JP2016027633A - セラミックス／アルミニウム接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、及び、セラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板 - Google Patents

セラミックス／アルミニウム接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、及び、セラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板 Download PDF

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Abstract

【課題】セラミックス部材とアルミニウム部材とをＳｉを含むろう材によって接合した際に、Ｓｉがアルミニウム部材のセラミックス部材との接合面とは反対側の面に拡散することを抑制でき、セラミックス部材とアルミニウム部材とを確実に接合することが可能なセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス部材と、アルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法であって、接合前の前記アルミニウム部材は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、前記アルミニウム部材を４００℃以上固相線温度未満の範囲で熱処理を行う熱処理工程Ｓ０１と、前記熱処理工程後の前記アルミニウム部材と、前記セラミックス部材とを、Ｓｉを含むろう材を介して接合する接合工程Ｓ０２と、を備えている。
【選択図】図２

Description

この発明は、セラミックス部材とアルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法、セラミックス基板とこのセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法、及び、セラミックス／アルミニウム接合体、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、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）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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。なお、パワージュール用基板としては、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が形成したものも提供されている。
例えば、特許文献１には、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウム板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合され、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。また、金属層側には、はんだを介して銅製のヒートシンクが接合されることもある。
ここで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷される。このとき、セラミックス基板とアルミニウム板との熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがある。そこで、従来は、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）等で回路層及び金属層を構成し、熱応力を回路層及び金属層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。
ところで、回路層及び金属層を純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層及び金属層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。このように回路層及び金属層の表面にうねりやシワが発生すると、はんだ層にクラックが発生してしまうため、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
特に、最近では、環境負荷の観点から、はんだ層として、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ材が使用されることが多くなっている。これらの鉛フリーはんだ材は、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ材に比べて変形抵抗が大きいため、回路層及び金属層のうねりやシワによって、はんだ層にクラックが生じやすい傾向にある。
また、最近は、パワーモジュールの使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層及び金属層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。
そこで、例えば特許文献２には、回路層を析出分散型のアルミニウム合金で構成することにより、回路層表面のうねりやシワを抑制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３には、金属層を構成するアルミニウムに添加元素を添加することにより、金属層の塑性変形を抑制したパワーモジュール用基板が提案されている。
国際公開第０３／０９０２７７号 特開２０１２−０５９８３６号公報 特開２００８−１０８９９３号公報
ところで、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められており、回路層及び金属層についても薄肉化が図られている。ここで、回路層及び金属層を構成するアルミニウム板を薄くすると、セラミックス基板とアルミニウム板との接合時に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材中のＳｉがアルミニウム板中を拡散してセラミックス基板とは反対側の表面にまで達し、表面変質が発生してしまうことがあった。また、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材中のＳｉがアルミニウム板中を拡散して表面変質が発生した場合には、セラミックス基板とアルミニウム板との接合界面において液相の形成が不十分となり、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合できないおそれがあった。
