JP6965768B2 - 銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法に関するものである。

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、例えば窒化アルミニウムや窒化ケイ素などからなる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、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合した絶縁回路基板が提案されている。このＤＢＣ法においては、銅と銅酸化物との共晶反応を利用して、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせることにより、銅板とセラミックス基板とを接合している。

また、特許文献２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。この絶縁回路基板においては、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。

さらに、特許文献３には、高温の窒素ガス雰囲気下で銅板とセラミックス基板とを接合する際に用いられる接合用ろう材として、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金からなる粉末を含有するペーストが提案されている。この特許文献３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。

特開平０４−１６２７５６号公報 特許第３２１１８５６号公報 特許第４３７５７３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているように、ＤＢＣ法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を１０６５℃以上（銅と銅酸化物との共晶点温度以上）にする必要があることから、接合時にセラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。

また、特許文献２に開示されているように、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する場合には、ろう材がＡｇを含有しており、接合界面にＡｇが存在することから、マイグレーションが生じやすく、高耐圧用途には使用することができなかった。また、接合温度が９００℃と比較的高温とされていることから、やはり、セラミックス基板が劣化してしまうといった問題があった。

さらに、特許文献３に開示されているように、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉ合金からなる粉末を含有するペーストからなる接合用ろう材を用いて窒素ガス雰囲気下で接合した場合には、接合界面にガスが残存し、部分放電が発生しやすいといった問題があった。また、合金粉を用いていることから、合金粉の組成ばらつきに応じて溶融状況が不均一となり、界面反応が不十分な領域が局所的に形成されるおそれがあった。また、ペーストに含まれる有機物が接合界面に残存し、接合が不十分となるおそれがあった。

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、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅部材との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層には、前記活性金属が存在することを特徴としている。

この構成の銅／セラミックス接合体においては、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材との間においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成されている。この活性金属窒化物層は、セラミックス部材と銅部材の間に配設された活性金属とセラミックス部材中の窒素とが反応することにより形成されるものであり、セラミックス部材が十分に反応していることになる。
そして、活性金属窒化物層と前記銅部材との間に、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、このＭｇ固溶層に前記活性金属が存在するので、セラミックス部材と銅部材の間に配設されたＭｇが銅部材側に十分に拡散しており、さらに、Ｃｕと活性金属とが十分に反応していることになる。
したがって、銅部材とセラミックス部材との接合界面において界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることができる。また、接合界面にＡｇが存在していないので、耐マイグレーション性にも優れている。

ここで、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属を含む金属間化合物相が分散されている構成としてもよい。
活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆを含む場合には、Ｍｇ固溶層において活性金属は、Ｃｕと前記活性金属との金属間化合物相として存在する。このため、Ｍｇ固溶層にＣｕと前記活性金属との金属間化合物相として存在することで、セラミックス部材と銅部材の間に配設されたＭｇが銅部材側に十分に拡散し、Ｃｕと活性金属とが十分に反応しており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることができる。

また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性金属窒化物層の内部に、Ｃｕ粒子が分散されていることが好ましい。
この場合、銅部材のＣｕがセラミックス部材と十分に反応していることになり、銅部材とセラミックス部材とが強固に接合された銅／セラミックス接合体を得ることが可能となる。なお、Ｃｕ粒子は、Ｃｕ単体又はＣｕを含有する金属間化合物であり、活性金属窒化物層が形成される際に、液相中に存在していたＣｕが析出することで生成されている。

また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性金属がＴｉであってもよい。
この場合、前記活性金属窒化物層として窒化チタン層が形成され、前記Ｍｇ固溶層に、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物相が分散されることになり、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体を提供することができる。

さらに、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材と前記銅部材との間において、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされていることが好ましい。
この場合、脆弱なＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下に制限されているので、例えば超音波接合等を実施した場合であっても、接合界面における割れ等の発生を抑制することが可能となる。

また、本発明の絶縁回路基板は、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間においては、前記セラミックス基板側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、前記Ｍｇ固溶層には、前記活性金属が存在することを特徴としている。
この構成の絶縁回路基板においては、銅板とセラミックス基板とが確実に接合されるとともに、耐マイグレーション性に優れており、高耐圧条件下においても信頼性高く使用することができる。

ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属を含む金属間化合物相が分散されている構成としてもよい。
活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆを含む場合には、Ｍｇ固溶層において活性金属は、Ｃｕと前記活性金属との金属間化合物相として存在する。このため、Ｍｇ固溶層にＣｕと前記活性金属との金属間化合物相として存在することで、銅板とセラミックス基板とが確実に接合された絶縁回路基板を得ることができる。

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記活性金属窒化物層の内部に、Ｃｕ粒子が分散されていることが好ましい。
この場合、銅板のＣｕがセラミックス基板と十分に反応していることになり、銅板とセラミックス基板とが強固に接合された絶縁回路基板を得ることが可能となる。なお、Ｃｕ粒子は、Ｃｕ単体又はＣｕを含有する金属間化合物であり、活性金属窒化物層が形成される際に、液相中に存在していたＣｕが析出することで生成されている。

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記活性金属がＴｉであってもよい。
この場合、前記活性金属窒化物層として窒化チタン層が形成され、前記Ｍｇ固溶層に、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物相が分散されることになり、銅板とセラミックス基板とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板を提供することができる。

