JP6870767B2

JP6870767B2 - 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板

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Publication number: JP6870767B2
Application number: JP2020134070A
Authority: JP
Inventors: 伸幸寺▲崎▼
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Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2021-05-12
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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、及び、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。

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。

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。

ここで、特許文献１に記載された活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合した場合には、セラミックス基板と銅板との接合界面にＴｉＮ層が形成されることになる。このＴｉＮ層は硬く脆いため、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。

そこで、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。

特許第３２１１８５６号公報特許第４３７５７３０号公報

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り、絶縁回路基板には、従来にも増して、厳しい冷熱サイクルに耐えることができる冷熱サイクル信頼性が求められている。
ここで、特許文献２のように、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ系ろう材を用いた場合には、接合界面にはＣｕとＭｇの液相が生じることになる。ここで、接合界面において不純物元素が多く存在すると、接合界面の液相が凝固した際に微細な金属間化合物が析出し、セラミックス基板と銅板との接合界面近傍が析出硬化することになる。このため、厳しい冷熱サイクルを負荷した際に、セラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。

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、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、及び、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。

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、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から前記銅部材側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％以下とされていることを特徴としている。

本発明の銅／セラミックス接合体によれば、接合界面において、不純物元素（Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の濃度が十分に低く、接合界面において微細な金属間化合物の析出を抑えることができ、セラミックス部材と銅部材との接合界面近傍が析出硬化することを抑制できる。よって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合でも、セラミックス部材における割れの発生を抑制することが可能となる。

ここで、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌの濃度が２原子％以下とされていることが好ましい。
この場合、接合界面において不純物元素であるＡｌの濃度が上述のように規制されているので、セラミックス部材と銅部材との接合界面近傍が析出硬化することをさらに抑制できる。

また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ｓｉの濃度が２原子％以下とされていることが好ましい。
この場合、接合界面において不純物元素であるＳｉの濃度が上述のように規制されているので、セラミックス部材と銅部材との接合界面近傍が析出硬化することをさらに抑制できる。

さらに、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、ＺｎとＭｎの合計濃度が２原子％以下とされていることが好ましい。
この場合、接合界面において不純物元素であるＺｎとＭｎの合計濃度が上述のように規制されているので、セラミックス部材と銅部材との接合界面近傍が析出硬化することをさらに抑制できる。

本発明の絶縁回路基板は、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、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％以下とされていることを特徴としている。

本発明の絶縁回路基板によれば、接合界面において、不純物元素（Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の濃度が十分に低く、接合界面において微細な金属間化合物の析出を抑えることができ、セラミックス基板と銅板との接合界面近傍が析出硬化することを抑制できる。よって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合でも、セラミックス基板における割れの発生を抑制することが可能となり、冷熱サイクル信頼性に優れている。

ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌの濃度が２原子％以下とされていることが好ましい。
この場合、接合界面において不純物元素であるＡｌの濃度が上述のように規制されているので、セラミックス基板と銅板との接合界面近傍が析出硬化することをさらに抑制できる。

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ｓｉの濃度が２原子％以下とされていることが好ましい。
この場合、接合界面において不純物元素であるＳｉの濃度が上述のように規制されているので、セラミックス基板と銅板との接合界面近傍が析出硬化することをさらに抑制できる。

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、ＺｎとＭｎの合計濃度が２原子％以下とされていることが好ましい。
この場合、接合界面において不純物元素であるＺｎとＭｎの合計濃度が上述のように規制されているので、セラミックス基板と銅板との接合界面近傍が析出硬化することをさらに抑制できる。

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、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、及び、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。

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。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拡大説明図である。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。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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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。

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、０．６ｍｍに設定されている。
回路層１２となる銅板２２における不純物（Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の合計濃度は、０．１ｍａｓｓ％以下が好ましく、０．０４ｍａｓｓ％以下がより好ましい。また、銅板２２として、タフピッチ銅を用いることもできる。

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、０．６ｍｍに設定されている。
金属層１３となる銅板２３における不純物（Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の合計濃度は、０．１ｍａｓｓ％以下が好ましく、０．０４ｍａｓｓ％以下がより好ましい。また、銅板２３として、タフピッチ銅を用いることもできる。

