JP2014179463A - パワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌ層と金属部材層とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好なパワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】金属層１３は、絶縁層１１の他方の面に形成されたＡｌ層１３Ａと、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成された金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層１５と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成され、他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール用基板、及びこのパワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板に関するものである。

ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車等の電気車両など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においては、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ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面及び他方の面に導電性の優れた金属板を回路層及び金属層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。

例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌからなる回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。そして、パワーモジュール用基板の下側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子で発生した熱を、パワーモジュール用基板側に伝達し、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。

ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、金属層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によってヒートシンクを接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、金属層の表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成した上で、はんだ材で接合している。
また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて金属層とヒートシンクとを接合する技術が提案されている。

さらに、特許文献４には、金属層をＡｌ層とＣｕ層で構成したパワーモジュールが提案されている。この場合、金属層の表面にはＣｕ層が配置されるため、はんだ材を用いてヒートシンクを良好に接合することができる。また、ＣｕはＡｌに比べて変形抵抗が大きいことから、このパワーモジュールにヒートサイクルが負荷された際に、金属層表面が大きく変形することを抑制でき、はんだ層におけるクラックの発生を防止して、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることが可能となる。
なお、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、金属層として、Ａｌ層とＣｕ層とがＴｉ層を介して接合された接合体が用いられている。ここで、Ａｌ層とＴｉ層との間には、拡散層が形成されており、この拡散層は、Ａｌ層側から順に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層と、を有している。

特許第３１７１２３４号公報 特開２００４−１７２３７８号公報 特開２００８−２０８４４２号公報 特許第３０１２８３５号公報

ところで、特許文献２に記載されたように、金属層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、ヒートシンクを接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合したヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、金属層部分にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題がある。

さらに、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて金属層とヒートシンクとを接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め金属層の表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。

また、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、金属層のうちＡｌ層とＴｉ層との接合界面に、硬いＡｌ−Ｔｉ層やＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際にクラックの起点となるといった問題があった。
さらには、Ａｌ層にＴｉ箔を介してＣｕ板等を積層し、Ａｌ層とＴｉ箔との界面が溶融する温度にまで加熱する場合、接合界面に液相が生じてコブが生じたり、厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下する問題があった。

ここで、特許文献２のＮｉめっきの代替として、特許文献４に記載されたように、Ａｌからなる金属層にＴｉ箔を介してＮｉ板を接合してＮｉ層を形成することも考えられる。さらには、特許文献３の酸化銀ペーストを用いる際に、Ａｌからなる金属層にＴｉ箔を介してＡｇ板を接合してＡｇ下地層を形成することも考えられる。
しかしながら、特許文献４に記載された方法で、Ｎｉ層やＡｇ層を形成すると、Ｃｕ層を形成した場合と同様に、Ａｌ層とＴｉ層との接合界面に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｎｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ａｇ層等の硬い層が形成されたり、接合界面にコブが生じたりすること等によって、接合信頼性が低下するおそれがあった。
以上のように、従来は、Ａｌ層と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇのいずれかからなる金属部材層とを良好に接合することができず、接合信頼性に優れた金属層を有するパワーモジュール用基板を得ることはできなかった。

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、Ａｌ層と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材層とを有する金属層において、Ａｌ層と金属部材層とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好なパワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用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、本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に形成されアルミニウムからなるＡｌ層と、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成され銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴としている。
なお、本発明において、アルミニウムは純アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとし、銅は純銅又は銅合金、ニッケルは純ニッケル又はニッケル合金、銀は純銀又は銀合金で構成されたものとしている。

本発明のパワーモジュール用基板によれば、金属層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュール用基板の金属層がヒートシンクに接合された場合、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合信頼性を向上できる。
さらに、Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度が、Ａｌ層側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも高いので、Ｔｉ原子がＡｌ層側に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。

また、この場合、絶縁層の他方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層が吸収し、セラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
さらに、Ａｌ層のうち絶縁層が形成された面と反対側の面に、銅又は銅合金からなるＣｕ層が形成されている場合、Ｃｕ層はＡｌ層に比べて変形抵抗が大きいことから、ヒートサイクルが負荷された際に金属層の変形が抑制され、ヒートシンクと金属層を接合する接合層の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
また、Ａｌ層のうち絶縁層が形成された面と反対側の面に、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層が形成されている場合、はんだ付け性が良好となり、ヒートシンクとの接合信頼性が向上する。
また、Ａｌ層のうち絶縁層が形成された面と反対側の面に、銀又は銀合金からなるＡｇ層が形成されている場合、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いてヒートシンクを接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。