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板と前記銅板との間において、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされていることが好ましい。
この場合、脆弱なＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下に制限されているので、例えば超音波接合等を実施した場合であっても、接合界面における割れ等の発生を抑制することが可能となる。

本発明の銅／セラミックス接合体の製造方法は、上述した銅／セラミックス接合体を製造する方法であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体及びＭｇ単体を配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴としている。

この構成の銅／セラミックス接合体の製造方法によれば、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に活性金属の単体及びＭｇ単体を配置し、これらを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理するので、接合界面にガスや有機物の残渣等が残存することがない。また、活性金属の単体及びＭｇ単体を配置しているので、組成のばらつきがなく、均一に液相が生じることになる。
そして、活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／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とともに、セラミックス部材の必要以上の反応を抑制することができる。
よって、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅／セラミックス接合体を得ることができる。また、接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体を得ることができる。

ここで、本発明の銅／セラミックス接合体の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、前記接合工程における加熱温度は、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合は５００℃以上８５０℃以下の範囲内、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合は６７０℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることが好ましい。

この場合、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされているので、セラミックス部材と銅部材と活性金属及びＭｇとを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。
そして、前記接合工程における加熱温度が、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合はＣｕとＭｇの共晶温度よりも高い５００℃以上とし、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合にはＭｇの融点よりも高い６７０℃以上としているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。
また、前記接合工程における加熱温度が８５０℃以下とされているので、Ｃｕと活性金属との共晶反応の発生を抑制することができ、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス部材への熱負荷が小さくなり、セラミックス部材の劣化を抑制することができる。

また、本発明の絶縁回路基板の製造方法は、上述した絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体及びＭｇ単体を配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、前記銅板と前記セラミックス基板とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴としている。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、銅板とセラミックス基板とが確実に接合された絶縁回路基板を得ることができる。また、接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板を得ることができる。

ここで、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、前記接合工程における加熱温度は、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合は５００℃以上８５０℃以下の範囲内、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合は６７０℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることが好ましい。

この場合、前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされているので、セラミックス基板と銅板と活性金属及びＭｇとを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。
そして、前記接合工程における加熱温度が、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合はＣｕとＭｇの共晶温度よりも高い５００℃以上とし、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合にはＭｇの融点よりも高い６７０℃以上としているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。
また、前記接合工程における加熱温度が８５０℃以下とされているので、Ｃｕと活性金属との共晶反応の発生を抑制することができ、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス基板への熱負荷が小さくなり、セラミックス基板の劣化を抑制することができる。

本発明によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、上述の銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態であ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。 本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板の回路層（銅部材）及び金属層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。 本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態であ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。 本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板の回路層（銅部材）とセラミックス基板（セラミックス部材）との接合界面の模式図である。 本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明例５の銅／セラミックス接合体における銅板とセラミックス基板の接合界面の観察結果である。 実施例３におけるプル強度の測定方法を示す説明図である。

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。

（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態について、図１から図４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、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、銅部材である銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１０とされている。
図１に本発明の第１の実施形態である絶縁回路基板１０及びこの絶縁回路基板１０を用い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、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方側（図１において上側）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に第２はんだ層８を介して接合されたヒートシンク５１と、を備えている。

絶縁回路基板１０は、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、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高い窒化アルミニウムで構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍ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を構成する銅板２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。ここで、回路層１２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は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の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を構成する銅板２３として、無酸素銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層１３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。

ヒートシンク５１は、前述の絶縁回路基板１０を冷却するためのものであり、本実施形態においては、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板とされている。本実施形態においては、ヒートシンク５１は、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、ヒートシンク５１と絶縁回路基板１０の金属層１３とは、第２はんだ層８を介して接合されている。

ここで、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）、及び、セラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）とは、図４に示すように、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属からなる活性金属膜２４（本実施形態ではＴｉ膜）及びＭｇ膜２５を介して接合されている。
そして、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との接合界面及びセラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）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側に形成された活性金属窒化物層３１（本実施形態では窒化チタン層）と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３２と、が積層された構造とされている。

ここで、Ｍｇ固溶層３２には、上述の活性金属が含まれている。本実施形態においては、Ｍｇ固溶層３２には、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）を含む金属間化合物相３３が分散されている。本実施形態では、活性金属としてＴｉを用いており、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物相３３を構成する金属間化合物としては、例えばＣｕ_４Ｔｉ，Ｃｕ_３Ｔｉ_２，Ｃｕ_４Ｔｉ_３，ＣｕＴｉ，ＣｕＴｉ_２，ＣｕＴｉ_３等が挙げられる。
このＭｇ固溶層３２におけるＭｇの含有量は、０．０１原子％以上０．５原子％以下の範囲内とされている。なお、Ｍｇ固溶層３２の厚さは、０．１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。

また、本実施形態では、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の内部に、Ｃｕ粒子３５が分散している。
活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）内に分散するＣｕ粒子３５の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。また、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）のうちセラミックス基板１１との界面から活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の厚さの２０％までの界面近傍領域におけるＣｕ濃度が０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。
ここで、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の厚さは、０．０３μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされている。