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、セラミックス部材とアルミニウム部材とをＳｉを含むろう材によって接合した際に、Ｓｉがアルミニウム部材のセラミックス部材との接合面とは反対側の面にまで拡散することを抑制でき、セラミックス部材とアルミニウム部材とを確実に接合することが可能なセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、及び、セラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板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、本発明者ら鋭意検討した結果、ろう材中のＳｉは、アルミニウム部材の結晶粒界に沿ってアルミニウム部材の内部にまで拡散し、このＳｉがアルミニウム部材のセラミックス部材とは反対側の表面にまで達し、アルミニウム部材表面の融点が局所的に下がることにより、表面が融解して表面変質が発生しているとの知見を得た。
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法は、セラミックス部材と、アルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法であって、接合前の前記アルミニウム部材は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、前記アルミニウム部材を４００℃以上固相線温度未満の範囲で熱処理を行う熱処理工程と、前記熱処理工程後の前記アルミニウム部材と、前記セラミックス部材とを、Ｓｉを含むろう材を介して接合する接合工程と、を備えていることを特徴としている。
この構成のセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法においては、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されたアルミニウム部材を、セラミックス部材に接合する前に、４００℃以上固相線温度未満の範囲で熱処理を行う構成としているので、接合前のアルミニウム部材の結晶粒を大きく成長することができる。よって、セラミックス部材とアルミニウム部材の接合時に、ろう材中のＳｉが結晶粒界に沿って拡散することを抑制できる。これにより、アルミニウム部材とセラミックス部材との間に液相を十分に形成することができ、セラミックス部材とアルミニウム部材とを確実に接合することが可能となる。また、Ｓｉがアルミニウム部材の表面にまで拡散することを抑制でき、アルミニウム部材の表面変質を抑制することができる。
なお、熱処理工程において、アルミニウム部材の結晶粒を完全に再結晶させて粗大化しなくても、接合工程における加熱時に、ろう材が溶融する前にアルミニウム部材の結晶粒が粗大化すればＳｉの拡散を抑制することができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、接合前の前記アルミニウム板は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを上述のセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法によって接合することを特徴としている。
パワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面あるいは他方の面に純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウム板を接合することにより、回路層あるいは金属層が形成される。ここで、回路層あるいは金属層を構成する純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウム板が上述のセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法によってセラミックス基板に接合されることにより、Ｓｉの拡散を抑制し、アルミニウム板とセラミックス基板との間に液相を十分に形成することができ、回路層あるいは金属層とセラミックス基板とを確実に接合することが可能となる。また、Ｓｉがアルミニウム板のセラミックス基板とは反対側の面にまで拡散することを抑制でき、回路層あるいは金属層の表面変質を抑制することができる。
本発明のセラミックス／アルミニウム接合体は、セラミックス部材と、アルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、接合前の前記アルミニウム部材は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、接合後の前記アルミニウム部材の厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされていることを特徴としている。
この構成のセラミックス／アルミニウム接合体によれば、接合後の前記アルミニウム部材の厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされているので、Ｓｉの粒界拡散が抑制されており、アルミニウム部材の表面変質が抑制されるとともにセラミックス部材とアルミニウム部材とが確実に接合された高品質なセラミックス／アルミニウム接合体を提供することが可能となる。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板であって、接合前の前記アルミニウム板は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、接合後の前記アルミニウム板の厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュール用基板によれば、セラミックス基板の一方の面あるいは他方の面に純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウム板を接合することによって形成された回路層あるいは金属層において、厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされているので、Ｓｉの粒界拡散が抑制されており、回路層あるいは金属層の表面変質が抑制されるとともにセラミックス基板と回路層あるいは金属層とが確実に接合された高品質なパワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
ここで、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記アルミニウム板の厚さが０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ未満の範囲内とされていてもよい。
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層あるいは金属層を構成する前記アルミニウム板の厚さが０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ未満と比較的薄くされた場合であっても、Ｓｉが回路層あるいは金属層のセラミックス基板とは反対側の面にまで拡散することを抑制でき、表面変質を抑制することができる。
