JP2025007185A

JP2025007185A - Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board

Info

Publication number: JP2025007185A
Application number: JP2023108414A
Authority: JP
Inventors: 伸幸寺▲崎▼
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2023-06-30
Filing date: 2023-06-30
Publication date: 2025-01-17

Abstract

【課題】厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合性に優れ、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体を提供する。
【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材と、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、前記セラミックス部材のうち前記銅部材側の領域には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される一種又は二種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層、または、酸化マグネシウム層、が形成されており、前記銅部材のうち前記セラミックス部材側の領域には、Ｍｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層と前記活性金属化合物層または前記酸化マグネシウム層との間に、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗから選択される一種又は二種以上の遷移金属を含む遷移金属層が形成されている。
【選択図】なし The present invention provides a copper/ceramic bonded body that has excellent bondability between a ceramic member and a copper member and excellent reliability in thermal cycles even when subjected to severe thermal cycles.
[Solution] A copper/ceramic bonded body formed by bonding a copper member made of copper or a copper alloy to a ceramic member, wherein an active metal compound layer containing a compound of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb and Hf, or a magnesium oxide layer, is formed in a region of the ceramic member facing the copper member, an Mg solid solution layer is formed in a region of the copper member facing the ceramic member, and a transition metal layer containing one or more transition metals selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ta and W is formed between the Mg solid solution layer and the active metal compound layer or the magnesium oxide layer.
[Selection diagram] None

Description

この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、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、および、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に関するものである。 This invention relates to a copper/ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy is bonded to a ceramic member, and an insulated circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate.

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。 In the power module, LED module and thermoelectric module, a power semiconductor element, an LED element and a thermoelectric element are bonded to an insulating circuit board having a circuit layer made of a conductive material formed on one surface of an insulating layer.
For example, power semiconductor elements for controlling large amounts of power used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, and the like generate a large amount of heat during operation. Therefore, as a substrate for mounting these elements, an insulated circuit board has been widely used which includes a ceramic substrate, a circuit layer formed by bonding a metal plate with excellent electrical conductivity to one surface of the ceramic substrate, and a metal layer for heat dissipation formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate.

例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、銅板を接合することにより回路層およ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および他方の面に、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。 For example, Patent Document 1 proposes an insulating circuit board in which a circuit layer and a metal layer are formed by bonding copper plates to one and the other sides of a ceramic substrate. In Patent Document 1, copper plates are placed on one and the other sides of a ceramic substrate with an Ag-Cu-Ti brazing material interposed therebetween, and the copper plates are bonded by heat treatment (the so-called active metal brazing method). In this active metal brazing method, a brazing material containing Ti, an active metal, is used, which improves the wettability of the molten brazing material with the ceramic substrate, resulting in good bonding between the ceramic substrate and the copper plates.

特許第３２１１８５６号公報Patent No. 3211856

ところで、最近では、絶縁回路基板に搭載される半導体素子の発熱温度が高くなる傾向にある。また、絶縁回路基板に半導体素子が搭載された半導体デバイスにおいては、高速スイッチングが可能な高温動作デバイスとして使用される。
よって、絶縁回路基板には、短周期で高温条件の熱応力が負荷されることになり、従来にも増して、高い冷熱サイクル信頼性が求められている。 Recently, the temperature of heat generated by semiconductor elements mounted on insulating circuit boards has been increasing. Furthermore, semiconductor devices having semiconductor elements mounted on insulating circuit boards are used as high-temperature operating devices capable of high-speed switching.
Therefore, the insulating circuit board is subjected to thermal stress under high temperature conditions in a short period of time, and is required to have higher thermal cycle reliability than ever before.

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、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合性に優れ、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、および、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することを目的とする。 This invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a copper/ceramic bonded body that has excellent bonding between the ceramic member and the copper member and excellent thermal cycle reliability even when subjected to severe thermal cycles, and an insulated circuit board made of this copper/ceramic bonded body.

前述の課題を解決するために、本発明の態様１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、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、前記セラミックス部材のうち前記銅部材側の領域には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される一種又は二種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層、または、酸化マグネシウム層、が形成されており、前記銅部材のうち前記セラミックス部材側の領域には、Ｍｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層と前記活性金属化合物層または前記酸化マグネシウム層との間に、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗから選択される一種又は二種以上の遷移金属を含む遷移金属層が形成されていることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the copper/ceramic bonded body of the present invention in aspect 1 is a copper/ceramic bonded body formed by bonding a copper member made of copper or a copper alloy to a ceramic member, and is characterized in that an active metal compound layer containing one or more active metal compounds selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, or a magnesium oxide layer, is formed in the region of the ceramic member facing the copper member, an Mg solid solution layer is formed in the region of the copper member facing the ceramic member, and a transition metal layer containing one or more transition metals selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ta, and W is formed between the Mg solid solution layer and the active metal compound layer or the magnesium oxide layer.

本発明の態様１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のうち前記銅部材側の領域に、活性金属化合物層または酸化マグネシウム層が形成され、前記銅部材のうち前記セラミックス部材側の領域には、Ｍｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層と前記活性金属化合物層または前記酸化マグネシウム層との間に、前記遷移金属層が形成されている。
ここで、活性金属化合物層または酸化マグネシウム層とＭｇ固溶層と遷移金属層は整合性が高く、かつ、遷移金属層は活性金属化合物層または酸化マグネシウム層と比べて銅との整合性が高いことから、前記銅部材のうち前記セラミックス部材側の領域には、Ｍｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層と前記活性金属化合物層または前記酸化マグネシウム層との間に、前記遷移金属層が存在することにより、セラミックス部材と銅部材との接合信頼性が大幅に向上することになる。
よって、本発明の態様１の銅／セラミックス接合体においては、短周期で高温条件の冷熱サイクルが負荷された場合であっても、セラミックス部材と銅部材とが剥離せず、冷熱サイクル信頼性に特に優れている。 In the copper/ceramic joined body of aspect 1 of the present invention, an active metal compound layer or a magnesium oxide layer is formed in a region of the ceramic member facing the copper member, an Mg solid solution layer is formed in a region of the copper member facing the ceramic member, and the transition metal layer is formed between the Mg solid solution layer and the active metal compound layer or the magnesium oxide layer.
Here, the active metal compound layer or magnesium oxide layer, the Mg solid solution layer, and the transition metal layer are highly compatible, and the transition metal layer is more compatible with copper than the active metal compound layer or magnesium oxide layer, so that an Mg solid solution layer is formed in the region of the copper member facing the ceramic member, and the presence of the transition metal layer between the Mg solid solution layer and the active metal compound layer or the magnesium oxide layer greatly improves the bonding reliability between the ceramic member and the copper member.
Therefore, in the copper/ceramic joined body of aspect 1 of the present invention, even when a thermal cycle under high temperature conditions is applied in a short period, the ceramic member and the copper member do not peel off from each other, and the copper/ceramic joined body has particularly excellent thermal cycle reliability.