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２との間において、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされている。
なお、本実施形態では、上述のＣｕ_２Ｍｇ相は、電子線マイクロアナライザーでＭｇの元素ＭＡＰを取得し、Ｍｇの存在が確認された領域においてＭｇ濃度が３０原子％以上４０原子％以下の領域とした。

次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板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。

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Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体（本実施形態ではＴｉ単体）及びＭｇ単体を配置する（活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１）。本実施形態では、活性金属（Ｔｉ）及びＭｇを蒸着することによって、活性金属膜２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜２５が形成されており、Ｍｇ膜２５は銅板２２とは非接触状態で積層されている。
ここで、この活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内（本実施形態では、Ｔｉを０．０２ｍｇ／ｃｍ^２以上２．２５ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内）、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内（０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内）としている。
なお、活性金属量の下限は２．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以上とすることが好ましく、活性金属量の上限は１８．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以下とすることが好ましい。また、Ｍｇ量の下限は８．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以上とすることが好ましく、Ｍｇ量の上限は３７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下とすることが好ましい。

次に、銅板２２とセラミックス基板１１と銅板２３とを、活性金属膜２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜２５を介して積層する（積層工程Ｓ０２）。

次に、積層された銅板２２、セラミックス基板１１、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（接合工程Ｓ０３）。
ここで、接合工程Ｓ０３における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされている。
また、接合工程Ｓ０３における加熱温度は、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されていることから、Ｍｇの融点以上の６７０℃以上８５０℃以下の範囲内とされている。なお、加熱温度の下限は７００℃以上とすることが好ましい。
さらに、接合工程Ｓ０３における真空度は、１×１０^−６Ｐａ以上１×１０^−２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加熱温度での保持時間は、５ｍｉｎ以上３６０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、上述のＣｕ_２Ｍｇ相の面積率を低くするためには、加熱温度での保持時間の下限を６０ｍｉｎ以上とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間の上限は２４０ｍｉｎ以下とすることが好ましい。

以上のように、活性金属及びＭｇ配置工程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。

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５１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
絶縁回路基板１０とヒートシンク５１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８を介して絶縁回路基板１０とヒートシンク５１とをはんだ接合する。

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（半導体素子接合工程Ｓ０５）。
以上の工程により、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、無酸素銅からなる銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）と窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１１とが、活性金属膜２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜２５を介して接合されており、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）及びセラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）の接合界面には、セラミックス基板１１側に形成された活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３２と、が積層されている。

ここで、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）は、セラミックス基板１１と銅板２２、２３の間に配設された活性金属（Ｔｉ）とセラミックス基板１１の窒素とが反応することにより形成されるものであり、接合界面においてセラミックス基板１１が十分に反応している。また、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）に積層するように、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層３２が形成されており、このＭｇ固溶層３２に、上述の活性金属が含まれており、本実施形態においてはＭｇ固溶層３１にＣｕと活性金属（Ｔｉ）を含む金属間化合物相３３が分散されているので、セラミックス基板１１と銅板２２，２３との間に配設されたＭｇが銅板２２，２３側に十分に拡散しており、さらに、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）とが十分に反応している。

よって、セラミックス基板１１と銅板２２，２３との接合界面において十分に界面反応が進行しており、回路層１２（銅板２２）とセラミックス基板１１、金属層１３（銅板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。また、接合界面にＡｇが存在していないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。

特に、本実施形態においては、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）の内部に、Ｃｕ粒子３５が分散しているので、銅板２２，２３のＣｕがセラミックス基板１１の接合面で十分に反応していることになり、銅板２２，２３とセラミックス基板１１とが強固に接合された絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）を得ることが可能となる。

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）との間において、セラミックス基板１１の接合面から回路層１２（銅板２２）側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下に制限されているので、例えば超音波接合等を実施した場合であっても、接合界面における割れ等の発生を抑制することが可能となる。

また、本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）の製造方法によれば、銅板２２，２３とセラミックス基板１１との間に活性金属（Ｔｉ）の単体（活性金属膜２４）及びＭｇ単体（Ｍｇ膜２５）を配置する活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１と、これら活性金属膜２４及びＭｇ膜２５を介して銅板２２、２３とセラミックス基板１１とを積層する積層工程Ｓ０２と、積層された銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３を、積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程Ｓ０３と、を備えているので、接合界面にガスや有機物の残渣等が残存することがない。また、活性金属（Ｔｉ）の単体及びＭｇ単体を配置しているので、組成のばらつきがなく、均一に液相が生じることになる。

そして、活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ０１では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内（本実施形態では、Ｔｉを０．０２ｍｇ／ｃｍ^２以上２．２５ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内）、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内（０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／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とともに、セラミックス基板１１の必要以上の反応を抑制することができる。
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。また、接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１０を得ることができる。

ここで、活性金属量が０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２未満（Ｔｉ量が０．０２ｍｇ／ｃｍ^２未満）、及び、Ｍｇ量が７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２未満（０．１７ｍｇ／ｃｍ^２未満）の場合には、界面反応が不十分となり、接合率が低下するおそれがあった。また、活性金属量が４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２を超える（Ｔｉ量が２．２５ｍｇ／ｃｍ^２を超える）場合には、活性金属が多く比較的硬い金属間化合物相３３が過剰に生成してしまい、Ｍｇ固溶層３２が硬くなり過ぎて、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがあった。また、Ｍｇ量が１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２を超える（３．４８ｍｇ／ｃｍ^２を超える）場合には、セラミックス基板１１の分解反応が過剰となり、Ａｌが過剰に生成し、これらとＣｕや活性金属（Ｔｉ）やＭｇの金属間化合物が多量に生じ、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがあった。
以上のことから、本実施形態では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内（Ｔｉ量を０．０２ｍｇ／ｃｍ^２以上２．２５ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内）、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内（０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内）としている。