また、上記パワーモジュール用基板において、前記第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層に含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上であることが好ましい。
この場合、Ａｌ層側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が十分なＳｉ濃度を有しているので、Ａｌ層を構成するＡｌ原子がＴｉ層側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の厚さを薄くすることができる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、上述のパワーモジュール用基板と、前記金属層に接合されたヒートシンクと、を備えることを特徴としている。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、パワーモジュール用基板とヒートシンクとが接合されているので、ヒートシンクを介してパワーモジュール用基板側からの熱を効率的に放散することができる。

また、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記金属層と前記ヒートシンクとがはんだ層を介して接合されていることが好ましい。
この場合、金属層のうちヒートシンク側に形成された銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、ヒートシンクとがはんだ層を介して接合されているので、金属部材層とはんだ層を良好に接合することができ、金属層とヒートシンクとの接合信頼性を向上させることができる。

また、上述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記回路層は、アルミニウムからなるＡｌ層と、このＡｌ層の一方の面に形成され銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、を有し、前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴としている。

この場合、回路層において、Ａｌ層と金属部材層との接合部には、Ｔｉ層と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層とが形成されており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層等が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、回路層に接合される半導体素子との接合信頼性を向上できる。
さらに、Ａｌ層の一方の面にＣｕ層又はＡｇ層が形成されている場合、熱伝導率の良好なＣｕ層又はＡｇ層が回路層の一方側に形成されているので、半導体素子からの熱を拡げて効率的にパワーモジュール用基板側に伝達することができる。
また、Ａｌ層の一方の面にニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層が形成されている場合、はんだ付け性が良好となり、半導体素子との接合信頼性が向上する。

本発明によれば、Ａｌ層と、銅、ニッケル、銀のいずれかからなる金属部材層とを有する金属層において、Ａｌ層と金属部材層とが良好に接合され、ヒートサイクルが負荷された際に接合部におけるクラックの発生を抑制でき、接合信頼性が良好なパワーモジュール用基板、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 一実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。 図２の金属層におけるＴｉ層とＡｌ層との接合部の拡大説明図である。 一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。 一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 本発明の他の実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 本発明の他の実施形態に係るパワーモジュール用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。
図１に、本発明の一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１を示す。
ヒートシンク付パワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の一方の面（図１において上面）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、を備えている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の下側にはんだ層３５を介して接合されたヒートシンク３１と、を備えている。

パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２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３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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、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、セラミックス基板１１の一方の面（図２において上面）に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム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１２は、純度が９９％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）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となるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ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１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に配設されたＡｌ層１３Ａと、このＡｌ層１３Ａのうちセラミックス基板１１が接合された面と反対側の面にＴｉ層１５を介して積層されたＣｕ層１３Ｂ（金属部材層）と、を有している。
Ａｌ層１３Ａは、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム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、Ａｌ層１３Ａは、純度９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。前記純度９９質量％以上のアルミニウムの圧延板には、０．０８質量％以上０．９５質量％以下のＳｉが含有されているとよい。なお、接合されるアルミニウム板の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ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。

Ｃｕ層１３Ｂは、Ａｌ層１３Ａのうちセラミックス基板１１が形成された面と反対側の面（図２において下面）に、Ｔｉ層１５を介して、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、Ｃｕ層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板がＡｌ層１３Ａに、チタン箔を介して固相拡散接合されることにより形成されている。なお、接合される銅板の厚さは０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。

Ｔｉ層１５は、Ａｌ層１３Ａと銅板とがチタン箔を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。ここで、チタン箔の純度は９９％以上とされている。また、Ｔｉ箔の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１５μｍに設定されている。
そして、Ａｌ層１３ＡとＴｉ層１５との接合界面には、図３に示すように、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６が形成されている。

Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６は、Ａｌ層１２ＡのＡｌ原子と、Ｔｉ層１５のＴｉ原子とが相互拡散することによって形成されるものである。Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては５μｍとされている。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６は、図３に示すように、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと、Ａｌ層１３Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂとを備えている。すなわち、Ａｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂとが形成されているのである。