本発明の態様２の銅／セラミックス接合体は、態様１の銅／セラミックス接合体において、前記活性金属化合物層は、複数の活性金属化合物粒子が集合した組織とされていることを特徴とする。 The copper/ceramic bonded body of aspect 2 of the present invention is characterized in that in the copper/ceramic bonded body of aspect 1, the active metal compound layer has a structure in which a plurality of active metal compound particles are aggregated.

本発明の態様３の銅／セラミックス接合体は、態様２の銅／セラミックス接合体において、前記活性金属化合物粒子の間には、銅粒界相が存在していることを特徴とする。 The copper/ceramic bonded body of aspect 3 of the present invention is characterized in that, in the copper/ceramic bonded body of aspect 2, a copper grain boundary phase is present between the active metal compound particles.

本発明の態様４の銅／セラミックス接合体は、態様１の銅／セラミックス接合体において、前記酸化マグネシウム層は、複数のマグネシウム酸化物粒子が集合した組織とされていることを特徴とする。 The copper/ceramic bonded body of aspect 4 of the present invention is characterized in that in the copper/ceramic bonded body of aspect 1, the magnesium oxide layer has a structure in which a plurality of magnesium oxide particles are aggregated.

本発明の態様５の銅／セラミックス接合体は、態様４の銅／セラミックス接合体において、前記マグネシウム酸化物粒子の間には、銅粒界相が存在していることを特徴とする。 The copper/ceramic bonded body of aspect 5 of the present invention is characterized in that, in the copper/ceramic bonded body of aspect 4, a copper grain boundary phase is present between the magnesium oxide particles.

本発明の態様６の絶縁回路基板は、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、前記セラミックス基板のうち前記銅板側の領域には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される一種又は二種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層、または、酸化マグネシウム層、が形成されており、前記銅板のうち前記セラミックス基板側の領域には、Ｍｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層と前記活性金属化合物層または前記酸化マグネシウム層との間に、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗから選択される一種又は二種以上の遷移金属を含む遷移金属層が形成されていることを特徴としている。 The insulated circuit board of the sixth aspect of the present invention is an insulated circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate, and an active metal compound layer containing one or more active metal compounds selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, or a magnesium oxide layer is formed in the region of the ceramic substrate facing the copper plate, an Mg solid solution layer is formed in the region of the copper plate facing the ceramic substrate, and a transition metal layer containing one or more transition metals selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ta, and W is formed between the Mg solid solution layer and the active metal compound layer or the magnesium oxide layer.

本発明の態様６の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板のうち前記銅板側の領域に活性金属化合物層または酸化マグネシウム層が形成され、前記銅板のうち前記セラミックス基板側の領域には、Ｍｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層と前記活性金属化合物層または前記酸化マグネシウム層との間に、が形成されているので、セラミックス基板と銅板との接合信頼性が大幅に向上することになる。
よって、本発明の態様６の絶縁回路基板においては、短周期で高温条件の冷熱サイクルが負荷された場合であっても、セラミックス基板と銅板とが剥離せず、冷熱サイクル信頼性に特に優れている。 In the insulating circuit board of aspect 6 of the present invention, an active metal compound layer or a magnesium oxide layer is formed in the region of the ceramic substrate facing the copper plate, and an Mg solid solution layer is formed in the region of the copper plate facing the ceramic substrate, and between the Mg solid solution layer and the active metal compound layer or the magnesium oxide layer, the bonding reliability between the ceramic substrate and the copper plate is greatly improved.
Therefore, in the insulating circuit board of aspect 6 of the present invention, even when subjected to a thermal cycle under high temperature conditions in a short period, the ceramic substrate and the copper plate do not peel off from each other, and the insulating circuit board has particularly excellent thermal cycle reliability.

本発明の態様７の絶縁回路基板は、態様６の絶縁回路基板において、前記活性金属化合物層は、複数の活性金属化合物粒子が集合した組織とされていることを特徴とする。 The insulating circuit board of the seventh aspect of the present invention is the insulating circuit board of the sixth aspect, characterized in that the active metal compound layer has a structure in which a plurality of active metal compound particles are aggregated.

本発明の態様８の絶縁回路基板は、態様７の絶縁回路基板において、前記活性金属化合物粒子の間には、銅粒界相が存在していることを特徴とする。 The insulating circuit board of aspect 8 of the present invention is characterized in that, in the insulating circuit board of aspect 7, a copper grain boundary phase is present between the active metal compound particles.

本発明の態様９の絶縁回路基板は、態様６の絶縁回路基板において、前記酸化マグネシウム層は、複数のマグネシウム酸化物粒子が集合した組織とされていることを特徴とする。 The insulated circuit board of the ninth aspect of the present invention is the insulated circuit board of the sixth aspect, characterized in that the magnesium oxide layer has a structure in which a plurality of magnesium oxide particles are aggregated.

本発明の態様１０の絶縁回路基板は、態様９の絶縁回路基板において、前記マグネシウム酸化物粒子の間には、銅粒界相が存在していることを特徴とする。 The insulating circuit board of aspect 10 of the present invention is characterized in that, in the insulating circuit board of aspect 9, a copper grain boundary phase is present between the magnesium oxide particles.

本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合性に優れ、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、および、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することができる。 The present invention provides a copper/ceramic bonded body that has excellent bonding strength between the ceramic member and the copper member and excellent thermal cycle reliability even when subjected to severe thermal cycles, and an insulated circuit board made of this copper/ceramic bonded body.

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。FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a power module using an insulating circuit board according to an embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層および金属層とセラミックス基板との接合界面の拡大説明図である。2 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between a circuit layer and a metal layer of the insulating circuit board according to the first embodiment of the present invention and a ceramic substrate. FIG. 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。FIG. 2 is a flow diagram of a method for producing an insulating circuit board according to a first embodiment of the present invention. 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概略説明図である。1A to 1C are schematic explanatory diagrams of a method for producing an insulating circuit board according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第二の実施形態に係る絶縁回路基板の概略説明図である。FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of an insulating circuit board according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第二の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層および金属層とセラミックス基板との接合界面の拡大説明図である。5 is an enlarged explanatory view of a bonding interface between a circuit layer and a metal layer of an insulating circuit board according to a second embodiment of the present invention and a ceramic substrate. FIG. 実施例における表面切削試験の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a surface cutting test in the examples.

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。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the attached drawings.

（第一の実施形態）
本発明の第一の実施形態に係る銅／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）および銅板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。 First Embodiment
The copper/ceramic bonded body according to the first embodiment of the present invention is an insulating circuit board 10 formed by bonding a ceramic substrate 11 as a ceramic member made of ceramics to a copper plate 22 (circuit layer 12) and a copper plate 23 (metal layer 13) as copper members made of copper or a copper alloy. Fig. 1 shows a power module 1 including the insulating circuit board 10 according to this embodiment.

