JP2015185705A - メタライズドセラミックス基板、およびその製造方法、パワーモジュール用基板、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷熱サイクルによっても被接合体との接合界面でのクラックの進展を防止し、被接合体を強固に接合することが可能なメタライズドセラミックス基板、パワーモジュール用基板、メタライズドセラミックス基板の製造方法を提供する。
【解決手段】メタライズドセラミックス基板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１１ａ、および他方の面１１ｂにそれぞれ形成されたＡｇ−Ｃｕ合金層１２と活性金属化合物層１３とから構成されている。
【選択図】図１
【解決手段】メタライズドセラミックス基板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１１ａ、および他方の面１１ｂにそれぞれ形成されたＡｇ−Ｃｕ合金層１２と活性金属化合物層１３とから構成されている。
【選択図】図１
Description
この発明は、セラミックス基板の表面を金属膜化したメタライズドセラミックス基板、およびその製造方法、このメタライズドセラミックス基板を用いたパワーモジュール用基板、およびその製造方法に関するものである。
例えば、半導体素子の中でも電力供給のためのパワー半導体素子は、発熱量が比較的高いため、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）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなるセラミックス基板の一方の面側に、例えば、アルミニウムからなる第一の金属板が接合されてなる回路層と、セラミックス基板の他方の面側に第二の金属板が接合されてなる金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー半導体素子などの半導体素子が搭載される。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー半導体素子などの半導体素子が搭載される。
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法によって絶縁基板に直接接合したパワーモジュール用基板が提案されている。また、特許文献１の第１図には、このパワーモジュール用基板に、有機系耐熱性接着剤を用いてＡｌ板を接合する構成も開示されている。
また、特許文献２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としてＡｌ板を用いたパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール基板においては、Ａｌ板と絶縁基板とがろう材を用いて接合されている。
さらに、特許文献３には、絶縁基板の一方の面に金属板を接合して回路層とし、絶縁基板の他方の面に、鋳造法によってＡｌを直接形成したものが提案されている。そして、回路層を構成する金属板として、Ａｌ板やＣｕ板を使用することが開示されている。
パワーモジュールは、例えば、半導体素子が発熱して１５０℃以上の高温状態になったり、その後、常温に戻るなどの冷熱サイクルが負荷される。こうした冷熱サイクルの負荷によって、パワーモジュール用基板も膨張と収縮を繰り返すために、セラミックス基板とこれに接合されるＡｌ部材などとの接合界面には、これらの熱膨張係数の差によって熱応力が作用し、クラック等が発生する懸念があった。セラミックス基板とＡｌ部材などとの接合界面にクラックが進展すると、セラミックス基板とＡｌ部材との剥離の原因となる。
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、冷熱サイクルが負荷されても被接合体との接合界面でのクラックの進展を防止し、被接合体を強固に接合することが可能なメタライズドセラミックス基板、およびその製造方法、およびこれを用いた、パワーモジュール用基板、およびそ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、本発明のメタライズドセラミックス基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、ＡｇとＣｕの共晶組織を有するＡｇ−Ｃｕ合金層が形成されており、前記セラミックス基板と前記Ａｇ−Ｃｕ合金層との間に、活性金属化合物層が形成されていることを特徴とする。
本発明のメタライズドセラミックス基板によれば、セラミックス基板とＡｇ−Ｃｕ合金層との間に活性金属化合物層が形成されているので、セラミックス基板とＡｇ−Ｃｕ合金層との接合強度が確保される。
また、Ａｇ−Ｃｕ合金層が形成されているので、例えば、被接合体の一例であるＡｌ部材を、ＡｇおよびＣｕとＡｌとの固相拡散によって接合することができ、Ａｇ−Ｃｕ合金層とＡｌ部材とを強固に接合することができる。
よって、このメタライズドセラミックス基板にＡｌ部材と接合した接合体に対して、冷熱サイクルが負荷された場合でも、Ａｌ部材とセラミックス基板との間の接合信頼性を向上させることができる。
また、Ａｇ−Ｃｕ合金層が形成されているので、例えば、被接合体の一例であるＡｌ部材を、ＡｇおよびＣｕとＡｌとの固相拡散によって接合することができ、Ａｇ−Ｃｕ合金層とＡｌ部材とを強固に接合することができる。
よって、このメタライズドセラミックス基板にＡｌ部材と接合した接合体に対して、冷熱サイクルが負荷された場合でも、Ａｌ部材とセラミックス基板との間の接合信頼性を向上させることができる。
本発明では、前記活性金属化合物層の内部に、Ａｇ及びＣｕが存在していることが好ましい。
この場合、活性金属化合物層にＡｇ及びＣｕが存在していることから、活性金属化合物層とＡｇ−Ｃｕ合金層との接合界面における界面反応が十分に起きており、Ａｇ−Ｃｕ合金層を確実に形成することが可能になる。
この場合、活性金属化合物層にＡｇ及びＣｕが存在していることから、活性金属化合物層とＡｇ−Ｃｕ合金層との接合界面における界面反応が十分に起きており、Ａｇ−Ｃｕ合金層を確実に形成することが可能になる。
本発明では、前記Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚みは、１０μｍ以上とされていることを特徴とする。
前記Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さが１０μｍ以上とされているので、例えば、Ａｌ部材を固相拡散によって接合した場合、ＣｕとＡｇとＡｌの相互拡散が十分にできるので、Ａｇ−Ｃｕ合金層とＡｌ部材とを確実に接合できる。
前記Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さが１０μｍ以上とされているので、例えば、Ａｌ部材を固相拡散によって接合した場合、ＣｕとＡｇとＡｌの相互拡散が十分にできるので、Ａｇ−Ｃｕ合金層とＡｌ部材とを確実に接合できる。
本発明のパワーモジュール用基板は、前記記載のメタライズドセラミックス基板を備えたパワーモジュール用基板であって、前記セラミックス基板の一方の面に、前記活性金属化合物層および前記Ａｇ−Ｃｕ合金層を介して、第一のＡｌ部材が接合されていることを特徴とする。
本発明のパワーモジュール用基板によれば、活性金属化合物層およびＡｇ−Ｃｕ合金層を介して第一のＡｌ部材を接合することによって、例えば、この第一のＡｌ部材を回路層として用いた際に、回路層とセラミックス基板とをＡｇおよびＣｕとＡｌとの固相拡散によって接合することができ、セラミックス基板と回路層とを強固に接合することができる。よって、このメタライズドセラミックス基板に回路層を接合した接合体に対して、冷熱サイクルが負荷された場合でも、セラミックス基板にクラックが生じることがなく、回路層とセラミックス基板との間の接合信頼性を向上させることができる。
本発明では、前記第一のＡｌ部材に重ねて、更に第一のＣｕ部材が接合されていることを特徴とする。
第一のＡｌ部材に重ねて、更に第一のＣｕ部材を接合することによって、例えば、Ａｌ部材とＣｕ部材とを回路層として用いた際に、回路層の導電性を高めることができるとともに、半導体素子等からの熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。
第一のＡｌ部材に重ねて、更に第一のＣｕ部材を接合することによって、例えば、Ａｌ部材とＣｕ部材とを回路層として用いた際に、回路層の導電性を高めることができるとともに、半導体素子等からの熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。
本発明では、前記セラミックス基板の他方の面に、前記活性金属化合物層および前記Ａｇ−Ｃｕ合金層を介して、第二のＡｌ部材が形成されていることを特徴とする。
セラミックス基板の他方の面に、活性金属化合物層およびＡｇ−Ｃｕ合金層を介して第二のＡｌ部材を接合することによって、例えば、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に加わる応力を軽減することができる。
セラミックス基板の他方の面に、活性金属化合物層およびＡｇ−Ｃｕ合金層を介して第二のＡｌ部材を接合することによって、例えば、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際にセラミックス基板に加わる応力を軽減することができる。
本発明では、前記第二のＡｌ部材に重ねて、更に第二のＣｕ部材が接合されていることを特徴とする。
セラミックス基板の他方の面に第二のＡｌ部材に重ねて、更に第二のＣｕ部材を接合することによって、熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。
セラミックス基板の他方の面に第二のＡｌ部材に重ねて、更に第二のＣｕ部材を接合することによって、熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。