本発明によれば、セラミックス部材とアルミニウム部材とをＳｉを含むろう材によって接合した際に、Ｓｉがアルミニウム部材のセラミックス部材との接合面とは反対側の面に拡散することを抑制でき、セラミックス部材とアルミニウム部材とを確実に接合することが可能なセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、及び、セラミックス／アルミニウム接合体、パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 粒径が回路層及び金属層の厚さの８０％以上となる粗大な結晶粒が有る場合の回路層及び金属層の断面観察結果を示す写真である。 実施例で用いたアルミニウム板の観察結果を示す図であって、（ａ）は従来例で用いた熱処理前のアルミニウム板、（ｂ）は本発明例９で用いた熱処理後のアルミニウム板、（ｃ）は本発明例１０で用いた熱処理後のアルミニウム板である。 実施例において、金属層の断面における結晶粒界長さを、金属層の表面観察から算出する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。本実施形態であるセラミックス／アルミニウム接合体は、セラミックス部材としてセラミックス基板１１、アルミニウム部材としてアルミニウム板２２が接合されてなる回路層１２、アルミニウム板２３が接合されてなる金属層１３を備えたパワーモジュール用基板１０とされている。
図１に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板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、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に第２はんだ層４を介して接合されたヒートシンク４０と、を備えている。
ここで、第１はんだ層２及び第２はんだ層４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。なお、本実施形態では、回路層１２と第１はんだ層２との間、及び、金属層１３と第２はんだ層４との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。
パワーモジュール用基板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ＡｌＮ（窒化アルミニウム）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。なお、本実施形態では、図１及び図３に示すように、セラミックス基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属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、図３に示すように、回路層１２は、純度が９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板２２がセラミックス基板１１に接合されることによって形成されている。本実施形態では、Ａ１０５０（純度９９．５ｍａｓｓ％）のアルミニウム板を用いた。
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（アルミニウム板２２）の厚さは０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ未満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。なお、回路層１２の厚さは、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ未満であることが好ましいが、これに限定されることはない。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に熱伝導性に優れた金属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、図３に示すように、金属層１３は、純度が９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板２３がセラミックス基板１１に接合されることによって形成されている。本実施形態では、Ａ１０５０（純度９９．５ｍａｓｓ％）のアルミニウム板を用いた。
ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ未満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。金属層１３の厚さは、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ未満であることが好ましいが、これに限定されることはない。
ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される放熱板４１と、この放熱板４１に積層配置された冷却器４２と、を備えている。
放熱板４１は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器４２は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４３を備えている。冷却器４２は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
なお、放熱板４１と冷却器４２とは、図１に示すように、固定ネジ４５によって締結されている。
そして、本実施形態では、回路層１２及び金属層１３は、厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされている。
ここで、回路層１２及び金属層１３における粒界長さＬは、以下のような手順で測定することができる。
まず、ＥＢＳＤ測定装置を用いて、回路層１２及び金属層１３の断面における結晶粒径を測定し、回路層１２及び金属層１３の厚さの８０％以上の粒径を有する結晶粒の有無を調べる。（例えば、回路層１２及び金属層１３の厚さが０．２ｍｍであった場合、１６０μｍ以上の結晶粒の有無を調べる）
回路層１２及び金属層１３の厚さの８０％以上の粒径を有する粗大な結晶粒が無い場合には、回路層１２及び金属層１３の断面において、横幅方向：０．３８ｍｍ、厚さ方向：回路層１２及び金属層１３の厚さの８０％の範囲内（例えば、回路層１２及び金属層１３の厚さが０．２ｍｍであった場合、０．１６ｍｍ）で、大傾角粒界（傾角１５度〜１８０度）の合計長さをＥＢＳＤ測定装置に付属の解析ソフトにより算出した。そして、大傾角粒界の合計長さを測定面積で割り、１ｍｍ２当たりの粒界長さＬを算出した。
一方、回路層１２及び金属層１３の厚さの８０％以上の粒径を有する粗大な結晶粒が有る場合には、図４に示すように、回路層１２又は金属層１３の表面で観察される粒界がセラミックス基板１１との界面にまで達するように伸びている。そこで、回路層１２又は金属層１３の表面に縦横３本ずつの直線を引き、前記直線が粒界と交わった箇所に、回路層１２又は金属層１３の厚さ方向に、回路層１２又は金属層１３の厚さと等しい長さを持つ粒界があるとみなし、断面における１ｍｍ２当たりの粒界長さＬを算出した。なお、回路層１２又は金属層１３の断面における１ｍｍ２当たりの粒界長さＬは短いほど好ましいが、断面における１ｍｍ２当たりの粒界長さＬを極度に低下させることはコストの増加を招く。このため、断面における１ｍｍ２当たりの粒界長さＬは０．０１ｍｍ以上としてもよい。また、断面における１ｍｍ２当たりの粒界長さＬを０．０５ｍｍ以下とすることが好ましいが、これに限定されることはない。
次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。