このパワーモジュール１は、回路層１２および金属層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５と、を備えている。 This power module 1 includes an insulating circuit board 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are arranged, a semiconductor element 3 bonded to one surface of the circuit layer 12 (the upper surface in FIG. 1) via a bonding layer 2, and a heat sink 5 disposed on the other side of the metal layer 13 (the lower side in FIG. 1).

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。 The semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si. The semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded to each other via a bonding layer 2.
The bonding layer 2 is made of, for example, a Sn--Ag based, Sn--In based, or Sn--Ag--Cu based solder material.

ヒートシンク５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５は、銅又は銅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５には、冷却用の流体が流れるための流路が設けられている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク５と金属層１３とが、はんだ材からなるはんだ層７によって接合されている。このはんだ層７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。 The heat sink 5 is for dissipating heat from the insulating circuit board 10. The heat sink 5 is made of copper or a copper alloy, and in this embodiment, is made of phosphorus deoxidized copper. The heat sink 5 is provided with a flow path for a cooling fluid to flow.
In this embodiment, the heat sink 5 and the metal layer 13 are joined by a solder layer 7 made of a solder material. The solder layer 7 is made of, for example, a Sn-Ag based, Sn-In based, or Sn-Ag-Cu based solder material.

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。 As shown in FIG. 1, the insulating circuit board 10 of this embodiment includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and a metal layer 13 disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.

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）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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。 The ceramic substrate 11 is made of ceramics such as silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) and aluminum nitride (AlN) that have excellent insulating and heat dissipating properties. In this embodiment, the ceramic substrate 11 is made of aluminum nitride (AlN) that has particularly excellent heat dissipating properties. The thickness of the ceramic substrate 11 is set, for example, within a range of 0.2 mm to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in this embodiment.

回路層１２は、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４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、０．２５ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 4, the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface (the upper surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 .
In this embodiment, the circuit layer 12 is formed by bonding a rolled sheet of oxygen-free copper to the ceramic substrate 11 .
The thickness of the copper plate 22 that becomes the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm to 2.0 mm, and is set to 0.25 mm in this embodiment.

金属層１３は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図４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、０．２５ｍｍに設定されている。 As shown in FIG. 4, the metal layer 13 is formed by joining a copper plate 23 made of copper or a copper alloy to the other surface (the lower surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 .
In this embodiment, the metal layer 13 is formed by bonding a rolled sheet of oxygen-free copper to the ceramic substrate 11 .
The thickness of the copper plate 23 that becomes the metal layer 13 is set within a range of 0.1 mm to 2.0 mm, and is set to 0.25 mm in this embodiment.

ここで、図２に、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面近傍の拡大図を示す。
セラミックス基板１１のうち回路層１２（金属層１３）側の領域には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される一種又は二種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層３１が形成されている。 FIG. 2 shows an enlarged view of the vicinity of the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13).
An active metal compound layer 31 containing a compound of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed in the region of the ceramic substrate 11 on the circuit layer 12 (metal layer 13) side.

活性金属化合物層３１は、セラミックス基板１１と銅板２２（銅板２３）とを接合する際に用いられる活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）がセラミックス基板１１への拡散し、セラミックス基板１１の構成元素と反応して形成されるものであり、セラミックス基板１１の一部となる。
活性金属化合物層３１は、より具体的には、セラミックス基板が窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、又は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる場合には、これらの活性金属の窒化物からなる層となる。
そして、活性金属化合物層３１は、図２に示すように、複数の活性金属化合物粒子３２が集合した組織とされており、これらの活性金属化合物粒子３２の間には、銅粒界相３３が存在している。 The active metal compound layer 31 is formed when an active metal (Ti, Zr, Nb, Hf) used in joining the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (copper plate 23) diffuses into the ceramic substrate 11 and reacts with the constituent elements of the ceramic substrate 11, and becomes part of the ceramic substrate 11.
More specifically, when the ceramic substrate is made of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) or aluminum nitride (AlN), the active metal compound layer 31 is a layer made of a nitride of these active metals.
As shown in FIG. 2 , the active metal compound layer 31 has a structure in which a plurality of active metal compound particles 32 are aggregated, and a copper grain boundary phase 33 is present between these active metal compound particles 32.

なお、本実施形態では、接合する際に用いられる活性金属としてＴｉを用いており、セラミックス基板１１が窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で構成されているため、活性金属化合物層３１は、主に窒化チタン（ＴｉＮ）で構成される。
また、本実施形態では、活性金属化合物層３１は、平均粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の複数の窒化チタン粒子（活性金属化合物粒子３２）が集合して形成されたものとされている。 In this embodiment, Ti is used as the active metal used in bonding, and since the ceramic substrate 11 is made of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), the active metal compound layer 31 is mainly made of titanium nitride (TiN).
In this embodiment, the active metal compound layer 31 is formed by aggregating a plurality of titanium nitride particles (active metal compound particles 32) having an average particle size of 10 nm or more and 100 nm or less.

そして、活性金属化合物層３１のうち回路層１２（金属層１３）側の界面には、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗから選択される一種又は二種以上の遷移金属を含む遷移金属層３４が形成されている。
なお、遷移金属層３４は、活性金属化合物層３１のうち回路層１２（金属層１３）側の界面のみでなく、活性金属化合物粒子３２と銅粒界相３３との界面に形成されていてもよい。すなわち、遷移金属層３４は、活性金属化合物層３１を構成する活性金属化合物粒子３２の外周面に形成されていてもよい。 A transition metal layer 34 containing one or more transition metals selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ta, and W is formed at the interface of the active metal compound layer 31 on the circuit layer 12 (metal layer 13) side.
The transition metal layer 34 may be formed not only at the interface of the active metal compound layer 31 on the circuit layer 12 (metal layer 13) side, but also at the interface between the active metal compound particles 32 and the copper grain boundary phase 33. In other words, the transition metal layer 34 may be formed on the outer circumferential surface of the active metal compound particles 32 constituting the active metal compound layer 31.

また、本実施形態においては、回路層１２（金属層１３）のうちセラミックス基板１１側の領域には、Ｍｇ固溶層３６が形成されている。
このＭｇ固溶層３６は、セラミックス基板１１と銅板２２（銅板２３）とを接合する際に用いられる接合材に含まれるＭｇが、銅板２２（銅板２３）側に拡散することで形成されるものであり、回路層１２（金属層１３）の一部となる。 In this embodiment, an Mg solid solution layer 36 is formed in the region of the circuit layer 12 (metal layer 13) on the ceramic substrate 11 side.
This Mg solid solution layer 36 is formed by the diffusion of Mg contained in the bonding material used to bond the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (copper plate 23) toward the copper plate 22 (copper plate 23), and becomes part of the circuit layer 12 (metal layer 13).