さらに、本実施形態においては、接合工程Ｓ０３における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上とされているので、セラミックス基板１１と銅板２２，２３と活性金属膜２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜２５とを密着させることができ、加熱時にこれらの界面反応を促進させることができる。また、接合工程Ｓ０３における加圧荷重が３．４ＭＰａ以下とされているので、セラミックス基板１１の割れ等を抑制することができる。

また、本実施形態では、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されており、接合工程Ｓ０３における加熱温度が、Ｍｇの融点以上である６７０℃以上とされているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。一方、接合工程Ｓ０３における加熱温度が８５０℃以下とされているので、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）との共晶反応の発生を抑制することができ、液相が過剰に生成することを抑制できる。また、セラミックス基板１１への熱負荷が小さくなり、セラミックス基板１１の劣化を抑制することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図５から図８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、セラミックス部材であるセラミックス基板１１１と、銅部材である銅板１２２（回路層１１２）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１１０とされている。
図５に、本発明の第２の実施形態である絶縁回路基板１１０及びこの絶縁回路基板１１０を用いたパワーモジュール１０１を示す。

このパワーモジュール１０１は、絶縁回路基板１１０と、この絶縁回路基板１１０の一方側（図５において上側）の面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１１０の他方側（図５において下側）に配置されたヒートシンク１５１と、を備えている。
ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。

絶縁回路基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高い窒化ケイ素で構成されている。ここで、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。

回路層１１２は、図８に示すように、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１２２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を構成する銅板１２２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図５において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。ここで、回路層１１２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１１３は、図８に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面にアルミニウム板１２３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、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板１２３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、このアルミニウム板１２３は、０．２％耐力が３０Ｎ／ｍｍ^２以下とされている。ここで、金属層１１３（アルミニウム板１２３）の厚さは０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。なお、金属層１１３は、図８に示すように、アルミニウム板１２３がＡｌ−Ｓｉ系ろう材１２８を用いてセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。

ヒートシンク１５１は、前述の絶縁回路基板１１０を冷却するためのものであり、本実施形態においては、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板とされている。本実施形態においては、ヒートシンク１５１は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。本実施形態においては、このヒートシンク１５１は、絶縁回路基板１１０の金属層１１３に、例えばＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合されている。

ここで、セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）とは、図８に示すように、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属からなる活性金属膜１２４（本実施形態ではＴｉ膜）及びＭｇ膜１２５を介して接合されている。
そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）との接合界面においては、図６に示すように、セラミックス基板１１１側に形成された活性金属窒化物層１３１（本実施形態では窒化チタン層）と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層１３２と、が積層されている。

Ｍｇ固溶層１３２には、上述の活性金属が含まれている。本実施形態においては、Ｍｇ固溶層１３２には、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）を含む金属間化合物相１３３が分散されている。本実施形態では、活性金属としてＴｉを用いており、ＣｕとＴｉを含む金属間化合物相１３３を構成する金属間化合物としては、例えばＣｕ_４Ｔｉ，Ｃｕ_３Ｔｉ_２，Ｃｕ_４Ｔｉ_３，ＣｕＴｉ，ＣｕＴｉ_２，ＣｕＴｉ_３等が挙げられる。
このＭｇ固溶層１３２におけるＭｇの含有量は、０．０１原子％以上０．５原子％以下の範囲内とされている。ここで、Ｍｇ固溶層１３２の厚さは、０．１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされている。

また、本実施形態では、活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）の内部に、Ｃｕ粒子１３５が分散している。
活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）内に分散するＣｕ粒子１３５の粒径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とされている。また、活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）のうちセラミックス基板１１１との界面から活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）の厚さの２０％までの界面近傍領域におけるＣｕ濃度が０．３原子％以上１５原子％以下の範囲内とされている。
ここで、活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）の厚さは、０．０３μｍ以上１．２μｍ以下の範囲内とされている。

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１１と回路層１１２との間において、セラミックス基板１１１の接合面から回路層１１２側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされている。

次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１１０の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。

図８に示すように、回路層１１２となる銅板１２２とセラミックス基板１１１との間に、それぞれＴｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体（本実施形態ではＴｉ単体）及びＭｇ単体を配置する（活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１）。本実施形態では、活性金属（Ｔｉ）とＭｇを蒸着することによって、活性金属膜１２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜１２５が形成されており、銅板１２２に接触するようにＭｇ膜１２５が形成されている。
ここで、この活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内（本実施形態では、Ｔｉを０．０２ｍｇ／ｃｍ^２以上２．２５ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内）、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内（０．１７ｍｇ／ｃｍ^２以上３．４８ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内）としている。