本発明のメタライズドセラミックス基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層を形成する工程と、前記材料層を真空加熱し、前記セラミックス基板の構成元素と前記活性金属とが化合した活性金属化合物からなる活性金属化合物層、およびＡｇ−Ｃｕ共晶組織を含むＡｇ−Ｃｕ合金層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明のメタライズドセラミックス基板の製造方法によれば、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層を形成し、次工程でこの材料層を真空加熱することで、活性金属化合物層と、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織を含むＡｇ−Ｃｕ合金層とを形成することができる。これにより、セラミックス基板とＡｇ−Ｃｕ合金層とが活性金属化合物層を介して接合されることになり、セラミックス基板とＡｇ−Ｃｕ合金層との接合強度を高めたメタライズドセラミックス基板を製造することができる。
本発明では、前記真空加熱は、８００℃以上、８５０℃以下の温度範囲で行うことを特徴とする。
真空加熱を８００℃以上、８５０℃以下の温度範囲で行うことによって、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層が確実に溶融され、活性金属化合物層、およびＡｇ−Ｃｕ合金層を確実に形成することが可能になる。
真空加熱を８００℃以上、８５０℃以下の温度範囲で行うことによって、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層が確実に溶融され、活性金属化合物層、およびＡｇ−Ｃｕ合金層を確実に形成することが可能になる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層を形成する工程と、前記材料層を真空加熱し、前記セラミックス基板の構成元素と前記活性金属とが化合した活性金属化合物からなる活性金属化合物層、およびＡｇ−Ｃｕ共晶組織を含むＡｇ−Ｃｕ合金層を形成する工程と、 前記セラミックス基板の一方の面に、前記活性金属化合物層および前記Ａｇ−Ｃｕ合金層を介して、第一のＡｌ部材を接合する工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層を形成し、次工程でこの材料層を真空加熱することで、活性金属化合物層と、Ａｇ−Ｃｕ共晶組織を含むＡｇ−Ｃｕ合金層とを形成することができる。これにより、セラミックス基板と第一のＡｌ部材とが、Ａｇ−Ｃｕ合金層および活性金属化合物層を介して接合されることになり、セラミックス基板と第一のＡｌ部材との接合強度を高めたパワーモジュール用基板の製造方法を製造することができる。
本発明では、前記第一のＡｌ部材に重ねて、更に第一のＣｕ部材を接合する工程を備えたことを特徴とする。
第一のＡｌ部材に重ねて、更に第一のＣｕ部材を接合する工程を備えることにより、例えば、この第一のＡｌ部材を回路層として用いた際に、セラミックス基板と回路層とを強固に接合することができる。よって、このメタライズドセラミックス基板に回路層を接合した接合体に対して、冷熱サイクルが負荷された場合でも、セラミックス基板にクラックが生じることがなく、回路層とセラミックス基板との間の接合信頼性を向上させたパワーモジュール用基板を製造することができる。
第一のＡｌ部材に重ねて、更に第一のＣｕ部材を接合する工程を備えることにより、例えば、この第一のＡｌ部材を回路層として用いた際に、セラミックス基板と回路層とを強固に接合することができる。よって、このメタライズドセラミックス基板に回路層を接合した接合体に対して、冷熱サイクルが負荷された場合でも、セラミックス基板にクラックが生じることがなく、回路層とセラミックス基板との間の接合信頼性を向上させたパワーモジュール用基板を製造することができる。
本発明によれば、冷熱サイクルが負荷されても、セラミックス基板とＡｇ−Ｃｕ合金層との接合界面でのクラックの進展を防止するとともに、被接合体、例えばＡｌ部材を強固に接合することが可能なメタライズドセラミックス基板、およびその製造方法、パワーモジュール用基板、およびその製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明のメタライズドセラミックス基板、パワーモジュール用基板、メタライズドセラミックス基板の製造方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
（メタライズドセラミックス基板）
本発明のメタライズドセラミックス基板について、添付した図１を参照して説明する。
図１は、本発明のメタライズドセラミックス基板の一例を示す断面図である。メタライズドセラミックス基板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１１ａ、および他方の面１１ｂにそれぞれ形成されたＡｇ−Ｃｕ合金層１２、１２と、から構成されている。Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２とセラミックス基板１１との間には活性金属化合物層１３、１３が形成されている。この活性金属化合物層１３、１３は、
図１下部に示すＡｇ−Ｃｕ合金層とセラミックス基板との界面付近の拡大断面図に示すように、その形成時にセラミックス基板１１の表層の一部が分解され、分解された部分に活性金属化合物層が存在している。このため、以下の各実施形態において参照する各図面では、この活性金属化合物層は、Ａｇ−Ｃｕ合金層とセラミックス基板との界面を指し示している。
本発明のメタライズドセラミックス基板について、添付した図１を参照して説明する。
図１は、本発明のメタライズドセラミックス基板の一例を示す断面図である。メタライズドセラミックス基板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１１ａ、および他方の面１１ｂにそれぞれ形成されたＡｇ−Ｃｕ合金層１２、１２と、から構成されている。Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２とセラミックス基板１１との間には活性金属化合物層１３、１３が形成されている。この活性金属化合物層１３、１３は、
図１下部に示すＡｇ−Ｃｕ合金層とセラミックス基板との界面付近の拡大断面図に示すように、その形成時にセラミックス基板１１の表層の一部が分解され、分解された部分に活性金属化合物層が存在している。このため、以下の各実施形態において参照する各図面では、この活性金属化合物層は、Ａｇ−Ｃｕ合金層とセラミックス基板との界面を指し示している。
セラミックス基板１１は、セラミックス基板１１は、絶縁性、および耐熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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、特に強度の優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）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、０．２〜１．５ｍｍ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。
Ａｇ−Ｃｕ合金層１２は、ＡｇおよびＣｕとを含むものからなる材料層をセラミックス基板１１の一方の面１１ａ、および他方の面１１ｂに形成してから加熱することによって得られるＡｇ−Ｃｕ共晶組織が含まれる層である。Ａｇ−Ｃｕ合金層１２にはＡｇ−Ｃｕ共晶組織以外にもＡｇ固溶体、Ｃｕ固溶体等が含まれる。なお、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２には、更にＳｎを含むＡｇ−Ｃｕ−Ｓｎ組織や、Ｉｎを含むＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ組織が含まれる場合がある。
Ａｇ−Ｃｕ合金層１２の厚みは１０μｍ以上となるように形成されることが好ましい。合金層合金層Ａｇ−Ｃｕ合金層１２の厚さが１０μｍ以上とされているので、例えば、後述するように、Ａｌ部材を固相拡散によって接合した場合、ＣｕとＡｇとＡｌの相互拡散が十分にできるので、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２とＡｌ部材とを確実に接合できる。また、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２の厚みは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることがより好ましい。
活性金属化合物層１３は、活性金属を含む層である。活性金属は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有するものとされている。本実施形態では、活性金属として、Ｔｉを用いている。
活性金属化合物層１３は、このＴｉが、隣接するセラミックス基板１１の成分と反応し、セラミックス基板１１の表層の一部が分解され、分解された部分に活性金属化合物層１３が存在する。本実施形態のようにセラミックス基板１１にＳｉ３Ｎ４を用いた場合、ＴｉとＮとが結合したＴｉＮや、ＴｉとＳｉとが結合したＴｉ５Ｓｉ３といった活性金属化合物として存在する。
なお、セラミックス基板１１にＡｌＮを用いた場合には、活性金属化合物層１３は、活性金属であるＴｉとＮとが結合したＴｉＮが存在する。
また、セラミックス基板１１にＡｌ２Ｏ３を用いた場合には、活性金属化合物層１３は、活性金属であるＴｉとＯとが結合したＴｉＯ２などとして存在する。
また、セラミックス基板１１にＡｌ２Ｏ３を用いた場合には、活性金属化合物層１３は、活性金属であるＴｉとＯとが結合したＴｉＯ２などとして存在する。
なお、活性金属としてＺｒ、Ｎｂ、Ｈｆを用いた場合には、これら元素とセラミックス基板１１の成分とがそれぞれ結合した活性金属化合物を主体に活性金属化合物層１３が構成される。