ここで、Ｍｇ固溶層３６においては、ＣｕとＭｇと活性金属と遷移金属の合計を１００原子％として、Ｍｇ濃度が０．０５原子％以上６．９原子％以下の範囲内とされている。
なお、このＭｇ固溶層３６においては、Ｍｇ濃度が３０原子%以上７０％原子％以下の範囲内とされた金属間化合物（例えば、Ｃｕ_２Ｍｇ、ＣｕＭｇ_２等）を含有していてもよい。 Here, in the Mg solid solution layer 36, the Mg concentration is within the range of 0.05 atomic % to 6.9 atomic % with the total of Cu, Mg, active metals, and transition metals being 100 atomic %.
The Mg solid solution layer 36 may contain an intermetallic compound (such as Cu ₂ Mg, CuMg ₂ , etc.) with a Mg concentration in the range of 30 atomic % to 70 atomic %.

ここで、本実施形態においては、活性金属化合物層３１の厚さが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、本実施形態においては、Ｍｇ固溶層３６の厚さが０μｍを超え２００μｍ以下の範囲内とされていることが好ましいく、５０μｍ以上１２０μｍ以下が更に好ましい。
さらに、本実施形態においては、遷移金属層３４の厚さが１ｎｍ以上１５ｎｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。 In this embodiment, the thickness of the active metal compound layer 31 is preferably within a range of 0.05 μm to 1.2 μm.
In this embodiment, the thickness of the Mg solid solution layer 36 is preferably within a range of more than 0 μm and not more than 200 μm, and more preferably 50 μm or more and 120 μm or less.
Furthermore, in this embodiment, the thickness of the transition metal layer 34 is preferably within the range of 1 nm to 15 nm.

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３および図４を参照して説明する。 The manufacturing method of the insulating circuit board 10 according to this embodiment will be described below with reference to Figures 3 and 4.

（接合材配設工程Ｓ０１）
まず、セラミックス基板１１を準備し、図４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、および、金属層１３となる銅板２３とセラミックス基板１１との間に、接合材２５として、Ｍｇ、Ｃｕ、活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ）、遷移金属（Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ）を配設する。 (Joint material disposing step S01)
First, a ceramic substrate 11 is prepared, and as shown in FIG. 4 , bonding materials 25 such as Mg, Cu, active metals (Ti, Zr, Nb, Hf), and transition metals (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ta, W) are disposed between the copper plate 22 that will become the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11, and between the copper plate 23 that will become the metal layer 13 and the ceramic substrate 11.

ここで、接合材配設工程Ｓ０１では、Ｍｇ、Ｃｕ、活性金属、遷移金属の配設量を以下のように設定することが好ましい。なお、セラミックス基板１１と銅板２２（銅板２３）とを接合可能であればＣｕを配設しなくてもよい。
Ｍｇ：１４．３μｍｏｌ／ｃｍ^２以上７１．５μｍｏｌ／ｃｍ^２以下
Ｃｕ：０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上７０．５μｍｏｌ／ｃｍ^２以下
活性金属：０．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１８．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以下
遷移金属：１．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１５．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下 In the bonding material disposing step S01, the amounts of Mg, Cu, active metal, and transition metal are preferably set as follows: Note that if the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 (copper plate 23) can be bonded, Cu does not need to be disposed.
Mg: 14.3 μmol/cm ² or more and 71.5 μmol/cm ² or less Cu: 0 μmol/cm ² or more and 70.5 μmol/cm ² or less Active metal: 0.8 μmol/cm ² or more and 18.8 μmol/cm ² or less Transition metal: 1.0 μmol/cm ² or more 15.0 μmol/cm ² or less

（積層工程Ｓ０２）
次に、銅板２２とセラミックス基板１１を、接合材２５（Ｍｇ、Ｃｕ、活性金属、遷移金属）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、接合材２５（Ｍｇ、Ｃｕ、活性金属、遷移金属）を介して積層する。 (Lamination step S02)
Next, the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 are laminated with a bonding material 25 (Mg, Cu, active metal, transition metal) interposed therebetween, and the ceramic substrate 11 and the copper plate 23 are laminated with a bonding material 25 (Mg, Cu, active metal, transition metal) interposed therebetween.

（接合工程Ｓ０３）
次に、積層された銅板２２、接合材２５（Ｍｇ、Ｃｕ、活性金属、遷移金属）、セラミックス基板１１、接合材２５（Ｍｇ、Ｃｕ、活性金属、遷移金属）、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。
このとき、接合材２５の各元素は、銅板２２，２３側、あるいは、セラミックス基板１１側に拡散し、Ｍｇ固溶層３６、活性金属化合物層３１が形成されることから、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との間に接合層は存在しない。 (Joining step S03)
Next, the stacked copper plate 22, bonding material 25 (Mg, Cu, active metal, transition metal), ceramic substrate 11, bonding material 25 (Mg, Cu, active metal, transition metal), and copper plate 23 are pressed in the stacking direction and placed in a vacuum furnace and heated to bond the copper plate 22, ceramic substrate 11, and copper plate 23 together.
At this time, each element of the bonding material 25 diffuses to the copper plates 22, 23 side or the ceramic substrate 11 side, and an Mg solid solution layer 36 and an active metal compound layer 31 are formed, so that no bonding layer exists between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13).

ここで、接合工程Ｓ０３における加熱温度は、７５０℃以上９５０℃以下の範囲内とすることが好ましく、７４０℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計は、３０℃・ｈ以上５００℃・ｈ以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、接合工程Ｓ０３における加圧荷重Ｐは、０．０９８ＭＰａ以上１．４７ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。 Here, the heating temperature in the bonding process S03 is preferably within a range of 750°C or more and 950°C or less, and the sum of the temperature integral values in the temperature increasing process from 740°C to the heating temperature and the holding process at the heating temperature is preferably within a range of 30°C·h or more and 500°C·h or less.
The pressure load P in the joining step S03 is preferably set to a range of 0.098 MPa or more and 1.47 MPa or less.

以上のように、接合材配設工程Ｓ０１と、積層工程Ｓ０２と、接合工程Ｓ０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造されることになる。 As described above, the insulating circuit board 10 of this embodiment is manufactured through the bonding material disposing process S01, the laminating process S02, and the bonding process S03.

（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５を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク５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７を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５とをはんだ接合する。 (Heat sink bonding process S04)
Next, the heat sink 5 is joined to the other surface side of the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 .
The insulating circuit board 10 and the heat sink 5 are laminated with a solder material interposed therebetween and then loaded into a heating furnace, where the insulating circuit board 10 and the heat sink 5 are solder-joined to each other via the solder layer 7 .

（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。
前述の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。 (Semiconductor element bonding step S05)
Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 by soldering.
Through the above-described steps, the power module 1 shown in FIG. 1 is manufactured.