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、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（及び金属層１３）の接合界面から回路層１２（及び金属層１３）側へ１０００ｎｍ離間した位置においてエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％以下とされている。これにより、接合界面において微細な金属間化合物の析出を抑えることができ、セラミックス基板１１と回路層１２（及び金属層１３）との接合界面近傍が析出硬化することを抑制し、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板１１の割れの発生を抑制することが可能となる。
なお、より厳しい環境下でもセラミックス基板１１割れの発生を抑制するためには、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度は、２原子％以下であることが好ましい。

また、本実施形態においては、上述のように測定されたＡｌの濃度が２原子％以下とされていることが好ましく、１．５原子％以下とされていることがより好ましい。
さらに、上述のように測定されたＳｉの濃度が２原子％以下とされていることが好ましく、１．５原子％以下とされていることがより好ましい。
また、上述のように測定されたＺｎとＭｎの合計濃度が２原子％以下とされていることが好ましく、１原子％以下とされていることがより好ましい。

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及び図４を参照して説明する。

（セラミックス基板洗浄工程Ｓ０１）
まず、セラミックス基板１１を準備し、このセラミックス基板１１の接合面の洗浄を行う。本実施形態においては、図４に示すように、処理液５１を用いてセラミックス基板１１の表面を洗浄する。セラミックス基板１１の表面は、処理液５１にセラミックス基板１１を浸漬させることで、洗浄してもよい。処理条件は、使用する処理液５１に応じて処理条件を設定することが好ましい。以下に、各種処理液を使用した場合の処理条件を示す。
塩酸を用いる場合には、ＨＣｌの濃度を８ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を３分以上１０分以下とする。
硝酸を用いる場合には、ＨＮＯ_３の濃度を５ｍａｓｓ％以上３０ｍａｓｓ％以下とした水溶液とし、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を３分以上１０分以下とする。
水酸化ナトリウム水溶液を用いる場合には、ＮａＯＨの濃度を１ｍａｓｓ％以上４ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を１分以上５分以下とする。
炭酸水素ナトリウム水溶液を用いる場合には、ＮａＨＣＯ_３の濃度を１ｍａｓｓ％以上４ｍａｓｓ％以下、処理温度を２８℃以上４０℃以下、処理時間を１分以上５分以下とする。

（接合材配置工程Ｓ０２）
次に、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、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、それぞれ接合材を配置する。
接合材としては、Ｍｇ単独、Ｍｇと活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される１種又は２種以上）の組み合わせや、ＭｇとＣｕの組み合わせた接合材を用いることができる。
接合材は、ペーストや箔材として銅板とセラミックス基板との間に配置することができる。ペーストを用いる場合、ペーストのフィラーとしてＭｇ（Ｍｇ粉末）や活性金属（活性金属粉末）を用いることができる。フィラーとしてこれらの水素化物を用いることもできる。

箔材を用いる場合、Ｍｇ箔と活性金属箔をそれぞれ重ねて配置することができる。また、Ｍｇと活性金属の合金箔を用いることもできる。さらに、Ｍｇ箔と活性金属箔をクラッドとして用いることもできる。
また、銅板とセラミックス基板との間に、Ｍｇ蒸着膜、又は、Ｍｇと活性金属の蒸着膜を配置し、これを接合材としてもよい。蒸着膜は、銅板又はセラミックス基板の少なくとも一方に設けることもできるし、両方に設けることもできる。Ｍｇと活性金属の蒸着膜とする場合、共蒸着としてもよいし、Ｍｇと活性金属をそれぞれ蒸着し、積層した膜としてもよい。なお、蒸着膜は、例えば、スパッタ法や蒸着法で形成することができる。