活性金属化合物層１３には、上述したＴｉＮやＴｉ５Ｓｉ３といった活性金属化合物以外にも、合金層活性金属化合物層とＡｇ−Ｃｕ合金層との接合界面における界面反応に寄与したＡｇ、Ｃｕも存在する。こうしたＡｇ、Ｃｕは、ＴｉＮやＴｉ５Ｓｉ３といった活性金属化合物中に分散した形態となっている。
以上のような構成のメタライズドセラミックス基板１０によれば、セラミックス基板１１の表層に活性金属化合物層１３が形成されるので、セラミックス基板１１とＡｇ−Ｃｕ合金層１２との接合強度が確保される。
例えば、メタライズドセラミックス基板１０のＡｇ−Ｃｕ合金層１２にＡｌ部材を接合した際には、ＡｇおよびＣｕとＡｌとの固相拡散によって接合することができ、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２とＡｌ部材とを強固に接合することができる。
よって、Ａｌ部材とメタライズドセラミックス基板１０とを接合した接合体に冷熱サイクルが負荷された場合でも、Ａｌ部材とセラミックス基板１１との間の接合信頼性を向上でき、接合界面におけるクラックの進展や、Ａｌ部材とセラミックス基板１１との剥離を確実に防止することが可能になる。
（パワーモジュール用基板：第一実施形態）
本発明のパワーモジュール用基板の第一実施形態について、添付した図２を参照して説明する。
図２は、第一実施形態のパワーモジュール用基板を示す断面図である。パワーモジュール用基板２０は、図１に示す構成のメタライズドセラミックス基板１０に対して、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２を接合してなる。即ち、メタライズドセラミックス基板１０を構成するセラミックス基板１１の一方の面１１ａ側、および他方の面１１ｂ側には、それぞれ活性金属化合物層１３、１３が形成され、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２を介して第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２が接合されている。
本発明のパワーモジュール用基板の第一実施形態について、添付した図２を参照して説明する。
図２は、第一実施形態のパワーモジュール用基板を示す断面図である。パワーモジュール用基板２０は、図１に示す構成のメタライズドセラミックス基板１０に対して、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２を接合してなる。即ち、メタライズドセラミックス基板１０を構成するセラミックス基板１１の一方の面１１ａ側、および他方の面１１ｂ側には、それぞれ活性金属化合物層１３、１３が形成され、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２を介して第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２が接合されている。
第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２は、Ａｌ又はＡｌ合金から構成されている。本実施形態では、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のＡｌ（いわゆる４Ｎ−Ａｌ）が用いられている。
第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２のうち、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側に接合される第一のＡｌ部材２１は、パワーモジュール基板の回路層を構成している。セラミックス基板１１の他方の面１１ｂ側に接合される第二のＡｌ部材２２は、パワーモジュール用基板の金属層を構成している。
第一のＡｌ部材２１の厚さは０．１〜１．０ｍｍ、第二のＡｌ部材２２の厚さは０．１〜３．０ｍｍとされ、本実施形態では、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２共に０．６ｍｍに設定されている。
第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２のうち、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側に接合される第一のＡｌ部材２１は、パワーモジュール基板の回路層を構成している。セラミックス基板１１の他方の面１１ｂ側に接合される第二のＡｌ部材２２は、パワーモジュール用基板の金属層を構成している。
第一のＡｌ部材２１の厚さは０．１〜１．０ｍｍ、第二のＡｌ部材２２の厚さは０．１〜３．０ｍｍとされ、本実施形態では、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２共に０．６ｍｍに設定されている。
以上のような構成のパワーモジュール用基板２０によれば、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側、および他方の面１１ｂ側にそれぞれ活性金属化合物層１３、１３が形成され、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２を介して第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２が接合されている。
これによって、メタライズドセラミックス基板１０のＡｇ−Ｃｕ合金層１２と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とは、ＡｇおよびＣｕとＡｌとの固相拡散によって接合されており、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とが強固な接合とすることができる。
これによって、メタライズドセラミックス基板１０のＡｇ−Ｃｕ合金層１２と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とは、ＡｇおよびＣｕとＡｌとの固相拡散によって接合されており、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とが強固な接合とすることができる。
よって、パワーモジュール用基板２０に冷熱サイクルが負荷された場合でも、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とセラミックス基板１１との間の接合信頼性を向上させ、接合界面におけるクラックの進展や、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とセラミックス基板１１との剥離を確実に防止することが可能になる。
そして、パワーモジュール用基板２０の一方の面側に形成された第一のＡｌ部材２１（図２において上側）にはんだ層を介して半導体素子が接合され、パワーモジュール用基板２０の他方の面側に形成された第二のＡｌ部材２２（図２において下側）にヒートシンクが配置され、パワーモジュールとして利用される。
ここで、はんだ層は、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。
ここで、はんだ層は、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。
ヒートシンクは、パワーモジュール用基板２０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板２０と接合される天板部と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路とを備えている。ヒートシンクは、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、例えば、無酸素銅等の純銅や銅合金又は純アルミニウムやＡ６０６３（アルミニウム合金）等のアルミニウム合金で構成することができる。ヒートシンクは、パワーモジュール用基板２０の第二のＡｌ部材２２に、例えば、はんだ付けによって接合されている。
なお、上述した実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側および他方の面１１ｂ側にそれぞれ第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２を形成している。しかし、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側だけに活性金属化合物層１３及びＡｇ−Ｃｕ合金層１２を形成してメタライズ化して第一のＡｌ部材２１を接合し、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂ側は特にＡｌ部材を接合しない構成であってもよい。
（パワーモジュール用基板：第二実施形態）
本発明のパワーモジュール用基板の第二実施形態について、添付した図３を参照して説明する。
図３は、第二実施形態のパワーモジュール用基板を示す断面図である。第二実施形態のパワーモジュール用基板は、図２に示す構成の第一実施形態のパワーモジュール用基板に対して、更にＣｕ部材を接合したものである。
本発明のパワーモジュール用基板の第二実施形態について、添付した図３を参照して説明する。
図３は、第二実施形態のパワーモジュール用基板を示す断面図である。第二実施形態のパワーモジュール用基板は、図２に示す構成の第一実施形態のパワーモジュール用基板に対して、更にＣｕ部材を接合したものである。
パワーモジュール用基板３０は、図１に示す構成のメタライズドセラミックス基板１０に対して、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２を接合してなる。即ち、メタライズドセラミックス基板１０を構成するセラミックス基板１１の一方の面１１ａ側、および他方の面１１ｂ側にそれぞれ活性金属化合物層１３、１３が形成され、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２を介して第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２が接合されている。