ここで、活性金属量が０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２未満（Ｔｉ量が０．０２ｍｇ／ｃｍ^２未満）、及び、Ｍｇ量が７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２未満（０．１７ｍｇ／ｃｍ^２未満）の場合には、界面反応が不十分となり、接合率が低下するおそれがある。また、活性金属量が４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２を超える（Ｔｉ量が２．２５ｍｇ／ｃｍ^２を超える）場合には、活性金属が多く比較的硬い金属間化合物相１３３が過剰に生成してしまい、Ｍｇ固溶層１３２が硬くなり過ぎて、セラミックス基板１１１に割れが生じるおそれがある。また、Ｍｇ量が１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２を超える（３．４８ｍｇ／ｃｍ^２を超える）場合には、セラミックス基板１１１の分解反応が過剰となり、Ａｌが過剰に生成し、これらとＣｕや活性金属（Ｔｉ）やＭｇの金属間化合物が多量に生じ、セラミックス基板１１１に割れが生じるおそれがある。
なお、活性金属量の下限は２．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以上とすることが好ましく、活性金属量の上限は１８．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以下とすることが好ましい。また、Ｍｇ量の下限は８．８μｍｏｌ／ｃｍ^２以上とすることが好ましく、Ｍｇ量の上限は３７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下とすることが好ましい。

次に、銅板１２２とセラミックス基板１１１とを、活性金属膜１２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜１２５を介して積層する（積層工程Ｓ１０２）。
なお、本実施形態では、図８に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面側に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材１２８を介して、金属層１１３となるアルミニウム板１２３を積層する。

次に、積層された銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３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１２２とセラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３を接合する（接合工程Ｓ１０３）。
ここで、接合工程Ｓ１０３における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされている。

また、接合工程Ｓ１０３における加熱温度は、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されていることから、ＭｇとＣｕの共晶温度以上である５００℃以上、かつ、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）の共晶温度以下である８５０℃以下とする。なお、加熱温度の下限は７００℃以上とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、アルミニウム板１２３をＡｌ−Ｓｉ系ろう材１２８を用いて接合するため、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内としている。
さらに、接合工程Ｓ１０３における真空度は、１×１０^−６Ｐａ以上１×１０^−２Ｐａ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加熱温度での保持時間は、５ｍｉｎ以上３６０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、上述のＣｕ_２Ｍｇ相の面積率を低くするためには、加熱温度での保持時間の下限を６０ｍｉｎ以上とすることが好ましい。また、加熱温度での保持時間の上限は２４０ｍｉｎ以下とすることが好ましい。

以上のように、活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１と、積層工程Ｓ１０２と、接合工程Ｓ１０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造される。

次に、絶縁回路基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、ヒートシンク１５１を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）。
絶縁回路基板１１０とヒートシンク１５１とを、ろう材を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、絶縁回路基板１１０の金属層１１３とヒートシンク１５１とを接合する。このとき、ろう材としては、例えば、厚さ２０〜１１０μｍのＡｌ−Ｓｉ系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は、接合工程Ｓ１０３における加熱温度よりも低温に設定することが好ましい。

次に、絶縁回路基板１１０の回路層１１２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（半導体素子接合工程Ｓ１０５）。
以上の工程により、図５に示すパワーモジュール１０１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１１０（銅／セラミックス接合体）によれば、銅板１２２（回路層１１２）と窒化ケイ素からなるセラミックス基板１１１とが、活性金属膜１２４（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜１２５を介して接合されており、セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）の接合界面には、セラミックス基板１１１側に形成された活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）と、Ｃｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層１３２と、が積層され、このＭｇ固溶層１３２内に、活性金属が存在しており、本実施形態では、Ｃｕと活性金属（Ｔｉ）を含む金属間化合物相１３３が分散しているので、第１の実施形態と同様に、回路層１１２（銅板１２２）とセラミックス基板１１１とが確実に接合された絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。また、接合界面にＡｇが存在していないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。

また、本実施形態においては、活性金属窒化物層１３１（窒化チタン層）の内部に、Ｃｕ粒子１３５が分散しているので、銅板１２２のＣｕがセラミックス基板１１１の接合面で十分に反応していることになり、回路層１１２（銅板１２２）とセラミックス基板１１１とが強固に接合された絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）を得ることが可能となる。

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１１と回路層１１２（銅板１２２）との間において、セラミックス基板１１１の接合面から回路層１１２（銅板１２２）側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下に制限されているので、例えば超音波接合等を実施した場合であっても、接合界面における割れ等の発生を抑制することが可能となる。

また、本実施形態の絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）の製造方法によれば、第１の実施形態と同様に、回路層１１２（銅板１２２）とセラミックス基板１１１との接合界面において、液相を適度に出現させて十分に界面反応させることができ、銅板１２２とセラミックス基板１１１とが確実に接合された絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）を得ることができる。また、接合にＡｇを用いていないので、耐マイグレーション性に優れた絶縁回路基板１１０を得ることができる。

また、本実施形態では、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されており、接合工程Ｓ１０３における加熱温度が、ＣｕとＭｇの共晶温度以上である５００℃以上とされているので、接合界面において十分に液相を生じさせることができる。
さらに、本実施形態では、積層工程Ｓ１０２において、セラミックス基板１１１の他面側にアルミニウム板１２３をＡｌ−Ｓｉ系ろう材１２８を介して積層し、銅板１２２とセラミックス基板１１１、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とを同時に接合しているので、銅からなる回路層１１２とアルミニウムからなる金属層１１３とを備えた絶縁回路基板１１０を効率良く製造することができる。また、絶縁回路基板１１０における反りの発生を抑制することができる。