（熱処理工程Ｓ０１）
まず、図２及び図３に示すように、セラミックス基板１１に接合する前のアルミニウム板２２，２３に対して、熱処理温度：４００℃以上固相線温度未満の範囲で熱処理を行う。なお、本実施形態では、真空加熱炉５１を用いて雰囲気を真空雰囲気（例えば１０−４Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下）とし、前述の熱処理温度での保持時間は２０分以上３５分以下の範囲内とした。この熱処理工程Ｓ０１により、アルミニウム板２２，２３は、図５に示すように、再結晶によって結晶粒が成長して粗大化することになる。そして、アルミニウム板２２，２３を、炉冷、もしくは、Ｎ２やＡｒ等の不活性ガスを用いたフロー等によって室温まで冷却する。
ここで、熱処理温度が４００℃未満の場合には、アルミニウム板２２，２３の再結晶が進行せずに結晶を十分に成長させることができないおそれがある。一方、熱処理温度が固相線温度以上である場合には、アルミニウム板２２，２３自体が溶融してしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、熱処理工程Ｓ０１における熱処理温度を４００℃以上固相線温度未満の範囲内に設定している。なお、確実にアルミニウム板２２，２３の再結晶を進行させて結晶粒を粗大化させるためには、熱処理温度を４００℃以上とすることが好ましく、５００℃以上とすることがさらに好ましい。また、熱処理温度は６４５℃以下とすることが好ましい。
（接合工程Ｓ０２）
次に、熱処理工程Ｓ０１を実施後のアルミニウム板２２，２３とセラミックス基板１１とを接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する。
本実施形態では、図２に示すように、接合工程Ｓ０２は、積層工程Ｓ２１と加熱工程Ｓ２２と溶融金属凝固工程Ｓ２３と、を備えている。
積層工程Ｓ２１では、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ｓｉを含むろう材２４を介して、熱処理工程Ｓ０１を実施後のアルミニウム板２２を積層する。また、セラミックス基板１１の一方の面に、Ｓｉを含むろう材２５を介して、熱処理工程Ｓ０１を実施後のアルミニウム板２３を積層する。ろう材２４，２５としては、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系、４０００番台のアルミニウム合金等を用いることができる。本実施形態では、ろう材２４、２５としてＳｉを６．０ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲で含有するＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔又はろう材ペーストを用いており、ろう材２４、２５の厚さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。
加熱工程Ｓ２２では、上述のように積層したアルミニウム板２２、ろう材２４、セラミックス基板１１、ろう材２５、アルミニウム板２３を積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０〜０．４９ＭＰａ））した状態で加熱炉５２内に装入して加熱する。すると、ろう材２４、２５とアルミニウム板２２，２３の一部とが溶融し、アルミニウム板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域が形成される。ここで、雰囲気は真空雰囲気（１０−４Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下）、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内、加熱時間は３０分以上１８０分以下の範囲内とされている。
この加熱工程Ｓ２２においては、ろう材２４，２５が溶融する前の段階でアルミニウム板２２，２３の再結晶が進行することになり、結晶粒が粗大化することになる。このとき、アルミニウム板２２，２３は、厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下となる。
溶融金属凝固工程Ｓ２３では、アルミニウム板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれに形成された溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２及びアルミニウム板２３とを接合する。
これにより、セラミックス基板１１に回路層１２及び金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１０が製造される。
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、このパワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、第２はんだ層４を介して放熱板４１が接合され、この放熱板４１が固定ネジ４５によって冷却器４２に締結される。これにより、ヒートシンク４０とパワーモジュール用基板１０とが接合される。
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
また、回路層１２の一方の面に第１はんだ層２を介して半導体素子３を接合する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法においては、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されたアルミニウム板２２，２３をセラミックス基板１１に接合して回路層１２及び金属層１３を形成する接合工程Ｓ０２の前に、アルミニウム板２２，２３を４００℃以上固相線温度未満の範囲で熱処理を行う熱処理工程Ｓ０１を備えているので、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されたアルミニウム板２２，２３であっても、アルミニウム板２２、２３の再結晶を進行させて結晶粒を大きく成長させることができる。
よって、接合工程Ｓ０２において、ろう材２４、２５を溶融して溶融金属領域を形成した場合であっても、ろう材２４，２５中のＳｉがアルミニウム板２２，２３の結晶粒界に沿って拡散することを抑制できる。これにより、ろう材２４，２５中のＳｉがアルミニウム板２２，２３のセラミックス基板１１との接合面とは反対側にまで拡散することを抑制でき、接合後のアルミニウム板２２，２３（回路層１２及び金属層１３）の表面変質の発生を抑制できる。
また、Ｓｉの拡散が抑制されることにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２，２３との接合界面に溶融金属領域を十分に形成することができ、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２，２３（回路層１２及び金属層１３）とを強固に接合することができる。