更に、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２のセラミックス基板１１とは反対側の面には、それぞれ第一のＣｕ部材３１、第二のＣｕ部材３２がそれぞれ接合されている。第一のＣｕ部材３１、第二のＣｕ部材３２は、Ｃｕ又はＣｕを含むＣｕ合金から構成されている。本実施形態では、Ｃｕ部材は、無酸素銅から構成され、厚さは、例えば、厚さは０．１ｍｍ以上４．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍのものを用いている。
本実施形態では、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１とから回路層が構成されている。また、第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２とから金属層が構成されている。
また、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２とは、それぞれ固相拡散接合されている。
また、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２とは、それぞれ固相拡散接合されている。
以上のような構成のパワーモジュール用基板３０によれば、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側には活性金属化合物層１３が形成され、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２を介して、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１が接合され、他方の面１１ｂ側に活性金属化合物層１３及びＡｇ−Ｃｕ合金層１２を介して、第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２が接合されている。
これによって、メタライズドセラミックス基板１０のＡｇ−Ｃｕ合金層１２と、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２は、ＡｇおよびＣｕとＡｌとの固相拡散によって接合されるので、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２と、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２および第一のＣｕ部材３１、第二のＣｕ部材３２とが強固な接合とすることができる。
また、回路層が、銅又は銅合金からなるＣｕ部材３１を備えているので、Ｃｕ部材３１によって半導体素子等からの熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。また、金属層が、銅又は銅合金からなるＣｕ部材３２を備えているので、Ｃｕ部材３２によって熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。
これによって、メタライズドセラミックス基板１０のＡｇ−Ｃｕ合金層１２と、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２は、ＡｇおよびＣｕとＡｌとの固相拡散によって接合されるので、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２と、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２および第一のＣｕ部材３１、第二のＣｕ部材３２とが強固な接合とすることができる。
また、回路層が、銅又は銅合金からなるＣｕ部材３１を備えているので、Ｃｕ部材３１によって半導体素子等からの熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。また、金属層が、銅又は銅合金からなるＣｕ部材３２を備えているので、Ｃｕ部材３２によって熱を面方向に拡げることができ、効率的に放熱することが可能となる。
よって、パワーモジュール用基板３０に冷熱サイクルが負荷された場合でも、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２と、セラミックス基板１１との間の接合信頼性を向上させ、接合界面におけるクラックの進展や、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２と、セラミックス基板１１との剥離を確実に防止することが可能になる。
また、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２とが固相拡散によって接合されていることから、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２がそれぞれ確実に接合されており回路層及び金属層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
また、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２とが固相拡散によって接合されていることから、第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２がそれぞれ確実に接合されており回路層及び金属層の熱伝導性及び導電性を維持することができる。
そして、パワーモジュール用基板３０の一方の面側に形成された第一のＣｕ部材３１（図３において上側）にはんだ層を介して半導体素子が接合され、パワーモジュール用基板３０の他方の面側に形成された第二のＣｕ部材３２（図３において下側）にヒートシンクが配置され、パワーモジュールとして利用される。
ここで、はんだ層は、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。
ここで、はんだ層は、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。
ヒートシンクは、パワーモジュール用基板３０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板３０と接合される天板部と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路とを備えている。ヒートシンクは、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、例えば、無酸素銅等の純銅や銅合金又は純アルミニウムやＡ６０６３（アルミニウム合金）等のアルミニウム合金で構成することができる。ヒートシンクは、パワーモジュール用基板３０の第二のＣｕ部材３２に、例えば、はんだ付けによって接合されている。
なお、上述した実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側に第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１が、他方の面１１ｂ側に第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２とが形成されているが、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側だけに活性金属化合物層１３を形成し、Ａｇ−Ｃｕ合金層１２を形成してメタライズ化して第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１とを形成し、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂ側は特にＡｌ部材やＣｕ部材を接合しない構成であってもよいし、ろう付けなど、既知の方法によってＡｌやＣｕを接合してもよい。
（メタライズドセラミックス基板の製造方法）
本発明のメタライズドセラミックス基板の製造方法について、添付した図４を参照して説明する。
図４は、メタライズドセラミックス基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
図１に示すようなメタライズドセラミックス基板１０を製造する際には、まず、セラミックス基板１１を用意する（図４（ａ）参照）。セラミックス基板１１としては、例えば、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスを採用できる。本実施形態では、セラミックス基板１１として、特に強度に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）を用いた。セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．３２ｍｍのものを用いた。
本発明のメタライズドセラミックス基板の製造方法について、添付した図４を参照して説明する。
図４は、メタライズドセラミックス基板の製造方法を段階的に示した断面図である。
図１に示すようなメタライズドセラミックス基板１０を製造する際には、まず、セラミックス基板１１を用意する（図４（ａ）参照）。セラミックス基板１１としては、例えば、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスを採用できる。本実施形態では、セラミックス基板１１として、特に強度に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）を用いた。セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．３２ｍｍのものを用いた。