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、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。

また、第２の実施形態において、金属層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９ｍａｓｓ％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９ｍａｓｓ％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。

さらに、ヒートシンクとして放熱板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。例えば、冷媒が流通する流路を有するものや冷却フィンを備えたものであってもよい。また、ヒートシンクとしてアルミニウムやアルミニウム合金を含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）を用いることもできる。
また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けてもよい。

さらに、本実施形態では、活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属膜（Ｔｉ膜）及びＭｇ膜を成膜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、活性金属とＭｇを共蒸着してもよい。この場合においても、成膜された活性金属膜及びＭｇ膜は、合金化されておらず、活性金属の単体及びＭｇ単体が配置されることになる。なお、共蒸着によって活性金属及びＭｇ膜を成膜した場合には、ＭｇとＣｕとが接触状態となるため、接合工程における加熱温度の下限を５００℃以上とすることができる。

また、本実施形態では、活性金属としてＴｉを用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、活性金属として、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上を用いてもよい。
なお、活性金属としてＺｒを用いた場合には、Ｍｇ固溶層において、Ｚｒは、Ｃｕとの金属間化合物相として存在する。この金属間化合物相を構成する金属間化合物としては、例えばＣｕ_５Ｚｒ，Ｃｕ_５１Ｚｒ_１４，Ｃｕ_８Ｚｒ_３，Ｃｕ_１０Ｚｒ_７，ＣｕＺｒ，Ｃｕ_５Ｚｒ_８，ＣｕＺｒ_２等が挙げられる。
活性金属としてＨｆを用いた場合には、Ｍｇ固溶層において、Ｈｆは、Ｃｕとの金属間化合物相として存在する。この金属間化合物相を構成する金属間化合物としては、例えばＣｕ_５１Ｈｆ_１４，Ｃｕ_８Ｈｆ_３，Ｃｕ_１０Ｈｆ_７，ＣｕＨｆ_２等が挙げられる。
活性金属としてＴｉ及びＺｒを用いた場合には、Ｍｇ固溶層において、Ｔｉ及びＺｒは、Ｃｕと活性金属を含む金属間化合物相として存在する。この金属間化合物相を構成する金属間化合物としては、Ｃｕ_１．５Ｚｒ_０．７５Ｔｉ_０．７５等が挙げられる。
また、活性金属としてＮｂを用いた場合には、ＮｂはＭｇ固溶層に固溶して存在することになる。

さらに、活性金属及びＭｇ配置工程においては、接合界面における活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内とされていればよく、例えばＭｇ膜／活性金属膜／Ｍｇ膜のように活性金属膜とＭｇ膜を多層に積層してもよい。あるいは、活性金属膜とＭｇ膜の間にＣｕ膜を成膜してもよい。
なお、活性金属の単体及びＭｇ単体は、箔材を配置してもよいし、スパッタリングによって成膜してもよい。

また、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー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。

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。

＜実施例１＞
表１に示す構造の銅／セラミックス接合体を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角のセラミックス基板の両面に、表１に示すように、活性金属としてＴｉ単体及びＭｇ単体を成膜した銅板を積層し、表１に示す接合条件で接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。なお、セラミックス基板の厚さは窒化アルミニウムの場合は厚さ０．６３５ｍｍ、窒化ケイ素の場合は厚さ０．３２ｍｍを用いた。また、接合時の真空炉の真空度は５×１０^−３Ｐａとした。

このようにして得られた銅／セラミックス接合体について、接合界面を観察して活性金属窒化物層（窒化チタン層）、Ｍｇ固溶層、金属間化合物相、活性金属窒化物層（窒化チタン層）中のＣｕ粒子の有無及びＣｕ濃度、を確認した。また、銅／セラミックス接合体の初期接合率、冷熱サイクル後のセラミックス基板の割れ、マイグレーション性を、以下のように評価した。

（Ｍｇ固溶層）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、ＥＰＭＡ装置（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）を観察し、セラミックス基板表面（活性金属窒化物層表面）から銅板側に向かって１０μｍ間隔の１０点で定量分析を行い、Ｍｇ濃度が０．０１原子％以上である領域をＭｇ固溶層とした。

（Ｍｇ固溶層における活性金属の有無（金属間化合物相の有無）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）の活性金属（Ｔｉ）の元素ＭＡＰを取得し、活性金属（Ｔｉ）の有無を確認した。また、活性金属（Ｔｉ）の存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、活性金属濃度（Ｔｉ濃度）が１６原子以上９０原子％以下を満たした領域を金属間化合物相とした。