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、セラミックス基板１１の回路層１２（金属層１３）側の領域に活性金属化合物層３１が形成されており、活性金属化合物層３１のうち回路層１２（金属層１３）の界面に遷移金属層３４が形成されているので、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合信頼性が大幅に向上することになる。 According to the insulating circuit board 10 (copper/ceramic bonded body) of this embodiment configured as described above, an active metal compound layer 31 is formed in the region of the ceramic substrate 11 on the circuit layer 12 (metal layer 13) side, and a transition metal layer 34 is formed in the active metal compound layer 31 at the interface with the circuit layer 12 (metal layer 13), so that the bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13) is significantly improved.

また、本実施形態の絶縁回路基板１０において、回路層１２（金属層１３）のうちセラミックス基板１１側の領域には、Ｍｇ固溶層３６が形成されており、Ｍｇ固溶層３６と活性金属化合物層３１との間に、遷移金属層３４が形成されている場合には、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合信頼性が大幅に向上することになる。 In addition, in the insulating circuit board 10 of this embodiment, an Mg solid solution layer 36 is formed in the region of the circuit layer 12 (metal layer 13) on the ceramic substrate 11 side, and when a transition metal layer 34 is formed between the Mg solid solution layer 36 and the active metal compound layer 31, the bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13) is significantly improved.

（第二の実施形態）
本発明の第二の実施形態に係る銅／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１１１と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板（回路層１１２）および銅板（金属層１１３）とが接合されてなる絶縁回路基板１１０である。 Second Embodiment
The copper/ceramic bonded body according to the second embodiment of the present invention is an insulating circuit board 110 obtained by bonding a ceramic substrate 111 as a ceramic member made of ceramic to a copper plate (circuit layer 112) and a copper plate (metal layer 113) as copper members made of copper or a copper alloy.

本実施形態においては、セラミックス基板１１１は、絶縁性および放熱性に優れた酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）で構成されている。
また、セラミックス基板１１１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。 In this embodiment, the ceramic substrate 111 is made of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), which has excellent insulating properties and heat dissipation properties.
The thickness of the ceramic substrate 111 is set, for example, within a range of 0.2 mm to 1.5 mm, and is set to 0.635 mm in this embodiment.

回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に、銅又は銅合金からなる銅板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１１２は、無酸素銅の圧延板がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
なお、回路層１１２となる銅板の厚さは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、０．２５ｍｍに設定されている。 The circuit layer 112 is formed by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 111 .
In this embodiment, the circuit layer 112 is formed by bonding a rolled sheet of oxygen-free copper to the ceramic substrate 111 .
The thickness of the copper plate that becomes the circuit layer 112 is set within a range of 0.1 mm to 2.0 mm, and in this embodiment, it is set to 0.25 mm.

金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板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１１３は、無酸素銅の圧延板がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
なお、金属層１１３となる銅板の厚さは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、０．２５ｍｍに設定されている。 The metal layer 113 is formed by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to the other surface of the ceramic substrate 111 .
In this embodiment, the metal layer 113 is formed by bonding a rolled sheet of oxygen-free copper to the ceramic substrate 111 .
The thickness of the copper plate that becomes the metal layer 113 is set within a range of 0.1 mm to 2.0 mm, and in this embodiment, it is set to 0.25 mm.

ここで、図６に、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属層１１３）との接合界面近傍の拡大図を示す。
セラミックス基板１１１のうち回路層１１２（金属層１３）側の領域には、酸化マグネシウム層１３１が形成されている。 FIG. 6 shows an enlarged view of the vicinity of the bonding interface between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (metal layer 113).
A magnesium oxide layer 131 is formed on the ceramic substrate 111 in a region on the circuit layer 112 (metal layer 13) side.

酸化マグネシウム層１３１は、セラミックス基板１１１と銅板とを接合する際に用いられるＭｇがセラミックス基板１１１への拡散し、セラミックス基板１１１の酸素と反応して形成されるものであり、セラミックス基板１１１の一部となる。
酸化マグネシウム層１３１は、図７に示すように、マグネシウム酸化物粒子１３２が集合した組織とされており、これらのマグネシウム酸化物粒子１３２の間には、銅粒界相１３３が存在している。
本実施形態では、酸化マグネシウム層１３１を構成するマグネシウム酸化物粒子１３２は、平均粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、マグネシウム酸化物粒子１３２は、例えばＭｇＯまたはＭｇＡｌ_２Ｏ_４で構成されている。 The magnesium oxide layer 131 is formed when Mg used to join the ceramic substrate 111 and the copper plate diffuses into the ceramic substrate 111 and reacts with oxygen in the ceramic substrate 111 , and becomes a part of the ceramic substrate 111 .
As shown in FIG. 7, the magnesium oxide layer 131 has a structure in which magnesium oxide particles 132 are aggregated, and copper grain boundary phases 133 are present between these magnesium oxide particles 132 .
In this embodiment, the magnesium oxide particles 132 constituting the magnesium oxide layer 131 preferably have an average particle size in the range of 10 nm to 100 nm. The magnesium oxide particles 132 are made of, for example, MgO or MgAl ₂ O ₄ .

そして、酸化マグネシウム層１３１のうち回路層１２（金属層１３）側の界面には、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗから選択される一種又は二種以上の遷移金属を含む遷移金属層１３４が形成されている。
なお、遷移金属層１３４は、酸化マグネシウム層１３１のうち回路層１１２（金属層１１３）側の界面のみでなく、マグネシウム酸化物粒子１３２と銅粒界相１３３との界面に形成されていてもよい。すなわち、遷移金属層１３４は、酸化マグネシウム層１３１を構成するマグネシウム酸化物粒子１３２の外周面に形成されていてもよい。 A transition metal layer 134 containing one or more transition metals selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ta, and W is formed at the interface of the magnesium oxide layer 131 on the circuit layer 12 (metal layer 13) side.
The transition metal layer 134 may be formed not only at the interface of the magnesium oxide layer 131 on the circuit layer 112 (metal layer 113) side, but also at the interface between the magnesium oxide particles 132 and the copper grain boundary phase 133. In other words, the transition metal layer 134 may be formed on the outer circumferential surface of the magnesium oxide particles 132 constituting the magnesium oxide layer 131.

また、本実施形態においては、回路層１１２（金属層１１３）のうちセラミックス基板１１１側の領域には、Ｍｇ固溶層１３６が形成されている。
このＭｇ固溶層１３６は、セラミックス基板１１１と銅板とを接合する際に用いられる接合材に含まれるＭｇが、銅板側に拡散することで形成されるものであり、回路層１１２（金属層１１３）の一部となる。 In this embodiment, an Mg solid solution layer 136 is formed in a region of the circuit layer 112 (metal layer 113) on the ceramic substrate 111 side.
This Mg solid solution layer 136 is formed when Mg contained in the bonding material used to bond the ceramic substrate 111 and the copper plate diffuses into the copper plate, and becomes part of the circuit layer 112 (metal layer 113).