次に、図４（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ、および他方の面１１ｂに、それぞれ活性金属であるＴｉと、ＡｇおよびＣｕとを含む材料層１５,１５を形成する。
材料層１５、１５の形成方法としては、例えば、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕを主体としたペーストをセラミックス基板１１に塗布する方法や、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕを含む金属箔をセラミックス基板１１に貼付する方法などが挙げられる。
材料層１５、１５のＡｇとＣｕの組成は「Ｃｕ：２０ｗｔ％〜４０ｗｔ％、Ａｇ：残部」の範囲内にすることが好ましい。
材料層１５、１５のＡｇとＣｕの組成は「Ｃｕ：２０ｗｔ％〜４０ｗｔ％、Ａｇ：残部」の範囲内にすることが好ましい。
なお、材料層１５、１５に含まれる活性金属としては、Ｔｉ以外にも、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素を採用することもできる。また、材料層１５、１５の構成元素として、Ａｇ−Ｃｕ以外に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎや、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎなどの組成をもつものも採用することができる。
本実施形態においては、ＡｇとＣｕとＴｉの重量比が７０：２８：２である合金粉末を６０重量部とアクリル樹脂４重量部と溶剤としてのテキサノールを３６重量部とを混合したペーストをセラミックス基板１１に塗布することで材料層１５,１５を形成した。なお、塗布量は乾燥膜厚で８０μｍとした。
本実施形態においては、ＡｇとＣｕとＴｉの重量比が７０：２８：２である合金粉末を６０重量部とアクリル樹脂４重量部と溶剤としてのテキサノールを３６重量部とを混合したペーストをセラミックス基板１１に塗布することで材料層１５,１５を形成した。なお、塗布量は乾燥膜厚で８０μｍとした。
次に、図４（ｃ）に示すように、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ、および他方に、それぞれ材料層１５、１５を形成した中間積層体１６を、真空加熱炉Ｈによって加熱する。中間積層体１６の加熱条件としては、例えば、真空雰囲気、無荷重で、８００℃〜８５０℃で１０分から６０分加熱する。また、ペーストを用いて材料層１５、１５を形成した場合、８００℃〜８５０℃で加熱する前に、乾燥工程や脱脂工程を行ってもよい。
このような条件で中間積層体１６を加熱することによって、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ、および他方の面１１ｂにそれぞれ形成した材料層１５,１５が溶融する。そして、冷却することでＡｇ−Ｃｕ合金層１２、１２が形成される（図４（ｄ）参照）。
また、同時に、セラミックス基板１１を構成する元素であるＮやＳｉと活性金属とが反応し、ＴｉとＮとが結合したＴｉＮや、ＴｉとＳｉとが結合したＴｉ−Ｓｉ化合物が生じ、活性金属化合物層１３が形成される（図４（ｄ）参照）。
以上のような工程を経て、本発明のメタライズドセラミックス基板１０を製造することができる。
また、同時に、セラミックス基板１１を構成する元素であるＮやＳｉと活性金属とが反応し、ＴｉとＮとが結合したＴｉＮや、ＴｉとＳｉとが結合したＴｉ−Ｓｉ化合物が生じ、活性金属化合物層１３が形成される（図４（ｄ）参照）。
以上のような工程を経て、本発明のメタライズドセラミックス基板１０を製造することができる。
本発明のメタライズドセラミックス基板１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側、および他方の面１１ｂ側に、それぞれ、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層１５，１５を形成し、真空加熱によってＡｇ−Ｃｕ合金層１２、１２とセラミックス基板１１とを活性金属化合物層１３、１３を介して接合することによって、例えば、メタライズドセラミックス基板１０をパワーモジュール用基板２０として適用した際に、繰り返し冷熱サイクルが加わっても、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とセラミックス基板１１との接合界面のクラックの進展を確実に抑制することが可能なメタライズドセラミックス基板１０を製造することが可能になる。
（パワーモジュール用基板の製造方法：第一実施形態）
第一実施形態におけるパワーモジュール用基板２０は、上述の製造方法によって得られるメタライズドセラミックス基板１０を用いて製造される。まず、図５に示すように、メタライズドセラミックス基板１０の一方の面（図５における上面）及び他方の面（図５における下面）に第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２をそれぞれ載置する。
第一実施形態におけるパワーモジュール用基板２０は、上述の製造方法によって得られるメタライズドセラミックス基板１０を用いて製造される。まず、図５に示すように、メタライズドセラミックス基板１０の一方の面（図５における上面）及び他方の面（図５における下面）に第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２をそれぞれ載置する。
そして、メタライズドセラミックス基板１０（Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２）と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とを固相拡散によって接合させる。固相拡散接合は、真空雰囲気下においてメタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とを、積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ２〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧力を加えながら、温度４００℃〜５４８℃、時間１５分〜２７０分で行うことができる。これにより、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とが、固相拡散接合によって接合されたパワーモジュール用基板２０を得ることができる。
固相拡散接合する際に、加圧力が３ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とを十分に接合させることが困難となり、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、又はメタライズドセラミックス基板１０と第二のＡｌ部材２２との間に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超える場合には、負荷される加圧力が高すぎてセラミックス基板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負荷される加圧力は、上記の範囲に設定されている。
固相拡散接合する際に、加圧力が３ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とを十分に接合させることが困難となり、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、又はメタライズドセラミックス基板１０と第二のＡｌ部材２２との間に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超える場合には、負荷される加圧力が高すぎてセラミックス基板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負荷される加圧力は、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４００℃未満の場合には、アルミニウム原子と銅原子と銀原子が十分に拡散せず、固相拡散による接合が困難となる。また、５４８℃を超える場合には、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２との間に液相が形成されてアルミニウムと銅と銀の化合物が多量に生成するので、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２との接合信頼性が低下する。このような理由により、固相拡散接合の際の温度は、上記の範囲に設定されている。
また、固相拡散接合時における真空加熱の好ましい温度は、アルミニウムと銅の共晶温度から共晶温度−５℃以上共晶温度未満の範囲とされている。このような真空加熱の温度を選択したときには、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２との間に液相が形成されないのでアルミニウムと銅と銀の化合物が多量に生成せず、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できるため上記のように設定されている。
また、固相拡散接合時における真空加熱の好ましい温度は、アルミニウムと銅の共晶温度から共晶温度−５℃以上共晶温度未満の範囲とされている。このような真空加熱の温度を選択したときには、メタライズドセラミックス基板１０と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２との間に液相が形成されないのでアルミニウムと銅と銀の化合物が多量に生成せず、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できるため上記のように設定されている。
固相拡散接合時の加熱の保持時間が、１５分未満の場合は、保持時間が短過ぎるために固相拡散が十分に生じ難く、接合が不十分となることがあり、２７０分を超える場合は、製造コストが増加するため、上記の範囲に設定されている。