（活性金属窒化物層）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｔｉｔａｎ ＣｈｅｍｉＳＴＥＭ（ＥＤＳ検出器付き））を用いて、倍率１１５０００倍、加速電圧２００ｋＶの条件で観察を行い、エネルギー分散型Ｘ線分析法（サーモサイエンティフィック社製ＮＳＳ７）を用いてマッピングを行い、活性金属（Ｔｉ）とＮが重なる領域において、１ｎｍ程度に絞った電子ビームを照射すること（ＮＢＤ（ナノビーム回折）法）で電子回折図形を得て、活性金属窒化物層（窒化チタン層）の有無を確認した。
また、活性金属窒化物層（窒化チタン層）と確認された領域におけるＣｕ粒子の有無を確認し、この領域における定量分析の５点平均から得られたＣｕ濃度を、活性金属窒化物層（窒化チタン層）内に分散されたＣｕの平均濃度とした。

（初期接合率）
銅板とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて以下の式を用いて求めた。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち銅板の接合面の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）

（セラミックス基板の割れ）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ−７２ＥＳ）を使用し、気相で、−５０℃×１０分←→１５０℃×１０分の３００サイクルを実施した。
上述の冷熱サイクルを負荷した後のセラミックス基板の割れの有無を評価した。

（マイグレーション）
回路層の回路パターン間距離０．８ｍｍ、温度６０℃、湿度９５％ＲＨ、電圧ＤＣ５０Ｖの条件で、５００時間放置後に、回路パターン間の電気抵抗を測定し、抵抗値が１×１０^６Ω以下となった場合を短絡したと判断し、「×」とした。

評価結果を表２に示す。また、本発明例５の観察結果を図９に示す。

活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属量（Ｔｉ量）が０．１μｍｏｌ／ｃｍ^２（０．００５ｍｇ／ｃｍ^２）と本発明の範囲よりも少ない比較例１においては、初期接合率が低くなった。Ｍｇ固溶層に、金属間化合物相として活性金属（Ｔｉ）が存在しておらず、界面反応が不十分だったためと推測される。
活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属量（Ｔｉ量）が６６．９μｍｏｌ／ｃｍ^２（３．２０ｍｇ／ｃｍ^２）と本発明の範囲よりも多い比較例２においては、セラミックス基板の割れが確認された。比較的硬い金属間化合物相が多量に形成されたためと推測される。

活性金属及びＭｇ配置工程において、Ｍｇ量が２．１μｍｏｌ／ｃｍ^２（０．０５ｍｇ／ｃｍ^２）と本発明の範囲よりも少ない比較例３においては、初期接合率が低くなった。Ｍｇ固溶層が観察されておらず、界面反応が不十分だったためと推測される。
活性金属及びＭｇ配置工程において、Ｍｇ量が２２０．１μｍｏｌ／ｃｍ^２（５．３５ｍｇ／ｃｍ^２）と本発明の範囲よりも多い比較例４においては、セラミックス基板の割れが確認された。セラミックス基板の分解反応が過剰となり、Ａｌが過剰に生成し、これらとＣｕや活性金属（Ｔｉ）やＭｇの金属間化合物が多量に生じたためと推測される。

Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材を用いてセラミックス基板と銅板を接合した従来例においては、マイグレーションが「×」と判断された。接合界面にＡｇが存在するためと推測される。

これに対して、本発明例１〜１２においては、初期接合率も高く、セラミックス基板の割れも確認されなかった。また、マイグレーションも良好であった。
また、図９に示すように、接合界面を観察した結果、活性金属窒化物層３１（窒化チタン層）、Ｍｇ固溶層３２が観察され、このＭｇ固溶層３２の内部に金属間化合物相３３が分散していることが観察された。

＜実施例２＞
表３に示す構造の銅／セラミックス接合体を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角のセラミックス基板の両面に、表３に示すように、活性金属の単体及びＭｇ単体を成膜した銅板を積層し、表３に示す接合条件で接合し、銅／セラミックス接合体を形成した。なお、セラミックス基板の厚さは窒化アルミニウムの場合は厚さ０．６３５ｍｍ、窒化ケイ素の場合は厚さ０．３２ｍｍを用いた。また、接合時の真空炉の真空度は５×１０^−３Ｐａとした。

このようにして得られた銅／セラミックス接合体について、実施例１と同様に、接合界面を観察して、活性金属窒化物層、Ｍｇ固溶層、Ｍｇ固溶層における活性金属の有無（金属間化合物相の有無）、活性金属窒化物層中のＣｕ粒子の有無及びＣｕ濃度、を確認した。また、銅／セラミックス接合体の初期接合率、冷熱サイクル後のセラミックス基板の割れ、マイグレーション性は、実施例１と同様に評価した。評価結果を表４に示す。

活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属量（Ｚｒ量）が５０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２と本発明の範囲よりも多い比較例２１、及び、活性金属量（Ｎｂ量）が６１．２μｍｏｌ／ｃｍ^２と本発明の範囲よりも多い比較例２２においては、セラミックス基板の割れが確認された。Ｍｇ固溶層に存在する活性金属量が多く、Ｍｇ固溶層が硬くなったためと推測される。
活性金属及びＭｇ配置工程において、活性金属量（Ｈｆ量）が０．２μｍｏｌ／ｃｍ^２と本発明の範囲よりも少ない比較例２３、及び、活性金属量（Ｈｆ量＋Ｎｂ量）が０．２μｍｏｌ／ｃｍ^２と本発明の範囲よりも少ない比較例２４においては、初期接合率が低くなった。