ここで、Ｍｇ固溶層１３６においては、ＣｕとＭｇと活性金属と遷移金属の合計を１００原子％として、Ｍｇ濃度が０．０５原子％以上６．９原子％以下の範囲内とされている。
なお、このＭｇ固溶層１３６においては、Ｍｇ濃度が３０原子%以上７０％原子％以下の範囲内とされた金属間化合物（例えば、Ｃｕ_２Ｍｇ、ＣｕＭｇ_２等）を含有していてもよい。 Here, in the Mg solid solution layer 136, the Mg concentration is within the range of 0.05 atomic % to 6.9 atomic % with the total of Cu, Mg, active metals, and transition metals being 100 atomic %.
The Mg solid solution layer 136 may contain an intermetallic compound (such as Cu ₂ Mg, CuMg ₂ , etc.) with a Mg concentration in the range of 30 atomic % to 70 atomic %.

ここで、本実施形態においては、酸化マグネシウム層１３１の厚さが０．０５μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、本実施形態においては、Ｍｇ固溶層１３６の厚さが０μｍを超え２００μｍ以下の範囲内とされていることが好ましいく、５０μｍ以上１２０μｍ以下が更に好ましい。
さらに、本実施形態においては、遷移金属層１３４の厚さが１ｎｍ以上１５ｎｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。 In this embodiment, the thickness of the magnesium oxide layer 131 is preferably within a range of 0.05 μm to 1.2 μm.
In this embodiment, the thickness of the Mg solid solution layer 136 is preferably within a range of more than 0 μm and not more than 200 μm, and more preferably 50 μm or more and 120 μm or less.
Furthermore, in this embodiment, the thickness of the transition metal layer 134 is preferably within the range of 1 nm to 15 nm.

この第二の実施形態である絶縁回路基板１１０は、第一の実施形態と同様に、図３および図４に示した製造方法、すなわち、接合材配設工程Ｓ０１、積層工程Ｓ０２、接合工程Ｓ０３とによって、製造されることになる。 The insulating circuit board 110 of this second embodiment is manufactured in the same manner as the first embodiment, by the manufacturing method shown in Figures 3 and 4, i.e., the bonding material disposing step S01, the laminating step S02, and the bonding step S03.

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）によれば、セラミックス基板１１１の回路層１１２（金属層１１３）側の領域に、酸化マグネシウム層１３１が形成されており、酸化マグネシウム層１３１のうち回路層１１２（金属層１１３）の界面に遷移金属層１３４が形成されているので、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属層１１３）との接合信頼性が大幅に向上することになる。 According to the insulating circuit board 110 (copper/ceramic bonded body) of this embodiment configured as described above, a magnesium oxide layer 131 is formed in the region of the ceramic substrate 111 on the circuit layer 112 (metal layer 113) side, and a transition metal layer 134 is formed at the interface of the magnesium oxide layer 131 with the circuit layer 112 (metal layer 113), thereby significantly improving the bonding reliability between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (metal layer 113).

また、本実施形態の絶縁回路基板１１０において、回路層１１２（金属層１１３）のうちセラミックス基板１１１側の領域には、Ｍｇ固溶層１３６が形成されており、Ｍｇ固溶層１３６と酸化マグネシウム層１３１との間に、遷移金属層１３４が形成されている場合には、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属層１１３）との接合信頼性が大幅に向上することになる。 In addition, in the insulating circuit board 110 of this embodiment, an Mg solid solution layer 136 is formed in the region of the circuit layer 112 (metal layer 113) on the ceramic substrate 111 side, and when a transition metal layer 134 is formed between the Mg solid solution layer 136 and the magnesium oxide layer 131, the bonding reliability between the ceramic substrate 111 and the circuit layer 112 (metal layer 113) is significantly improved.

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。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be modified as appropriate without departing from the technical concept of the invention.
For example, in the present embodiment, a power module is configured by mounting a semiconductor element on an insulating circuit board, but the present invention is not limited to this. For example, an LED module may be configured by mounting an LED element on a circuit layer of an insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on a circuit layer of an insulating circuit board.

また、本実施形態の絶縁回路基板では、セラミックス基板として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で構成されたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の他のセラミックス基板を用いたものであってもよい。 In addition, in the insulating circuit board of this embodiment, the ceramic substrate is described as being made of aluminum nitride (AlN) or alumina (Al ₂ O ₃ ), but the ceramic substrate is not limited to this and may be made of other ceramic substrates such as silicon nitride (Si ₃ N ₄ ).

さらに、本実施形態においては、回路層を、無酸素銅の圧延板をセラミックス基板に接合することにより形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く、銅板を打ち抜いた銅片を回路パターン状に配置された状態でセラミックス基板に接合されることによって回路層を形成してもよい。 In addition, in this embodiment, the circuit layer is described as being formed by bonding a rolled sheet of oxygen-free copper to a ceramic substrate, but this is not limited to this, and the circuit layer may be formed by bonding copper pieces punched out of a copper plate to a ceramic substrate in a state in which the copper pieces are arranged in a circuit pattern.

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。 Below, we explain the results of the experiments conducted to confirm the effectiveness of the present invention.

まず、表１～３に記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。なお、厚さは、ＡｌＮおよびＡｌ_２Ｏ_３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４は０．３２ｍｍとした。
また、回路層および金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、厚さ０．２５ｍｍの３７ｍｍ×３７ｍｍの銅板を準備した。
そして、接合材として表１に示す各元素を、セラミックス基板と銅板との間に配設し、銅板／セラミックス基板／銅板の積層体を得た。
次に、表４～６に示す条件で銅板とセラミックス基板とを接合し、本発明例１～８，１１～１４，２１～２４、比較例１，１１，２１の絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を得た。 First, ceramic substrates (40 mm×40 mm) were prepared as shown in Tables 1 to 3. The thicknesses of AlN and Al ₂ O ₃ were 0.635 mm, and the thickness of Si ₃ N ₄ was 0.32 mm.
In addition, a copper plate made of oxygen-free copper and measuring 37 mm×37 mm with a thickness of 0.25 mm was prepared as the copper plate to be the circuit layer and the metal layer.
Then, each element shown in Table 1 was disposed as a bonding material between the ceramic substrate and the copper plate to obtain a copper plate/ceramic substrate/copper plate laminate.
Next, the copper plate and the ceramic substrate were bonded under the conditions shown in Tables 4 to 6 to obtain insulated circuit substrates (copper/ceramic bonded bodies) of Invention Examples 1 to 8, 11 to 14, and 21 to 24 and Comparative Examples 1, 11, and 21.

