保持時間を短くできる。連続式で接合工程を行う場合は、接合温度の保持時間は長くなるが、連続的に熱処理できるので量産性は向上する。
接合温度からの冷却速度は、５０℃／分以下であることが好ましい。接合工程中の熱によって銅板へのＡｇ拡散が促進される。接合温度で保持した後、５０℃／分以下の遅い速度で冷却することにより、Ａｇの拡散速度を遅くすることができる。これにより、銅板内にＡｇ濃度の多い領域を形成することができる。
【0027】
上記のように、接合前の銅板における銅結晶の粒径、ろう材中のＡｇ粒径、接合後の冷却速度などを制御することにより、銅板中のＡｇ濃度を制御することができる。銅板中のＡｇ濃度を制御した接合体は、優れたＴＣＴ特性を有する。また、接合体の縦または横のサイズが２００ｍｍ以上と大きくなったとしても、その反り量を０．１ｍｍ以下にすることができる。
必要に応じ、製造された接合体に対して、多数個取りを行ってもよい。多数個取りとは、大型の接合体を分割して小さな接合体を得る方法である。分割し易くするために、レーザスクライブ加工などが施されてもよい。実施形態によれば、接合体を大型化できるので、多数個取りに適した接合体を提供することができる。
得られた接合体１の銅板３に、回路部６および放熱板７の構造を付与することにより、セラミックス銅回路基板１０を製造することができる。回路部６または放熱板７への構造付与には、エッチング工程が有効である。回路部６または放熱板７の側面に、傾斜形状を設けてもよい。接合層４に対して、回路部６または放熱板７の端部からはみ出たはみだし部を設けてもよい。
必要に応じ、製造された接合体に対して、多数個取りを行ってもよい。多数個取りとは、大型の接合体を分割して小さな接合体を得る方法である。分割し易くするために、レーザスクライブ加工などが施されてもよい。実施形態によれば、接合体を大型化できるので、多数個取りに適した接合体を提供することができる。
得られた接合体１の銅板３に、回路部６および放熱板７の構造を付与することにより、セラミックス銅回路基板１０を製造することができる。回路部６または放熱板７への構造付与には、エッチング工程が有効である。回路部６または放熱板７の側面に、傾斜形状を設けてもよい。接合層４に対して、回路部６または放熱板７の端部からはみ出たはみだし部を設けてもよい。
【0028】
（実施例）
（実施例１～９、比較例１～２）
セラミックス基板として、表１に示した窒化珪素基板を用意した。
（実施例１～９、比較例１～２）
セラミックス基板として、表１に示した窒化珪素基板を用意した。
【0029】
【表1】
【0030】
次に、銅板として、表２に示したものを用意した。銅板は、いずれも無酸素銅である。
【0031】
【表2】
【0032】
次に、活性金属ろう材を用意した。構成成分の質量％、平均粒径Ｄ５０は、表３に示した通りである。
【0033】
【表3】
【0034】
次に、活性金属ろう材ペーストを調製して接合体を作製した。窒化珪素基板、活性金属ろう材、銅板、接合工程は、表４に示した通りである。接合は、１０－３Ｐａ以下の真空中で行った。
【0035】
【表4】
【0036】
得られた接合体について、銅板中のＡｇ濃度を調べた。Ａｇ濃度の分析は、接合体の任意の断面における銅板を、ＥＤＸで測定した。測定のためのＳＥＭ－ＥＤＸとして、日本電子製ＪＥＤ－２３００を用いた。
ＥＤＸの測定領域は、幅方向２００μｍ×厚さ方向５０μｍに統一した。測定領域同士の間隔Ｐは、５０μｍに統一した。銅板の厚さが０．８ｍｍの接合体に対しては、８カ所の測定領域を設定した。銅板の厚さが１．０ｍｍの接合体に対しては、１０カ所の測定領域を設定した。ＥＤＸによる測定結果から、銅板３中に、Ａｇ濃度が相対的に低い領域、Ａｇ濃度が相対的に高い領域、Ａｇ濃度が相対的に低い領域の順に並んだＡｇ濃度分布が存在するか調べた。Ａｇ濃度分布中の高濃度領域が、接合層と銅板との境界から０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内に存在するかを調べた。また、高濃度領域におけるＡｇ濃度（原子％）を調べた。
さらに、接合体の反り量を測定した。接合体の反り量として、長辺側の反り量を測定した。反り量が０．２ｍｍ以下の接合体を良（〇）と表示し、反り量が０．２ｍｍを超えた接合体を不良（×）と表示した。
その結果を表５に示す。
ＥＤＸの測定領域は、幅方向２００μｍ×厚さ方向５０μｍに統一した。測定領域同士の間隔Ｐは、５０μｍに統一した。銅板の厚さが０．８ｍｍの接合体に対しては、８カ所の測定領域を設定した。銅板の厚さが１．０ｍｍの接合体に対しては、１０カ所の測定領域を設定した。ＥＤＸによる測定結果から、銅板３中に、Ａｇ濃度が相対的に低い領域、Ａｇ濃度が相対的に高い領域、Ａｇ濃度が相対的に低い領域の順に並んだＡｇ濃度分布が存在するか調べた。Ａｇ濃度分布中の高濃度領域が、接合層と銅板との境界から０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内に存在するかを調べた。また、高濃度領域におけるＡｇ濃度（原子％）を調べた。