（パワーモジュール用基板の製造方法：第二実施形態）
第二実施形態におけるパワーモジュール用基板３０は、前述の製造方法によって得られるメタライズドセラミックス基板１０を用いて製造される。
図６に示すように、メタライズドセラミックス基板１０の一方の面（図６における上面）及び他方の面（図６における下面）に第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２をそれぞれ積層し、さらに第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２のメタライズドセラミックス基板１０側とは反対の面に第一のＣｕ部材３１、第二のＣｕ部材３２を積層する。そして、メタライズドセラミックス基板１０（Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２）の一方の面に第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１を、また、他方の面に第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２を、それぞれ同時に固相拡散接合することでパワーモジュール用基板３０を得ることができる。
この場合、固相拡散接合は上述した条件で行うことができる。
第二実施形態におけるパワーモジュール用基板３０は、前述の製造方法によって得られるメタライズドセラミックス基板１０を用いて製造される。
図６に示すように、メタライズドセラミックス基板１０の一方の面（図６における上面）及び他方の面（図６における下面）に第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２をそれぞれ積層し、さらに第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２のメタライズドセラミックス基板１０側とは反対の面に第一のＣｕ部材３１、第二のＣｕ部材３２を積層する。そして、メタライズドセラミックス基板１０（Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２）の一方の面に第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１を、また、他方の面に第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２を、それぞれ同時に固相拡散接合することでパワーモジュール用基板３０を得ることができる。
この場合、固相拡散接合は上述した条件で行うことができる。
また、メタライズドセラミックス基板１０（Ａｇ−Ｃｕ合金層１２、１２）と第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２とを固相拡散接合した後に、この第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２とを、それぞれ固相拡散接合することでパワーモジュール用基板３０を得ることも可能である。
第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１との界面、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３２との界面には、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２のＡｌ原子と、第一のＣｕ部材３１、第二のＣｕ部材３２とが相互拡散することによって形成された拡散領域が形成されている。こうした拡散領域においては、第一のＡｌ部材２１、第二のＡｌ部材２２から第一のＣｕ部材３１、第二のＣｕ部材３２に向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。拡散領域は、ＡｌとＣｕからなる金属間化合物で構成されており、例えば、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。
なお、上述した実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側および他方の面１１ｂ側にそれぞれ第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１、および第二のＡｌ部材２２と第二のＣｕ部材３１とを接合していが、セラミックス基板１１の一方の面１１ａ側だけにＡｇ−Ｃｕ合金層１２を形成してメタライズ化して第一のＡｌ部材２１と第一のＣｕ部材３１とを接合し、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂ側は特にＡｌ部材やＣｕ部材を接合しない構成であってもよいし、ろう付けなど既知の方法でＡｌやＣｕを接合してもよい。
また、上記第二実施形態において、ＡｌとＣｕの接合体（例えば、ＡｌとＣｕのクラッド材等）を用いて、パワーモジュール用基板３０を製造することも可能である。具体的には、上述のメタライズドセラミックス基板１０のＡｇ−Ｃｕ合金層１２とＡｌとＣｕの接合体のＡｌ側が対向するように積層し、上述の固相拡散接合を行うことでパワーモジュール用基板３０を製造することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例）の結果について説明する。
（実施例１)
（本発明例１−１〜１−６、比較例）
表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の一方の面に、表１記載の活性金属と、ＡｇおよびＣｕとを含む材料層を形成した。材料層は、活性金属、Ａｇ、Ｃｕとを含むペーストをセラミックス基板に塗布する方法によって形成した。ペーストはＡｇとＣｕと活性金属の重量比が７０：２８：２である混合粉末を６０重量部と、アクリル樹脂４重量部と、溶剤としてのα―ターピネオールを３６重量部とを混合したものである。塗布厚は乾燥膜厚で表１記載の塗布厚とした。なお、比較例に用いた混合粉末はＡｇとＣｕの重量比が７２：２８である混合粉末を用い、活性金属は添加しなかった。
そして、このセラミックス基板を１５０℃、１５分で乾燥したのちに、真空加熱炉で８５０℃まで昇温させ、２０分間保持することで材料層を溶融させて、Ａｇ−Ｃｕ合金層と活性金属化合物層とを備えた、本発明例１−１〜１−６及び比較例のメタライズドセラミックス基板を得た。得られたメタライズドセラミックス基板の活性金属化合物層の有無、Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さ測定及び密着性の試験を行った。
（実施例１)
（本発明例１−１〜１−６、比較例）
表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）の一方の面に、表１記載の活性金属と、ＡｇおよびＣｕとを含む材料層を形成した。材料層は、活性金属、Ａｇ、Ｃｕとを含むペーストをセラミックス基板に塗布する方法によって形成した。ペーストはＡｇとＣｕと活性金属の重量比が７０：２８：２である混合粉末を６０重量部と、アクリル樹脂４重量部と、溶剤としてのα―ターピネオールを３６重量部とを混合したものである。塗布厚は乾燥膜厚で表１記載の塗布厚とした。なお、比較例に用いた混合粉末はＡｇとＣｕの重量比が７２：２８である混合粉末を用い、活性金属は添加しなかった。
そして、このセラミックス基板を１５０℃、１５分で乾燥したのちに、真空加熱炉で８５０℃まで昇温させ、２０分間保持することで材料層を溶融させて、Ａｇ−Ｃｕ合金層と活性金属化合物層とを備えた、本発明例１−１〜１−６及び比較例のメタライズドセラミックス基板を得た。得られたメタライズドセラミックス基板の活性金属化合物層の有無、Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さ測定及び密着性の試験を行った。
（活性金属化合物層の有無、Ａｇ−Ｃｕ合金層厚さ測定）
活性金属化合物層は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による活性金属元素のマッピングからメタライズドセラミックス基板界面での活性金属元素の存在を確認し、活性金属元素の存在が確認されたものを「有」、確認されなかったものを「無」と評価した。
Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さは、メタライズドセラミックス基板界面のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による反射電子像から、倍率２０００倍の視野（縦４５μｍ；横６０μｍ）において接合界面に形成されたＡｇ−Ｃｕ合金層の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均をＡｇ−Ｃｕ合金層の厚さとした。評価結果を表１に示す。
活性金属化合物層は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による活性金属元素のマッピングからメタライズドセラミックス基板界面での活性金属元素の存在を確認し、活性金属元素の存在が確認されたものを「有」、確認されなかったものを「無」と評価した。
Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さは、メタライズドセラミックス基板界面のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）による反射電子像から、倍率２０００倍の視野（縦４５μｍ；横６０μｍ）において接合界面に形成されたＡｇ−Ｃｕ合金層の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均をＡｇ−Ｃｕ合金層の厚さとした。評価結果を表１に示す。
（密着性）
密着性の評価は、メタライズドセラミックス基板を水平方向に、振幅２ｍｍで３０回／秒の速度で３万回振動させ、Ａｇ−Ｃｕ合金層の剥がれが生じなかったものを「○」とし、剥がれが生じたものを「×」と評価した。