これら、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａと第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂは、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度が、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。なお、本実施形態において、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａ及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉは、２Ｎ−Ａｌの圧延板中に不純物として含まれるＳｉがＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６中に拡散し、濃化したものである。
第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％とされている。

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、はんだ層２を介して接合されている。
はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされており、パワーモジュール用基板１０と半導体素子３とを接合するものである。

ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。このヒートシンク３１には、冷却用の流体が流れるための流路３２が設けられている。
はんだ層３５は、はんだ層２と同様に、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされており、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１とを接合するものである。

次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となるアルミニウム板２２を積層する。一方、セラミックス基板１１の他方の面には、Ａｌ層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａを積層し、さらにその上にチタン箔２５を介してＣｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する（アルミニウム板及び銅板積層工程Ｓ０１）。ここで、本実施形態においては、アルミニウム板２２、２３Ａとセラミックス基板１１との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層した。

次いで、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、回路層１２及びＡｌ層１３Ａを形成するとともに、Ａｌ層１３Ａとチタン箔２５、及び銅板２３Ｂとチタン箔２５を固相拡散接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）。

ここで、真空加熱炉内の圧力は１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
なお、アルミニウム板２３Ａ、チタン箔２５、及び銅板２３Ｂの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。

次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３に、はんだ材を介してヒートシンク３１を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が製造される。
次いで、回路層１２の一方の面（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ０４）。
上記のようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１が製造される。

以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、及びパワーモジュール用基板１０によれば、金属層１３においてＡｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとの接合部には、Ｔｉ層１５と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、金属層１３にクラックが発生することを抑制することができる。したがって、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との接合信頼性を向上できる。

さらに、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡのＳｉ濃度が、Ａｌ層１３Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６ＡによってＴｉ原子がＡｌ層１３Ａ側に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さを薄くすることができる。そして、このようにＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６の厚さを薄くすることで、ヒートサイクルが負荷された際にＡｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとの接合部にクラックが発生することを抑制可能となる。

また、Ａｌ層１３Ａ側に形成された第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂに含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされているので、Ａｌ原子がＴｉ層１５側に過剰に拡散することが抑制され、第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ｂの厚さを薄くすることができる。
さらには、Ｔｉ層１５側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａに含まれるＳｉ濃度が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされているので、Ｔｉ原子がＡｌ層１３Ａ側に過剰に拡散することが抑制され、第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１６Ａの厚さを薄くすることができる。

また、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム板２３Ａ、チタン箔２５、銅板２３Ｂ、及びアルミニウム板２２を一度に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減可能である。

また、セラミックス基板１１の他方の面に比較的変形抵抗の小さいＡｌ層１３Ａが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に生じる熱応力をＡｌ層１３Ａが吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
さらに、Ａｌ層１３Ａのうちセラミックス基板１１が形成された面と反対側の面には、比較的変形抵抗の大きいＣｕ層１３Ｂが形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に金属層１３の変形が抑制され、金属層１３とヒートシンク３１とを接合するはんだ層３５の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。

また、本実施形態においては、Ａｌ層１３Ａ（アルミニウム板２３Ａ）とチタン箔２５、及び銅板２３Ｂとチタン箔２５との固相拡散接合は、積層方向へ１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力をかけられた状態で６００℃以上６４３℃以下に保持することで行われる構成とされているので、Ａｌ層１３Ａ及び銅板２３Ｂ中にＴｉ原子を拡散させ、チタン箔２５中にＡｌ原子及びＣｕ原子を固相拡散させて固相拡散接合し、Ａｌ層１３Ａ、チタン箔２５、及び銅板２３Ｂを確実に接合することができる。

固相拡散接合する際に積層方向にかかる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合は、Ａｌ層１３Ａ、チタン箔２５、及び銅板２３Ｂを十分に接合させることが困難となり、接合界面に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ^２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎるために、セラミックス基板１１に割れが発生することがある。このような理由により、固相拡散接合の際にかかる圧力は、上記の範囲に設定されている。

固相拡散接合する際の温度が６００℃以上の場合には、Ａｌ原子、Ｔｉ原子、及びＣｕ原子の拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、６４３℃以下の場合には、アルミニウムの溶融による液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚さが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度範囲は、上記の範囲に設定されている。