接合材として活性金属を用いる場合、活性金属の量が０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１８．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以下となるよう配置するとよい。また、この場合、Ｍｇの量は１４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ^２以下とするとよい。
なお、活性金属を配設した場合には、セラミックス基板との反応によって接合界面におけるＡｌ濃度及びＳｉ濃度が上昇するおそれがあるため、セラミックス基板の清浄や配置するＭｇ、活性金属、Ｃｕにおける不純物量を十分に制御する必要がある。
配置するＭｇにおける純度は９９．０ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、不純物（Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の合計濃度は１．０ｍａｓｓ％以下が好ましく、０．３ｍａｓｓ％以下がより好ましい。
配置する活性金属における純度は９９．２ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、不純物（Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の合計濃度は０．５ｍａｓｓ％以下が好ましく、０．３ｍａｓｓ％以下がより好ましい。
これらの不純物の濃度及び純度はＩＣＰ発光分光分析法で測定することができる。
ＭｇとＣｕの組み合わせた接合材を用いる場合には、活性金属を用いる場合と同様にして用いることができる。

本実施形態では、銅板２２とセラミックス基板１１との間、及び、銅板２３とセラミックス基板１１との間に、それぞれＭｇ箔２５を配置している。
ここで、Ｍｇ箔２５においては、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が１ｍａｓｓ％以下に制限されている。
また、この接合材配置工程Ｓ０２では、配置するＭｇ量を７μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内としている。

（積層工程Ｓ０３）
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。

（接合工程Ｓ０４）
次に、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Ｓ０４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。
また、接合工程Ｓ０４における加熱温度は、５００℃以上８５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。加熱温度での保持時間は、５ｍｉｎ以上１８０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、接合工程Ｓ０４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。

以上のように、セラミックス基板洗浄工程Ｓ０１、接合材配置工程Ｓ０２と、積層工程Ｓ０３と、接合工程Ｓ０４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。

（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
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、第２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。

（半導体素子接合工程Ｓ０６）
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。

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との接合界面から回路層１２側（及び金属層１３側）へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％以下とされているので、接合界面において、不純物元素（Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の濃度が十分に低く、接合界面において微細な金属間化合物の析出を抑えることができ、セラミックス基板１１と回路層１２（及び金属層１３）との接合界面近傍が析出硬化することを抑制できる。よって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合でも、セラミックス基板１１における割れの発生を抑制することが可能となり、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板１０を得ることができる。

また、本実施形態において、上述の接合界面におけるＡｌの濃度が２原子％以下に制限されている場合、あるいは、上述の接合界面におけるＳｉの濃度が２原子％以下に制限されている場合、さらに、上述のＺｎとＭｎの合計濃度が２原子％以下に制限されている場合には、セラミックス基板１１と回路層１２（及び金属層１３）との接合界面近傍が析出硬化することをさらに抑制できる。

また、本実施形態においては、セラミックス基板洗浄工程Ｓ０１において、セラミックス基板１１の接合面を洗浄するとともに、接合材配置工程Ｓ０２において、配設するＭｇにおける不純物（Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の合計濃度を１ｍａｓｓ％以下に制限しているので、上述の接合界面における不純物（Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎ）の合計濃度を３原子％以下とすることが可能となる。

さらに、本実施形態では、接合材配置工程Ｓ０２において、Ｍｇ量を７μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。
よって、銅板２２，２３とセラミックス基板１１とが確実に接合された絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。

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。

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。

さらに、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）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、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、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。

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。

まず、表１，２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及びＡｌ_２Ｏ_３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４は０．３２ｍｍとした。
そして、表１，２に示す処理液を用いて以下の条件で、セラミックス基板の表面を洗浄処理した。
表１，２において「ＨＣｌ」は、ＨＣｌの濃度が１２ｍａｓｓ％の塩酸を用いて、処理温度３５℃、処理時間５分の条件で実施した。
表１，２において「ＨＮＯ_３」は、ＨＮＯ_３の濃度が１０ｍａｓｓ％の水溶液を用いて、処理温度３５℃、処理時間７分の条件で実施した。
表１，２において「ＮａＯＨ」は、ＮａＯＨの濃度が１ｍａｓｓ％の水溶液を用いて、処理温度３０℃、処理時間１分の条件で実施した。
表１，２において「ＮａＨＣＯ_３」は、ＮａＨＣＯ_３の濃度が１．５ｍａｓｓ％の水溶液を用いて、処理温度３０℃、処理時間１分の条件で実施した。