評価結果を表１に示す。
密着性の評価は、メタライズドセラミックス基板を水平方向に、振幅２ｍｍで３０回／秒の速度で３万回振動させ、Ａｇ−Ｃｕ合金層の剥がれが生じなかったものを「○」とし、剥がれが生じたものを「×」と評価した。
評価結果を表１に示す。
表１に示すように活性金属を添加しなかったペーストを用いてメタライズドセラミックス基板を作成した比較例では、密着性が悪く、Ａｇ−Ｃｕ合金層の剥離が生じた。
（実施例２）
（本発明例２−１）
Ｓｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（本発明例１−１で用いたペーストと同じ）を表２記載の塗布厚となるよう塗布し、実施例１と同じ条件で乾燥及び加熱することで、メタライズドセラミックス基板を作製した。得られたメタライズドセラミックス基板のＡｇ−Ｃｕ合金層が形成された側とは反対側の面（他方の面）にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて厚さ１．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム板（４Ｎ−Ａｌ）を接合し、金属層を形成した。次に、Ａｇ−Ｃｕ合金層に厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）板を積層し、積層方向に７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら５３０℃で３０分加熱することでＡｇ−Ｃｕ合金層に４Ｎ−Ａｌを固相拡散接合し、回路層を形成した。そして金属層と厚さ５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合した。はんだはＳｎ−Ｓｂはんだを用い、３００℃で１５分加熱することで接合した。以上によって、本発明例２−１のパワーモジュール用基板を得た。
（本発明例２−１）
Ｓｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（本発明例１−１で用いたペーストと同じ）を表２記載の塗布厚となるよう塗布し、実施例１と同じ条件で乾燥及び加熱することで、メタライズドセラミックス基板を作製した。得られたメタライズドセラミックス基板のＡｇ−Ｃｕ合金層が形成された側とは反対側の面（他方の面）にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて厚さ１．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム板（４Ｎ−Ａｌ）を接合し、金属層を形成した。次に、Ａｇ−Ｃｕ合金層に厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）板を積層し、積層方向に７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら５３０℃で３０分加熱することでＡｇ−Ｃｕ合金層に４Ｎ−Ａｌを固相拡散接合し、回路層を形成した。そして金属層と厚さ５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合した。はんだはＳｎ−Ｓｂはんだを用い、３００℃で１５分加熱することで接合した。以上によって、本発明例２−１のパワーモジュール用基板を得た。
（本発明例２−２）
Ｓｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（本発明例１−１で用いたペーストと同じ）を表２記載の塗布厚となるよう塗布し、実施例１と同じ条件で乾燥及び加熱することで、メタライズドセラミックス基板を作製した。得られたメタライズドセラミックス基板のＡｇ−Ｃｕ合金層が形成された側とは反対側の面（他方の面）にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて厚さ１．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム板（４Ｎ−Ａｌ）を接合し、金属層を形成した。次に、Ａｇ−Ｃｕ合金層上に厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）板及び厚さ１．０ｍｍの無酸素銅（ＯＦＣ）の板をこの順に積層し、積層方向に７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら５３０℃で３０分加熱することでＡｇ−Ｃｕ合金層に４Ｎ−Ａｌを、４Ｎ−ＡｌにＯＦＣを固相拡散接合し、回路層を形成した。そして金属層と厚さ５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合した。はんだはＳｎ−Ｓｂはんだを用い、３００℃で１５分加熱することで接合した。以上によって、本発明例２−２のパワーモジュール用基板を得た。
Ｓｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（本発明例１−１で用いたペーストと同じ）を表２記載の塗布厚となるよう塗布し、実施例１と同じ条件で乾燥及び加熱することで、メタライズドセラミックス基板を作製した。得られたメタライズドセラミックス基板のＡｇ−Ｃｕ合金層が形成された側とは反対側の面（他方の面）にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて厚さ１．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム板（４Ｎ−Ａｌ）を接合し、金属層を形成した。次に、Ａｇ−Ｃｕ合金層上に厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）板及び厚さ１．０ｍｍの無酸素銅（ＯＦＣ）の板をこの順に積層し、積層方向に７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら５３０℃で３０分加熱することでＡｇ−Ｃｕ合金層に４Ｎ−Ａｌを、４Ｎ−ＡｌにＯＦＣを固相拡散接合し、回路層を形成した。そして金属層と厚さ５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合した。はんだはＳｎ−Ｓｂはんだを用い、３００℃で１５分加熱することで接合した。以上によって、本発明例２−２のパワーモジュール用基板を得た。
（本発明例２−３）
Ｓｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（本発明例１−１で用いたペーストと同じ）を表２記載の塗布厚となるよう塗布し、実施例１と同じ条件で乾燥及び加熱することで、メタライズドセラミックス基板を作製した。なお、他方の面の塗布厚と一方の面の塗布厚は同じとした。次に、得られたメタライズドセラミックス基板の両面に、それぞれ厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）板を積層し、積層方向に７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら５３０℃で３０分加熱することでＡｇ−Ｃｕ合金層に４Ｎ−Ａｌを固相拡散接合し、回路層及び金属層を形成した。そして金属層と厚さ５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合した。はんだはＳｎ−Ｓｂはんだを用い、３００℃で１５分加熱することで接合した。以上によって、本発明例２−３のパワーモジュール用基板を得た。
Ｓｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（本発明例１−１で用いたペーストと同じ）を表２記載の塗布厚となるよう塗布し、実施例１と同じ条件で乾燥及び加熱することで、メタライズドセラミックス基板を作製した。なお、他方の面の塗布厚と一方の面の塗布厚は同じとした。次に、得られたメタライズドセラミックス基板の両面に、それぞれ厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）板を積層し、積層方向に７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら５３０℃で３０分加熱することでＡｇ−Ｃｕ合金層に４Ｎ−Ａｌを固相拡散接合し、回路層及び金属層を形成した。そして金属層と厚さ５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合した。はんだはＳｎ−Ｓｂはんだを用い、３００℃で１５分加熱することで接合した。以上によって、本発明例２−３のパワーモジュール用基板を得た。
（本発明例２−４〜本発明例２−８）
Ｓｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（本発明例１−１で用いたペーストと同じ）を表２記載の塗布厚となるよう塗布し、実施例１と同じ条件で乾燥及び加熱することで、メタライズドセラミックス基板を作製した。なお、他方の面の塗布厚と一方の面の塗布厚は同じとした。次に、得られたメタライズドセラミックス基板の両面に、それぞれ厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）板を積層し、さらに４Ｎ−Ａｌ板のメタライズドセラミックス基板とは反対側の面に、厚さ２．０ｍｍの無酸素銅（ＯＦＣ）の板をそれぞれ積層し、積層方向に７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら５３０℃で３０分加熱することでＡｇ−Ｃｕ合金層に４Ｎ−Ａｌを、４Ｎ−ＡｌにＯＦＣを固相拡散接合し、回路層及び金属層を形成した。そして金属層と厚さ５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合した。はんだはＳｎ−Ｓｂはんだを用い、３００℃で１５分加熱することで接合した。以上によって、本発明例２−４〜２−８のパワーモジュール用基板を得た。