さらに、接合体の反り量を測定した。接合体の反り量として、長辺側の反り量を測定した。反り量が０．２ｍｍ以下の接合体を良（〇）と表示し、反り量が０．２ｍｍを超えた接合体を不良（×）と表示した。
その結果を表５に示す。
【0037】
【表5】
【0038】
表５から分かる通り、実施例にかかる接合体では、銅板の一部に、Ａｇ濃度分布が存在していた。Ａｇ濃度分布中の高濃度領域は、接合層と銅板との境界から０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内にあった。高濃度領域におけるＡｇ濃度は、０．１～０．４原子％の範囲内であった。また、Ａｇ濃度分布中において、高濃度領域と低濃度領域との間でのＡｇ濃度の差は、０．０５原子％以上であった。接合体の反り量は、０．２ｍｍ以下と小さな値であった。
それに対し、比較例にかかる接合体では、銅板中に、Ａｇ濃度が相対的に低い領域、Ａｇ濃度が相対的に高い領域、Ａｇ濃度が相対的に低い領域の順に並んだ部分が存在しなかった。比較例では、接合層側から銅板表面に向けて徐々にＡｇ濃度が少なくなっていた。また、接合体の反り量は、０．２ｍｍを超えていた。
Ａｇ濃度の制御には、銅板における銅結晶の粒径、ろう材のＡｇ粒径、接合工程の冷却速度などが有効であることが分かる。また、実施形態によれば、接合体の長辺が２００ｍｍ以上と大型化したとしても、反り量を低減できることが分かった。
それに対し、比較例にかかる接合体では、銅板中に、Ａｇ濃度が相対的に低い領域、Ａｇ濃度が相対的に高い領域、Ａｇ濃度が相対的に低い領域の順に並んだ部分が存在しなかった。比較例では、接合層側から銅板表面に向けて徐々にＡｇ濃度が少なくなっていた。また、接合体の反り量は、０．２ｍｍを超えていた。
Ａｇ濃度の制御には、銅板における銅結晶の粒径、ろう材のＡｇ粒径、接合工程の冷却速度などが有効であることが分かる。また、実施形態によれば、接合体の長辺が２００ｍｍ以上と大型化したとしても、反り量を低減できることが分かった。
【0039】
次に、接合体をエッチング加工して、表面側の銅板に回路部の構造を付与し、裏面側の銅板に放熱板の構造を付与した。接合体をスクライブ加工して、４つのセラミックス銅回路基板を多数個取りした。
各セラミックス銅回路基板についてＴＣＴ特性を調べた。
ＴＣＴ試験は、－４０℃×３０分→常温×１０分→１７０℃×３０分→常温×１０分を１サイクルとし、１５００サイクルおよび２５００サイクルの試験を行った。それぞれ４個共に不具合が発生しなかったものを最良（◎）、不具合の発生が１個だったものを良（〇）、不具合が２個以上発生したものを不良（×）とした。
その結果を表６に示した。
各セラミックス銅回路基板についてＴＣＴ特性を調べた。
ＴＣＴ試験は、－４０℃×３０分→常温×１０分→１７０℃×３０分→常温×１０分を１サイクルとし、１５００サイクルおよび２５００サイクルの試験を行った。それぞれ４個共に不具合が発生しなかったものを最良（◎）、不具合の発生が１個だったものを良（〇）、不具合が２個以上発生したものを不良（×）とした。
その結果を表６に示した。
【0040】
【表6】
【0041】
表６から分かる通り、実施例にかかるセラミックス銅回路基板については、ＴＣＴ特性が良好であった。銅板中のＡｇ濃度を制御することにより、ＴＣＴ特性を改善できることが分かった。実施例１～８については、高濃度領域と低濃度領域との間でのＡｇ濃度の差は、０．０５原子％以上０．４原子％以下の範囲内であった。実施例９については、高濃度領域と低濃度領域との間でのＡｇ濃度の差は、０．０２原子％であった。Ａｇ濃度の差が小さいと、ＴＣＴ特性は若干低下することが分かった。
比較例については、サイクル数が少ないうちは不具合が発生しなかった。しかしながら、比較例では、サイクル数が増えていくと不具合が発生するセラミックス銅回路基板が増えた。これは、銅板中のＡｇ濃度が影響していると考えられる。
比較例については、サイクル数が少ないうちは不具合が発生しなかった。しかしながら、比較例では、サイクル数が増えていくと不具合が発生するセラミックス銅回路基板が増えた。これは、銅板中のＡｇ濃度が影響していると考えられる。
【0042】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態はその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【0043】
１…接合体
２…セラミックス基板
３…銅板
４…接合層
５…測定領域
６…回路部
７…放熱板
１０…セラミックス銅回路基板
Ｔ…銅板の厚さ
Ｐ…測定領域同士のピッチ
２…セラミックス基板
３…銅板
４…接合層
５…測定領域
６…回路部
７…放熱板
１０…セラミックス銅回路基板
Ｔ…銅板の厚さ
Ｐ…測定領域同士のピッチ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】