比較例１、３、１１、１３では、セラミックス基板の洗浄処理を実施しなかった。
比較例２、１２では、ＨＮＯ_３の濃度が２ｍａｓｓ％の水溶液を用いて、処理温度３５℃、処理時間２０分の条件で実施した。
比較例４では、ＮａＯＨの濃度が８ｍａｓｓ％の水溶液を用いて、処理温度３０℃、処理時間３分の条件で実施した。
比較例５、１４では、ＨＣｌの濃度が３ｍａｓｓ％の塩酸を用いて、処理温度３５℃、処理時間１分の条件で実施した。
比較例１５では、ＮａＨＣＯ_３の濃度が０．５ｍａｓｓ％の水溶液を用いて、処理温度３０℃、処理時間３分の条件で実施した。

上述のように、洗浄処理を実施した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０．３ｍｍ）を、表１，２に示す接合材を用いて、銅板とセラミックス基板とを接合し、絶縁回路基板（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３×１０^−３Ｐａ、接合温度を８００℃、保持時間を６０分、加圧荷重を０．９８ＭＰａとした。接合材は箔材を用いた。
また、接合材として用いた各元素の原料の純度を表１，２に示す。

得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、接合界面近傍の不純物濃度、及び、冷熱サイクル負荷後のセラミックス基板の割れについて、以下のようにして評価した。

（接合界面における不純物濃度）
走査型透過電子顕微鏡（ＦＥＩ社製ＴｉｔａｎＣｈｅｍｉＳＴＥＭ）及びＥＤＳ検出器（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）を用いて、銅板とセラミック基板の接合界面近傍の濃度測定を実施した。
加速電圧２００ｋＶにおいて、接合界面から銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％とし、活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ），Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの各濃度を測定した。測定は５箇所で行い、測定した５箇所の平均を、各元素の接合界面の濃度とした。評価結果を表１，２に示す。

（冷熱サイクル負荷後のセラミックス基板の割れ）
セラミックス基板の材質に応じて下記の雰囲気を通炉させた後、ＳＡＴ検査により、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査し、セラミックス割れの有無を判定した。評価結果を表１に示す。
ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３の場合：−７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎを１０回
Ｓｉ_３Ｎ_４の場合：−７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎを２０回

接合界面においてＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％を超えた比較例１−５および比較例１１−１５においては、冷熱サイクル負荷後にセラミックス基板の割れが確認された。
比較例１、３、１１、１３では、セラミックス基板の表面の洗浄処理を実施せず、また、接合材における元素の純度が低かったため、接合界面においてＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％を超え、冷熱サイクル負荷後にセラミックス基板の割れが確認された。
比較例２、４、５、１２、１４、１５では、セラミックス基板の表面処理を実施したものの、接合材における元素（Ｍｇ）の純度が低かったため、接合界面においてＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％を超え、冷熱サイクル負荷後にセラミックス基板の割れが確認された。

これに対して、接合界面においてＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％以下に制限された本発明例１−８および本発明例１１−１８においては、冷熱サイクル負荷後にセラミックス基板の割れが確認されなかった。

以上の結果、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、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、及び、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可能であることが確認された。

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）
１２回路層（銅部材）
１３金属層（銅部材）

Claims

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、
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％以下とされていることを特徴とする銅／セラミックス接合体。
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌの濃度が２原子％以下とされ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。
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ｓｉの濃度が２原子％以下とされてい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。
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、ＺｎとＭｎの合計濃度が２原子％以下とされていることを特徴とする請求項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。
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から前記銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計濃度が３原子％以下とされていることを特徴とする絶縁回路基板。
前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ａｌの濃度が２原子％以下とされていることを特徴とする請求項５に記載の絶縁回路基板。
前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、Ｓｉの濃度が２原子％以下とされていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の絶縁回路基板。
前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面から前記銅板側へ１０００ｎｍ離間した位置でエネルギー分散Ｘ線分析法により濃度測定を行い、Ｃｕ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ａｌ,Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｎの合計値を１００原子％としたときに、ＺｎとＭｎの合計濃度が２原子％以下とされていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。