また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、本実施形態では、アルミニウム板２３Ａ、銅板２３Ｂ、及びチタン箔２５の接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。

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。

なお、上記実施の形態では、Ａｌ層と、Ｃｕ層とが接合される場合について説明したが、Ｃｕ層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層、もしくは銀又は銀合金からなるＡｇ層が接合されても良い。

例えば、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、はんだ材を介して金属層とヒートシンクとを接合した際に、接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。Ｎｉ層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはＮｉ層が熱抵抗体となり効率的にヒートシンク側に熱を伝達できなくなるおそれがある。
また、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合、固相拡散接合は、前記第一実施形態においてＣｕ層を形成した場合と同様の条件で形成することができる。

また、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いてヒートシンクを接合する際に、酸化銀が還元された銀とＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。この場合、Ａｇ層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。Ａｇ層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子との接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。
また、固相拡散接合によってＡｇ層を形成する場合、固相拡散接合は、前記第一実施形態においてＣｕ層を形成した場合と同様の条件で形成することができる。

また、図６に示すように、回路層１１２が、セラミックス基板１１の一方の面（図６において上面）に形成されたＡｌ層１１２Ａと、Ａｌ層１１２Ａの一方の面（図６において上面）に、Ｔｉ層１１５を介して固相拡散接合されたＣｕ層１１２Ｂと、を有する構成とされても良い。

この回路層１１２を備えたヒートシンク付パワーモジュール１０１においては、ヒートサイクルが負荷された際に、セラミックス基板１１に生じる熱応力をＡｌ層１１２Ａによって吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。また、Ａｌ層１１２Ａの上側には、Ｃｕ層１１２Ｂが形成されているので、半導体素子３側からの熱を拡げて効率的にヒートシンク３１側に放散できる。

なお、上記実施形態では、チタン箔を介して、２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と無酸素銅からなる銅板とを積層し、固相拡散接合する場合について説明したが、Ｓｉの含有量が２Ｎアルミニウムよりも少ない４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と銅板とをチタン箔を介して固相拡散接合した場合には、接合界面にＡｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は形成されず、Ａｌ_３Ｔｉ層（Ａｌ−Ｔｉ層）が厚く成長することになる。４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板と銅板とを接合する場合、例えば図７に示すように、４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板２２３Ａの下に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２２６、チタン箔２２５、銅板２２３Ｂを順に積層し、固相拡散接合することによって、パワーモジュール用基板１０と同様に第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層及び第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を形成することができ、ヒートサイクルが負荷された際に金属層にクラックが生じることを抑制可能となる。

また、上記実施形態では、はんだ材を介して金属層とヒートシンクとを接合する場合について説明したが、これに限定されることはなく、他の手法によって接合されても良い。例えば、上述の酸化銀ペーストによって接合されても良いし、ろう材箔によって接合されても良い。

また、上記実施形態において、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る場合について説明したが、これに限定されることはなく、銅や銅合金で構成されても良い。また、回路層が銅又は銅合金からなるリードフレームの一部とされていてもよい。
また、ヒートシンクが銅又は銅合金で構成される場合について説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクがアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されても良い。

また、上記実施の形態では、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介してアルミニウム板を接合する場合について説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）を適用しても良い。

さらに、上記実施の形態では、セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して、Ａｌ層となるアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介してＣｕ層となる銅板を積層し、加圧加熱することで金属層を形成したが、チタン箔及び銅板の代わりにＴｉ／Ｃｕからなるクラッド材を用いることができる。また、アルミニウム板、チタン箔及び銅板の代わりに、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕの３層からなるクラッド材を用いることもできる。
また、Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成する場合、Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材を用いることができる。
さらに、Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成する場合、Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材やＡｌ／Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材を用いることができる。

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。
本発明例１〜５のヒートシンク付パワーモジュールを次のようにして製造した。まず、表１に示すセラミックス基板の一方の面に、回路層となる純度９９％以上のＡｌ（２Ｎ−Ａｌ）板を積層する。また、セラミックス基板の他方の面には、Ａｌ層となる純度９９％以上のアルミニウム板（Ｓｉを０．２５質量％含有）を積層し、さらにチタン箔を介して無酸素銅の銅板を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して積層した。次いで、表１に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及びＡｌ層を形成するとともに、Ａｌ層、チタン箔、銅板を固相拡散接合して金属層を形成した。そして、パワーモジュール用基板の金属層と表１に示すヒートシンクとをＳｎ−Ｓｂ系のはんだ材を用いて接合した。また、回路層の一方の面に、Ｓｎ−Ｓｂ系のはんだ材を介して半導体素子を接合した。