なお、本実施形態では、接合工程Ｓ０２の加熱工程Ｓ２２において、ろう材２４，２５が溶融する前にアルミニウム板２２，２３が再結晶して結晶粒が粗大化していればよいことから、熱処理工程Ｓ０１においてアルミニウム板２２、２３を完全に再結晶させて結晶粒を粗大化させる必要はない。もちろん、熱処理工程Ｓ０１においてアルミニウム板２２、２３を完全に再結晶させてもよい。
例えば、Ａ１０５０からなるアルミニウム板２２，２３においては、熱処理温度が５６０℃から５８０℃の範囲内で再結晶が急激に進行することから、熱処理温度を５８０℃以上とすると、アルミニウム板２２，２３が完全に再結晶することになる。
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０においては、上述のように、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されたアルミニウム板２２，２３を熱処理して結晶粒を粗大化させた後で、セラミックス基板１１と接合することで製造されているので、回路層１２及び金属層１３の結晶粒が粗大化することになる。
具体的には、回路層１２及び金属層１３（接合後のアルミニウム板２２，２３）の厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされている。よって、Ｓｉの粒界拡散が抑制されており、アルミニウム板２２，２３の表面変質が抑制され、表面品質に優れることになる。
また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２，２３との接合界面に溶融金属領域が確実に形成され、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３（アルミニウム板２２，２３）とが確実に接合され、接合信頼性に優れることになる。
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、パワーモジュール用基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、セラミックス部材と純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されたアルミニウム部材とを接合してなるセラミックス／アルミニウム接合体であればよい。
また、本実施形態では、回路層及び金属層を、それぞれ純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウム板を接合することで形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層又は金属層のいずれか一方が、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウム板で構成されていればよい。
具体的には、金属層が純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウム板で構成されている場合であれば、回路層は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板、銅又は銅合金からなる銅板、アルミニウムと銅との積層板等で構成してもよい。また、回路層が純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウム板で構成されている場合であれば、金属層は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板等の他の金属や複合材料で構成してもよいし、金属層自体を形成しなくてもよい。
また、本実施形態では、セラミックス基板１１として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）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（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックスで構成されたものであってもよい。
さらに、回路層及び金属層のはんだ接合を行う面にＮｉめっき層を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、Ａｇペースト等の他の手段によって下地層を構成してもよい。
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示したもの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。
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。
回路層を構成するアルミニウム板として、純度９９．９９ｍａｓｓ％のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板（７０ｍｍ×７０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を準備した。
また、ＡｌＮからなるセラミックス基板（７２ｍｍ×７０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）を準備した。
そして、金属層を構成するアルミニウム板として、表１に示す組成及び厚さの圧延板（７２ｍｍ×７０ｍｍ）を準備した。
金属層を構成するアルミニウム板に対して、真空（１×１０−３Ｐａ）雰囲気下で、表１に示す条件で熱処理を実施した。昇温速度を２０℃／ｍｉｎ．とし、各熱処理温度で保持後、Ｎ２フローによって冷却した。
なお、従来例では、アルミニウム板の熱処理を実施しなかった。
４Ｎアルミニウムの圧延板、セラミックス基板、熱処理後のアルミニウム板を、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材（Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ、厚さ１７μｍ）を用いて接合し、パワーモジュール用基板を製造した。
具体的には、真空（１×１０−３Ｐａ）雰囲気下で、積層方向に３ｋｇｆ／ｃｍ２（０．２９ＭＰａ）の荷重で加圧し、６５０℃に加熱して３０ｍｉｎ．保持し、その後Ｎ２フローによって冷却した。
（熱処理後のアルミニウム板の結晶粒径）
金属層を構成するアルミニウム板に対して熱処理を行い、その後のアルミニウム板の結晶粒径を測定した。測定結果を表１に示す。結晶粒径の測定方法は、まずアルミニウム板の断面をＥＢＳＤ測定装置（ＦＥＩ社製Ｑｕａｎｔａ ＦＥＧ４５０）によって観察し、横幅方向：０．３８ｍｍ、厚さ方向：金属層の厚さの８０％の範囲内（例えば、金属層の厚さが０．２ｍｍの場合、０．１６ｍｍ）において、粒界で囲まれた部分（結晶粒）の面積を算出し、その面積の合計を結晶粒の数で割ることによって、範囲内における結晶粒の平均面積を算出し、その平均面積と同じ面積を持つ円の直径を結晶粒径とした。なお、上記の粒界は大傾角粒界（傾角１５度〜１８０度）とした。
従来例で用いたアルミニウム板（熱処理なし）、本発明例９及び本発明例１０で用いた熱処理後のアルミニウム板の結晶粒の観察結果を図５に示す。
（金属層の表面変質）
接合後のパワーモジュール用基板において、金属層のうちセラミックス基板とは反対側の面（金属層表面）を目視にて観察し、表面変質の発生状況を以下の基準で評価した。
◎：表面変質が観察されない。
○：表面変質が観察され、かつ表面変質が金属層表面の面積の３０％未満。