これに対して、本発明例２１〜２７においては、初期接合率も高く、セラミックス基板の割れも確認されなかった。また、マイグレーションも良好であった。

以上のことから、本発明例によれば、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、耐マイグレーション性に優れた銅／セラミックス接合体（絶縁回路基板）を提供可能であることが確認された。

＜実施例３＞
表５に示す構造の絶縁回路基板を形成した。詳述すると、４０ｍｍ角のセラミックス基板の両面に、表５に示すように、活性金属の単体及びＭｇ単体を成膜した銅板を積層し、表５に示す接合条件で接合し、回路層を有する絶縁回路基板を形成した。なお、セラミックス基板の厚さは窒化アルミニウムの場合は厚さ０．６３５ｍｍ、窒化ケイ素の場合は厚さ０．３２ｍｍを用いた。また、接合時の真空炉の真空度は５×１０^−３Ｐａとした。

このようにして得られた絶縁回路基板について、セラミックス基板と回路層との接合界面におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率、及び、回路層に超音波接合した端子のプル強度を、以下のようにして評価した。

（Ｃｕ_２Ｍｇ相の面積率）
銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて、倍率７５０倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（１２０μｍ×１６０μｍ）のＭｇの元素ＭＡＰを取得し、Ｍｇの存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｍｇ濃度が３０原子％以上４０原子％以下を満たした領域をＣｕ_２Ｍｇ相とした。
そして、観察視野内において、セラミックス基板の接合面とセラミックス基板の接合面から銅板側へ５０μｍまでの領域の面積Ａを求める。この領域内においてＣｕ_２Ｍｇ相の面積Ｂを求め、Ｃｕ_２Ｍｇ相の面積率Ｂ／Ａ×１００（％）を求めた。上述のようにＣｕ_２Ｍｇ相の面積率を５視野で測定し、その平均値を表５に記載した。

（プル強度）
図１０に示すように、絶縁回路基板の回路層の上に、超音波金属接合機（超音波工業株式会社製６０Ｃ−９０４）を用いて、銅端子（幅５ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を、コプラス量０．３ｍｍの条件で超音波接合した。
そして、ツール速度０．５ｍｍ／ｓ，ステージ速度０．５ｍｍ／ｓの条件で銅端子をプルしたときの破断荷重を接合面積で割った値をプル強度として表５に記載した。

本発明例３１〜４３を比較すると、Ｃｕ_２Ｍｇ相の面積率が低いほど、プル強度が高くなることが確認される。よって、超音波接合性を向上させる場合には、Ｃｕ_２Ｍｇ相の面積率を低く抑えることが効果的であることが確認された。

１０、１１０ 絶縁回路基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２２、２３、１２２ 銅板
３１、１３１ 活性金属窒化物層
３２、１３２ Ｍｇ固溶層
３３、１３３ 金属間化合物相
３５、１３５ Ｃｕ粒子

Claims (14)

1. 銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、
   前記銅部材と前記セラミックス部材との間においては、前記セラミックス部材側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅部材との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
   前記Ｍｇ固溶層には、前記活性金属が存在することを特徴とする銅／セラミックス接合体。
2. 前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属を含む金属間化合物相が分散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。
3. 前記活性金属窒化物層の内部に、Ｃｕ粒子が分散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。
4. 前記活性金属がＴｉであ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。
5. 前記セラミックス部材と前記銅部材との間において、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％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４のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体。
6. 窒化アルミニウム又は窒化ケイ素からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、
   前記銅板と前記セラミックス基板との間においては、前記セラミックス基板側に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にＣｕの母相中にＭｇが固溶したＭｇ固溶層が形成されており、
   前記Ｍｇ固溶層には、前記活性金属が存在することを特徴とする絶縁回路基板。
7. 前記Ｍｇ固溶層には、Ｃｕと前記活性金属を含む金属間化合物相が分散されていることを特徴とする請求項６に記載の絶縁回路基板。
8. 前記活性金属窒化物層の内部に、Ｃｕ粒子が分散されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の絶縁回路基板。
9. 前記活性金属がＴｉであることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
10. 前記セラミックス基板と前記銅板との間において、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ５０μｍまでの領域におけるＣｕ_２Ｍｇ相の面積率が１５％以下とされていることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。
11. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の銅／セラミックス接合体を製造する銅／セラミックス接合体の製造方法であって、
    前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体及びＭｇ単体を配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、
    前記銅部材と前記セラミックス部材とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、
    活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
    を備えており、
    前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴とする銅／セラミックス接合体の製造方法。
12. 前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、
    前記接合工程における加熱温度は、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合は５００℃以上８５０℃以下の範囲内、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合は６７０℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１１に記載の銅／セラミックス接合体の製造方法。
13. 請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、
    前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の単体及びＭｇ単体を配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、
    前記銅板と前記セラミックス基板とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、
    活性金属及びＭｇを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
    を備えており、
    前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ^２以上４７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内、Ｍｇ量を７．０μｍｏｌ／ｃｍ^２以上１４３．２μｍｏｌ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
14. 前記接合工程における加圧荷重が０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とされ、
    前記接合工程における加熱温度は、ＣｕとＭｇが接触状態で積層されている場合は５００℃以上８５０℃以下の範囲内、ＣｕとＭｇが非接触状態で積層されている場合は６７０℃以上８５０℃以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１３に記載の絶縁回路基板の製造方法。

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