得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、接合界面の観察を実施した。
また、得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）に対して、液槽にて－４０℃×５ｍｉｎ←→１５０℃×５ｍｉｎの条件で冷熱サイクルを５００サイクルまで行った。その後、表面切削加工を行った。 The bonding interface of the obtained insulating circuit board (copper/ceramic bonded body) was observed.
The obtained insulating circuit board (copper/ceramic bonded body) was subjected to 500 thermal cycles in a liquid bath under the conditions of -40°C x 5 min <-> 150°C x 5 min. Thereafter, the surface was machined.

（活性金属化合物層の観察）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）に対して観察試料を採取し、銅板とセラミックス基板との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡（ＣａｒｌＺｅｉｓｓＡＧ社製ＧｅｍｉｎｉＳＥＭ５００）を用いて加速電圧７ｋＶ、倍率３万倍で、高さ３μｍ×幅４μｍの範囲を観察し、活性金属と窒素（Ｎ）が共存する領域が存在し、その領域において活性金属、窒素（Ｎ）の合計を１００原子％として、活性金属の濃度が２０原子％以上の領域を活性金属化合物層と判断し、当該領域の面積を測定した。なお、活性金属化合物層はセラミックス部材の一部である。測定された面積を測定視野幅で割ることで活性金属化合物層の厚さを算出した。５視野で測定し、その平均値を表４～６に示した。 (Observation of active metal compound layer)
Observation samples were taken from the obtained insulating circuit board (copper/ceramic bonded body), and the cross section of the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was observed using a scanning electron microscope (GeminiSEM 500 manufactured by Carl Zeiss AG) at an acceleration voltage of 7 kV and a magnification of 30,000 times, in a range of 3 μm in height and 4 μm in width. A region in which active metal and nitrogen (N) coexist was present, and the total of the active metal and nitrogen (N) in that region was taken as 100 atomic %, and the region in which the concentration of the active metal was 20 atomic % or more was judged to be an active metal compound layer, and the area of that region was measured. The active metal compound layer is a part of the ceramic member. The thickness of the active metal compound layer was calculated by dividing the measured area by the width of the measurement field. Measurements were performed in five fields of view, and the average values are shown in Tables 4 to 6.

（酸化マグネシウム層の観察）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）に対して観察試料を採取し、銅板とセラミックス基板との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡（ＣａｒｌＺｅｉｓｓＡＧ社製ＧｅｍｉｎｉＳＥＭ５００）を用いて加速電圧７ｋＶ、倍率３万倍で、高さ３μｍ×幅４μｍの範囲を観察し、マグネシウム（Ｍｇ）と酸素（Ｏ）が共存する領域が存在し、その領域においてマグネシウム（Ｍｇ）と酸素（Ｏ）の合計を１００原子％として、マグネシウム（Ｍｇ）の濃度が４０原子％以上の領域を酸化マグネシウム層と判断し、当該領域の面積を測定した。なお、酸化マグネシウム層はセラミックス部材の一部である。測定された面積を測定視野幅で割ることで活性金属化合物層の厚さを算出した。５視野で測定し、その平均値を表４～６に示した。 (Observation of magnesium oxide layer)
Observation samples were taken from the obtained insulating circuit board (copper/ceramic bonded body), and the cross section of the bonded interface between the copper plate and the ceramic substrate was observed using a scanning electron microscope (GeminiSEM 500 manufactured by Carl Zeiss AG) at an acceleration voltage of 7 kV and a magnification of 30,000 times in a range of 3 μm in height and 4 μm in width. A region in which magnesium (Mg) and oxygen (O) coexist was present, and the sum of magnesium (Mg) and oxygen (O) in that region was taken as 100 atomic %, and the region in which the concentration of magnesium (Mg) was 40 atomic % or more was judged to be a magnesium oxide layer, and the area of that region was measured. The magnesium oxide layer is a part of the ceramic member. The thickness of the active metal compound layer was calculated by dividing the measured area by the width of the measurement field. Measurements were performed in five fields, and the average values are shown in Tables 4 to 6.

（Ｍｇ固溶層の観察）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）に対して観察試料を採取し、銅板とセラミックス基板との接合界面の断面を、ＥＰＭＡ装置（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３０Ｆ）を用いて加速電圧１５ｋＶで、銅部材と活性金属化合物層の界面から銅部材の方向へ長さ２００μｍの範囲をライン分析し、活性金属，遷移金属，Ｍｇ，Ｃｕの合計を１００原子％として、Ｍｇの濃度が０．０５原子％以上６．９原子％以下の領域をＭｇ固溶層と判断し、測定された長さをＭｇ固溶層の厚さとした。なお、Ｍｇ固溶層は銅部材の一部である。５視野で測定し、その平均値を表４～６に示した。 (Observation of Mg solid solution layer)
Observation samples were taken from the obtained insulating circuit board (copper/ceramic bonded body), and the cross section of the bonded interface between the copper plate and the ceramic substrate was analyzed by line analysis using an EPMA device (JXA-8530F manufactured by JEOL Ltd.) at an acceleration voltage of 15 kV over a range of 200 μm from the interface between the copper member and the active metal compound layer toward the copper member. The total of active metals, transition metals, Mg, and Cu was taken as 100 atomic %, and the region with a Mg concentration of 0.05 atomic % or more and 6.9 atomic % or less was determined to be the Mg solid solution layer, and the measured length was taken as the thickness of the Mg solid solution layer. The Mg solid solution layer was a part of the copper member. Measurements were performed in five fields of view, and the average values are shown in Tables 4 to 6.

（遷移金属層の観察）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）に対して観察試料を採取し、銅板とセラミックス基板との接合界面の断面を、走査透過型電子顕微鏡（ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製ＴｉｔａｎＧ２ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）を用いて加速電圧２００ｋＶ、倍率６４万倍で、高さ５０ｎｍ×幅２０ｎｍの範囲を観察し、Ｃｕ、Ｍｇ、セラミックス構成元素、活性金属および遷移金属の合計を１００原子％として、活性金属化合物層（粒子）中の遷移金属濃度より１原子％以上高い領域を遷移金属層と判断し、当該領域の面積を測定した。測定された面積を測定視野幅で割ることで遷移金属層の厚さを算出した。５視野で測定し、その平均値を表４～６に示した。ここでセラミックス構成元素とはＡｌ、Ｓｉ、Ｎ、Ｏである。 (Observation of transition metal layer)
Observation samples were taken from the obtained insulating circuit board (copper/ceramic bonded body), and the cross section of the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was observed using a scanning transmission electron microscope (Titan G2 ChemiSTEM manufactured by Thermo Fisher Scientific) at an acceleration voltage of 200 kV and a magnification of 640,000 times, with a range of 50 nm in height and 20 nm in width. The total of Cu, Mg, ceramic constituent elements, active metals and transition metals was taken as 100 atomic %, and the region that was 1 atomic % or more higher than the transition metal concentration in the active metal compound layer (particle) was determined to be the transition metal layer, and the area of the region was measured. The thickness of the transition metal layer was calculated by dividing the measured area by the width of the measurement field. Measurements were performed in five fields of view, and the average values are shown in Tables 4 to 6. Here, the ceramic constituent elements are Al, Si, N, and O.