×：表面変質が観察され、かつ表面変質が金属層表面の面積の３０％以上。
（金属層とセラミックス基板との接合率）
金属層とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置（インサイト社製ＩＮＳＩＧＨＴ−３００）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、すなわち金属層の面積（７２ｍｍ×７０ｍｍ）とした。超音波探傷像を二値化処理した画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）×１００
（金属層の粒界長さＬ）
金属層の厚さ方向に沿った断面を観察し、１ｍｍ２当たりの粒界長さＬを測定した。測定結果を表１に示す。
測定方法は、まず、ＥＢＳＤ測定装置を用いて、金属層の断面において粒径が金属層の厚さの８０％以上の結晶粒の有無を調べる。（例えば、回路層１２及び金属層１３の厚さが０．２ｍｍであった場合、１６０μｍ以上の粒径を有する結晶粒の有無を調べる）
金属層の厚さの８０％以上の粒径を有する粗大な結晶粒が無い場合には、横幅方向：０．３８ｍｍ、厚さ方向：金属層の厚さの８０％の範囲内で、大傾角粒界（傾角１５度〜１８０度）の合計長さをＥＢＳＤ付属のソフトウェアにより算出した。そして、大傾角粒界の合計長さを測定面積で割り、１ｍｍ２当たりの粒界長さＬを算出した。
金属層の厚さの８０％以上の粒径を有する粗大な結晶粒が有る場合には、図６（ａ）に示すように、金属層の表面に縦横３本ずつの直線を引き、７０ｍｍ×７０ｍｍの範囲内において、前記直線が粒界と交わった箇所に、金属層の厚さ方向に、金属層の厚さと等しい長さを持つ粒界があるとみなし（図６（ｂ））、断面における１ｍｍ２当たりの粒界長さＬを算出した（図６（ｃ））。
なお、図６（ｃ）での例示では、図６（ｂ）の直線Ａの位置における断面であり、粒界長さは４００μｍ、断面の面積は１４ｍｍ２であり、１ｍｍ２当たりの粒界長さＬは０．０３ｍｍとなる。
アルミニウム板の熱処理温度が３５０℃と低かった比較例においては、金属層の粒界長さＬが１ｍｍ２当たり２０ｍｍと非常に長くなっており、金属層の表面変質が全面積の３０％以上となっている。また、接合率も９７．１％と低くなっている。
同様に、アルミニウム板の熱処理を実施しなかった従来例においては、金属層の粒界長さＬが１ｍｍ２当たり１７ｍｍと非常に長くなっており、金属層の表面変質が全面積の３０％以上となっている。また、接合率も９７．２％と低くなっている。
これらの比較例及び従来例においては、結晶粒界が多く存在し、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材中のＳｉが結晶粒界を通じて表面にまで拡散したため、表面変質が発生したと推測される。また、Ｓｉの拡散によって接合界面近傍におけるＳｉ量が不足し、接合率が低下したと推測される。
これに対して、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムからなるアルミニウム板に対して、４００℃以上固相線温度未満の範囲で熱処理を行った本発明例１−１２においては、金属層の粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされており、金属層の表面変質が十分に抑制されている。また、接合率も９７．５％以上とされている。結晶粒界が少なく、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材中のＳｉの移動が抑制されためと推測される。
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、Ｓｉが金属層（アルミニウム部材）の表面まで拡散することを抑制でき、金属層（アルミニウム部材）の表面変質が抑制されるとともにセラミックス基板（セラミックス部材）と金属層（アルミニウム部材）とが確実に接合されたパワーモジュール用基板（セラミックス／アルミニウム接合体）を提供可能であることが確認された。
１０ パワーモジュール用基板（セラミックス／アルミニウム接合体）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ 回路層
１３ 金属層
２２ アルミニウム板（アルミニウム部材）
２３ アルミニウム板（アルミニウム部材）
２４ ろう材
２５ ろう材

Claims (5)

  1. セラミックス部材と、アルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法であって、
    接合前の前記アルミニウム部材は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、
    前記アルミニウム部材を４００℃以上固相線温度未満の範囲で熱処理を行う熱処理工程と、
    前記熱処理工程後の前記アルミニウム部材と、前記セラミックス部材とを、Ｓｉを含むろう材を介して接合する接合工程と、
    を備えていることを特徴とするセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法。
  2. セラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
    接合前の前記アルミニウム板は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、
    前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを請求項１に記載のセラミックス／アルミニウム接合体の製造方法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
  3. セラミックス部材と、アルミニウム部材とが接合されてなるセラミックス／アルミニウム接合体であって、
    接合前の前記アルミニウム部材は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、
    接合後の前記アルミニウム部材の厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされていることを特徴とするセラミックス／アルミニウム接合体。
  4. セラミックス基板と、このセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とを備えたパワーモジュール用基板であって、
    接合前の前記アルミニウム板は、純度９９．０ｍａｓｓ％以上９９．９ｍａｓｓ％以下のアルミニウムで構成されており、
    接合後の前記アルミニウム板の厚さ方向に沿った断面において観察される粒界長さＬが１ｍｍ２当たり０．１ｍｍ以下とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
  5. 前記アルミニウム板の厚さが０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ未満の範囲内とされていることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール用基板。
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