次に、本発明例６〜８のヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明する。セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ層となるＳｉを０．２５質量％含有する２Ｎアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介して表１記載の金属部材層を構成する金属板を積層する。また、セラミックス基板の他方の面には、Ａｌ層となる純度９９％以上のアルミニウム板（Ｓｉを０．２５質量％含有）を積層し、さらにチタン箔を介して表１記載の金属部材層を構成する金属板を積層する。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して積層した。次いで、表１に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌ層を形成するとともに、Ａｌ層、チタン箔、金属部材からなる板を固相拡散接合して回路層及び金属層を形成した。そして、パワーモジュール用基板の金属層と表１に示すヒートシンクとをＳｎ−Ｓｂ系のはんだ材を用いて接合した。また、回路層の一方の面に、Ｓｎ−Ｓｂ系のはんだ材を介して半導体素子を接合した。

比較例１のヒートシンク付パワーモジュールは、Ａｌ層として純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）を用いたこと以外は、本発明例１のヒートシンク付パワーモジュールと同様にして製造した。なお、加熱処理は、表１に示す条件で実施した。

このようにして製造されたヒートシンク付パワーモジュールの金属層におけるＡｌ層と金属部材層との接合部において、断面観察を行い、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の有無を確認した。
また、ヒートシンク付パワーモジュールに対して、冷熱サイクル試験を行い、試験後のセラミックス基板と金属層との接合率を評価した。
断面観察、冷熱サイクル試験及び接合率の評価は、以下のようにして行った。

（断面観察）
Ａｌ層と金属部材層との接合部の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてＡｌ層と金属部材層との接合部の観察を行った。そして、ＥＰＭＡ分析装置を用いて、接合部の組成分析を行い、Ｔｉ層とＡｌ層との間の接合界面に、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されているかどうかを確認した。

（冷熱サイクル試験）
冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、ヒートシンク付パワーモジュールに対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクルを実施した。

（Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率評価）
ヒートシンク付パワーモジュールに対し、Ａｌ層と金属部材層との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。
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、すなわち本実施例ではＡｌ層の面積とした。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。なお、セラミックス基板及び金属層にクラックが生じた場合、このクラックは超音波探傷像において白色部で示され、クラックも剥離面積として評価されることになる。
（接合率（％））＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
以上の評価の結果を表１に示す。

Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認された本発明例１〜８では冷熱サイクル試験後の接合率は９４．４％以上と高く、接合信頼性の高いパワーモジュールであることが確認された。
一方、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が確認されなかった比較例１では、ヒートサイクル試験後の接合率は、本発明例と比べると大幅に低下した。

１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
１３Ａ、１１２Ａ、 Ａｌ層
１３Ｂ、１１２Ｂ Ｃｕ層（金属部材層）
１５、１１５、２１５ Ｔｉ層
１６ Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１６Ａ 第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
１６Ｂ 第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
３０、１３０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１ ヒートシンク

Claims (5)

1. 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
   前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に形成されアルミニウムからなるＡｌ層と、このＡｌ層のうち前記絶縁層が形成された面と反対側の面に形成され銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、を有し、
   前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、
   前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
   前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
   前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
   前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
   前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 前記第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層に含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板と、前記金属層に接合されたヒートシンクと、を備えることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
4. 前記金属層と前記ヒートシンクとがはんだ層を介して接合されていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
5. 前記回路層は、アルミニウムからなるＡｌ層と、このＡｌ層の一方の面に形成され銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、を有し、
   前記Ａｌ層と前記金属部材層との接合部には、
   前記金属部材層側に位置するＴｉ層と、
   前記Ｔｉ層と前記Ａｌ層との間に位置し、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、が形成されており、
   前記Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、
   前記Ｔｉ層側に形成された第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、
   前記Ａｌ層側に形成され前記第一Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層よりもＳｉ濃度が低い第二Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。

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