（表面切削試験）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）に対して、液槽にて－４０℃×５ｍｉｎ←→１５０℃×５ｍｉｎの条件で冷熱サイクルを５００サイクルまで行った。
冷熱サイクルを負荷した絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）に対して、表面切削試験を行い、銅板とセラミックス基板との接合強度を評価した。
表面切削試験においては、まず、銅板を厚さ３０μｍまで切削した。
そして、図７に示すように、刃幅０．３ｍｍの切削刃を用いて、水平切削速度２μｍ／秒、垂直切削速度０．１μｍ／秒で銅板を切削し（(1)切削段階）、銅板とセラミックス基板との界面に達した時点で切削刃を水平方向のみに移動し（(2)剥離段階）、剥離段階で水平方向の荷重が一定になった時点の水平荷重を測定した。測定された荷重を刃幅で割ることで接合界面の強度を算出した。評価結果を表４～６に示す。 (Surface cutting test)
The obtained insulating circuit board (copper/ceramic bonded body) was subjected to 500 thermal cycles in a liquid bath under the conditions of -40°C x 5 min <-> 150°C x 5 min.
A surface cutting test was performed on the insulating circuit board (copper/ceramic bonded body) that had been subjected to thermal cycles, and the bonding strength between the copper plate and the ceramic substrate was evaluated.
In the surface cutting test, first, the copper plate was cut to a thickness of 30 μm.
Then, as shown in Figure 7, a cutting blade with a blade width of 0.3 mm was used to cut the copper plate at a horizontal cutting speed of 2 μm/sec and a vertical cutting speed of 0.1 μm/sec ((1) cutting stage), and when the cutting blade reached the interface between the copper plate and the ceramic substrate, the cutting blade was moved only in the horizontal direction ((2) peeling stage), and the horizontal load was measured when the horizontal load became constant during the peeling stage. The strength of the bonding interface was calculated by dividing the measured load by the blade width. The evaluation results are shown in Tables 4 to 6.

セラミックス基板をＡｌＮで構成した本発明例１～８および比較例１を比較すると、遷移金属層が形成されている本発明例１～８においては、遷移金属層が形成されていない比較例１に比べて接合界面の強度が向上していることが確認される。
セラミックス基板をＳｉ_３Ｎ_４で構成した本発明例１１～１８および比較例１１を比較すると、遷移金属層が形成されている本発明例１１～１８においては、遷移金属層が形成されていない比較例１１に比べて接合界面の強度が向上していることが確認される。
セラミックス基板をＡｌ_２Ｏ_３で構成した本発明例２１～２４および比較例２１を比較すると、遷移金属層が形成されている本発明例２１～２４においては、遷移金属層が形成されていない比較例２１に比べて接合界面の強度が向上していることが確認される。 When comparing Examples 1 to 8 of the present invention, in which the ceramic substrate is made of AlN, with Comparative Example 1, it is confirmed that in Examples 1 to 8 of the present invention, in which a transition metal layer is formed, the strength of the bonding interface is improved compared to Comparative Example 1, in which no transition metal layer is formed.
When comparing Examples 11 to 18 of the present invention, in which the ceramic substrate is made of Si ₃ N ₄ , with Comparative Example 11, it is confirmed that the strength of the bonding interface is improved in Examples 11 to 18 of the present invention, in which a transition metal layer is formed, compared to Comparative Example 11, in which no transition metal layer is formed.
Comparing Inventive Examples 21 to 24 and Comparative Example 21, in which the ceramic substrate is made of Al ₂ O ₃ , it is confirmed that in Inventive Examples 21 to 24 in which a transition metal layer is formed, the strength of the bonding interface is improved compared to Comparative Example 21 in which no transition metal layer is formed.

以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合性に優れ、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）を提供可能であることが確認された。 The results of the above confirmation experiments confirmed that the present invention can provide an insulated circuit board (copper/ceramic bonded body) that has excellent bonding between ceramic members and copper members and excellent thermal cycle reliability, even when subjected to severe thermal cycles.

１０，１１０絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）
１１，１１１セラミックス基板（セラミックス部材）
１２，１１２回路層（銅部材）
１３，１１３金属層（銅部材）
３１活性金属化合物層
３４，１３４遷移金属層
３６，１３６Ｍｇ固溶層
１３１酸化マグネシウム層
10, 110 Insulated circuit board (copper/ceramic bonded body)
11, 111 Ceramic substrate (ceramic member)
12, 112 Circuit layer (copper member)
13, 113 Metal layer (copper member)
31 active metal compound layer 34, 134 transition metal layer 36, 136 Mg solid solution layer 131 magnesium oxide layer

Claims

A copper/ceramic bonded body obtained by bonding a copper member made of copper or a copper alloy to a ceramic member,
an active metal compound layer containing a compound of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, or a magnesium oxide layer is formed in a region of the ceramic member facing the copper member;
a Mg solid solution layer is formed in a region of the copper member facing the ceramic member,
a transition metal layer containing one or more transition metals selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ta and W is formed between the Mg solid solution layer and the active metal compound layer or the magnesium oxide layer.

The copper/ceramic bonded body according to claim 1, characterized in that the active metal compound layer has a structure in which a plurality of active metal compound particles are aggregated.

The copper/ceramic bonded body according to claim 2, characterized in that a copper grain boundary phase is present between the active metal compound particles.

The copper/ceramic bonded body according to claim 1, characterized in that the magnesium oxide layer has a structure in which a plurality of magnesium oxide particles are aggregated.

The copper/ceramic bonded body according to claim 4, characterized in that a copper grain boundary phase is present between the magnesium oxide particles.

An insulating circuit board having a ceramic substrate and a copper plate made of copper or a copper alloy bonded to the surface thereof,
an active metal compound layer containing a compound of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf, or a magnesium oxide layer is formed in a region of the ceramic substrate facing the copper plate;
a Mg solid solution layer is formed in a region of the copper plate facing the ceramic substrate,
An insulating circuit board, characterized in that a transition metal layer containing one or more transition metals selected from V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo, Ta and W is formed between the Mg solid solution layer and the active metal compound layer or the magnesium oxide layer.

The insulating circuit board according to claim 6, characterized in that the active metal compound layer has a structure in which a plurality of active metal compound particles are aggregated.

The insulating circuit board according to claim 7, characterized in that a copper grain boundary phase is present between the active metal compound particles.

The insulating circuit board according to claim 6, characterized in that the magnesium oxide layer has a structure in which a plurality of magnesium oxide particles are aggregated.

The insulating circuit board according to claim 9, characterized in that a copper grain boundary phase is present between the magnesium oxide particles.