Ｓｉ３Ｎ４からなる厚さ０．３２ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト（本発明例１−１で用いたペーストと同じ）を表２記載の塗布厚となるよう塗布し、実施例１と同じ条件で乾燥及び加熱することで、メタライズドセラミックス基板を作製した。なお、他方の面の塗布厚と一方の面の塗布厚は同じとした。次に、得られたメタライズドセラミックス基板の両面に、それぞれ厚さ０．６ｍｍの純度９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）板を積層し、さらに４Ｎ−Ａｌ板のメタライズドセラミックス基板とは反対側の面に、厚さ２．０ｍｍの無酸素銅（ＯＦＣ）の板をそれぞれ積層し、積層方向に７ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧しながら５３０℃で３０分加熱することでＡｇ−Ｃｕ合金層に４Ｎ−Ａｌを、４Ｎ−ＡｌにＯＦＣを固相拡散接合し、回路層及び金属層を形成した。そして金属層と厚さ５ｍｍのＡ６０６３合金からなるヒートシンクをはんだ付けによって接合した。はんだはＳｎ−Ｓｂはんだを用い、３００℃で１５分加熱することで接合した。以上によって、本発明例２−４〜２−８のパワーモジュール用基板を得た。
（本発明例２−９）
セラミックス基板を厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４から厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮに変えた以外は本発明例２−２と同様にして本発明例２−９のパワーモジュール用基板を得た。
（本発明例２−１０）
セラミックス基板を厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４から厚さ０．３８ｍｍのＡｌ２Ｏ３に変えた以外は本発明例２−２と同様にして本発明例２−９のパワーモジュール用基板を得た。
得られたパワーモジュール用基板について初期接合率及び冷熱サイクル後の接合率を評価した。なお、Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さは実施例１と同様にして評価した。
セラミックス基板を厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４から厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮに変えた以外は本発明例２−２と同様にして本発明例２−９のパワーモジュール用基板を得た。
（本発明例２−１０）
セラミックス基板を厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４から厚さ０．３８ｍｍのＡｌ２Ｏ３に変えた以外は本発明例２−２と同様にして本発明例２−９のパワーモジュール用基板を得た。
得られたパワーモジュール用基板について初期接合率及び冷熱サイクル後の接合率を評価した。なお、Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さは実施例１と同様にして評価した。
（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、パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×３分←→１５０℃×３分の２０００サイクルを実施した。
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、パワーモジュール用基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×３分←→１５０℃×３分の２０００サイクルを実施した。
（接合率）
Ａｌ部材とＡｇ−Ｃｕ合金層の接合率を測定した。測定は回路層側にて測定した。Ａｌ部材とＡｇ−Ｃｕ合金層との接合率は、超音波探傷装置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Ａｌ部材の面積とした。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）
以上、実施例２におけるそれぞれの条件と、初期接合率の結果、および冷熱サイクル後の接合率の結果を表２に示す。
Ａｌ部材とＡｇ−Ｃｕ合金層の接合率を測定した。測定は回路層側にて測定した。Ａｌ部材とＡｇ−Ｃｕ合金層との接合率は、超音波探傷装置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Ａｌ部材の面積とした。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）
以上、実施例２におけるそれぞれの条件と、初期接合率の結果、および冷熱サイクル後の接合率の結果を表２に示す。
表２に示す結果によれば、Ａｇ−Ｃｕ合金層及び活性金属化合物層が形成されたメタライズドセラミックス基板にＡｌ部材を固相拡散接合したパワーモジュール用基板は、高い初期接合率及び接合信頼性を有することが確認された。特に、Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚さが１０μｍ以上とされた本発明例２−１〜２−３及び２−５〜２−１０では、冷熱サイクル後の接合率が高かった。
１０ メタライズドセラミックス基板
１１ セラミックス基板
１２ Ａｇ−Ｃｕ合金層
１３ 活性金属化合物層
２０、３０ パワーモジュール用基板
２１ 第一のＡｌ部材
２２ 第二のＡｌ部材
３１ 第一のＣｕ部材
３２ 第二のＣｕ部材
１１ セラミックス基板
１２ Ａｇ−Ｃｕ合金層
１３ 活性金属化合物層
２０、３０ パワーモジュール用基板
２１ 第一のＡｌ部材
２２ 第二のＡｌ部材
３１ 第一のＣｕ部材
３２ 第二のＣｕ部材
Claims (11)
- セラミックス基板の少なくとも一方の面に、ＡｇとＣｕの共晶組織を有するＡｇ−Ｃｕ合金層が形成されており、
前記セラミックス基板と前記Ａｇ−Ｃｕ合金層との間に、活性金属化合物層が形成されていることを特徴とするメタライズドセラミックス基板。 - 前記活性金属化合物層の内部に、Ａｇ及びＣｕが存在していることを特徴とする請求項１記載のメタライズドセラミックス基板。
- 前記Ａｇ−Ｃｕ合金層の厚みは、１０μｍ以上とされていることを特徴とする請求項１または２記載のメタライズドセラミックス基板。
- 請求項１ないし３いずれか一項記載のメタライズドセラミックス基板を備えたパワーモジュール用基板であって、
前記セラミックス基板の一方の面に、前記活性金属化合物層および前記Ａｇ−Ｃｕ合金層を介して、第一のＡｌ部材が接合されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 前記第一のＡｌ部材に重ねて、更に第一のＣｕ部材が接合されていることを特徴とする請求項４記載のパワーモジュール用基板。
- 前記セラミックス基板の他方の面に、前記活性金属化合物層および前記Ａｇ−Ｃｕ合金層を介して、第二のＡｌ部材が形成されていることを特徴とする請求項４または５記載のパワーモジュール用基板。
- 前記第二のＡｌ部材に重ねて、更に第二のＣｕ部材が接合されていることを特徴とする請求項６記載のパワーモジュール用基板。
- セラミックス基板の少なくとも一方の面に、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層を形成する工程と、
前記材料層を真空加熱し、前記セラミックス基板の構成元素と前記活性金属とが化合した活性金属化合物からなる活性金属化合物層、およびＡｇ−Ｃｕ共晶組織を含むＡｇ−Ｃｕ合金層を形成する工程と、を備えたことを特徴とするメタライズドセラミックス基板の製造方法。 - 前記真空加熱は、８００℃以上、８５０℃以下の温度範囲で行うことを特徴とする請求項８記載のメタライズドセラミックス基板の製造方法。
- セラミックス基板の少なくとも一方の面に、活性金属、Ａｇ、Ｃｕを含む材料層を形成する工程と、
前記材料層を真空加熱し、前記セラミックス基板の構成元素と前記活性金属とが化合した活性金属化合物からなる活性金属化合物層、およびＡｇ−Ｃｕ共晶組織を含むＡｇ−Ｃｕ合金層を形成する工程と、
前記セラミックス基板の一方の面に、前記活性金属化合物層および前記Ａｇ−Ｃｕ合金層を介して、第一のＡｌ部材を接合する工程と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。 - 前記第一のＡｌ部材に重ねて、更に第一のＣｕ部材を接合する工程を備えたことを特徴とする請求項１０記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| WO2018003845A1 (ja) * | 2016-06-30 | 2018-01-04 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
| JP2018008869A (ja) * | 2016-06-30 | 2018-01-18 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
| CN110524079A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-12-03 | 常熟市银洋陶瓷器件有限公司 | 用于金属化陶瓷和金属零件钎焊的银铜焊料层制备方法 |
| CN111276553A (zh) * | 2015-11-24 | 2020-06-12 | 日立化成株式会社 | 形成具有烧结多层薄膜堆叠的太阳能电池的方法 |
Citations (2)
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-
2014
- 2014-03-25 JP JP2014061213A patent/JP6343993B2/ja active Active
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