JP2016100431A - 接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法、及び、接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体を製造可能な接合体の接合方法を提供する。
【解決手段】銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体の製造方法であって、アルミニウム合金部材と金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設され、アルミニウム合金部材とアルミニウム介在層とを接合するアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５と、アルミニウム介在層と金属部材とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程Ｓ０４と、を備えている。
【選択図】図３

Description

この発明は、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材とが接合されてなる接合体の製造方法、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク本体と金属部材層とを備えたヒートシンクの製造方法、及び、接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク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）、Ａｌ_２Ｏ_３（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金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用基板側に伝達された熱を、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、回路層及び金属層を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、はんだ材によって半導体素子や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、回路層及び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、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。
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、回路層と半導体素子、金属層とヒートシンクを接合する技術が提案されている。

しかしながら、特許文献２に記載されたように、回路層及び金属層表面に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、半導体素子及び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半導体素子及び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。ここで、ヒートシンクと金属層との接合が不十分であると、熱抵抗が上昇し、放熱特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、回路層表面及び金属層表面に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った。
また、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回路層と半導体素子、金属層とヒートシンク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、予め回路層表面及び金属層表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。

そこで、特許文献４には、回路層及び金属層をＡｌ層とＣｕ層の積層構造とし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用基板においては、回路層及び金属層の表面にはＣｕ層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子及びヒートシンクを良好に接合することができる。このため、積層方向の熱抵抗が小さくなり、半導体素子から発生した熱をヒートシンク側へと効率良く伝達することが可能となる。

また、特許文献５には、金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成されており、これら前記金属層と前記ヒートシンクとが固相拡散接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。このヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層とヒートシンクとが固相拡散接合されているので、熱抵抗が小さく、放熱特性に優れている。

さらに、特許文献６、７には、金属層及び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おり、これら前記金属層と前記ヒートシンクとが、添加元素の拡散を利用したいわゆる過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）で接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。

特許第３１７１２３４号公報 特開２００４−１７２３７８号公報 特開２００８−２０８４４２号公報 特開２０１４−１６０７９９号公報 特開２０１４−０９９５９６号公報 特開２０１１−１１９６５２号公報 特開２０１１−１１９６５３号公報

ところで、内部に冷却媒体の流路等が形成された複雑な構造のヒートシンクにおいては、比較的固相線温度が低いアルミニウム鋳物合金を用いて製造されることがある。
ここで、固相線温度の低いアルミニウム鋳物合金からなるアルミニウム合金部材と、銅又は銅合金からなる金属部材とを、特許文献５に記載されたように、固相拡散接合した場合には、接合界面近傍にカーケンダルボイドが多数発生することが確認された。このようなカーケンダルボイドがパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に存在すると、熱抵抗が上昇し、放熱特性が低下してしまうといった問題があった。

また、固相線温度の低いアルミニウム鋳物合金からなるアルミニウム合金部材と、アルミニウムからなるアルミニウム部材とを、特許文献６，７に示すように過渡液相接合法によって接合しようとした場合、アルミニウム合金部材の固相線温度未満の温度で加熱する必要があり、接合が不十分となるおそれがあった。また、この過渡液相接合法によって、アルミニウム合金部材と銅部材とを直接接合することは困難であった。

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、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合された接合体の接合方法、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンクの製造方法、及び、接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク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、本発明の接合体の製造方法は、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体の製造方法であって、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とを接合するアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、を備えており、前記アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程は、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層との間に、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設する添加元素配設工程と、配設した前記添加元素を介して前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層と積層して積層方向に加圧するとともに加熱し、配設した前記添加元素を前記アルミニウム合金部材側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記アルミニウム合金部材側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有していることを特徴としている。
なお、本発明において、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されたものとしている。

この構成の接合体の製造方法によれば、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在しており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とを接合するアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、を備えているので、アルミニウム合金部材と金属部材とが直接接合されておらず、アルミニウム合金部材と金属部材との間にカーケンダルボイドが多数生成することを抑制できる。

また、アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程において、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設させる添加元素配設工程と、前記配設層の元素を前記アルミニウム合金部材側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記アルミニウム合金部材側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有しているので、比較的固相線温度が低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材であっても、過渡液相接合法によってアルミニウム介在層と確実に接合することができる。

ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記添加元素配設工程では、前記添加元素がＺｎの場合には、配設するＺｎ量を２ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内、前記添加元素がＭｇの場合には、配設するＭｇ量を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上９ｍｇ／ｃｍ^２以下、前記添加元素がＧｅの場合には、配設するＧｅ量を４ｍｇ／ｃｍ^２以上２７ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることが好ましい。
この場合、加熱工程において、アルミニウム合金部材を構成するアルミニウム合金の固相線温度未満の温度で加熱した場合であっても、アルミニウム合金部材とアルミニウム介在層との間に確実に液相を生じさせることができ、アルミニウム合金部材とアルミニウム介在層を確実に接合することができる。

なお、本発明の接合体の製造方法においては、アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程、及び、アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程の実施順序に制限はなく、アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程の後にアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程を実施してもよいし、アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程の後にアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程を実施してもよい。
あるいは、アルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程を、同時に実施してもよい。この場合、製造工程が少なくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。

本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、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、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記金属層のうち前記アルミニウム介在層との接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記アルミニウム介在層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とを接合するヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程と、を備えており、前記ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程は、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層との間に、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設する添加元素配設工程と、配設した前記添加元素を介して前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層と積層して積層方向に加圧するとともに加熱し、配設した前記添加元素を前記ヒートシンク側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記ヒートシンク側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有することを特徴としている。

この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在しており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とを接合するヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程と、を備えているので、ヒートシンクと金属層とが直接接合されておらず、ヒートシンクと金属層との間にカーケンダルボイドが多数生成することを抑制できる。よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能となる。

また、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程において、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設させる添加元素配設工程と、前記配設層の元素を前記ヒートシンク側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記ヒートシンク側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有しているので、比較的固相線温度が低いアルミニウム合金からなるヒートシンクであっても、過渡液相接合法によってアルミニウム介在層と確実に接合することができる。

ここで、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、前記添加元素配設工程では、前記添加元素がＺｎの場合には、配設するＺｎ量を２ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内、前記添加元素がＭｇの場合には、配設するＭｇ量を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上９ｍｇ／ｃｍ^２以下、前記添加元素がＧｅの場合には、配設するＧｅ量を４ｍｇ／ｃｍ^２以上２７ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることが好ましい。
この場合、加熱工程において、ヒートシンクを構成するアルミニウム合金の固相線温度未満の温度で加熱した場合であっても、ヒートシンクとアルミニウム介在層との間に確実に液相を生じさせることができ、ヒートシンクとアルミニウム介在層を確実に接合することができる。

なお、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程、及び、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程の実施順序に制限はなく、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程の後にアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程を実施してもよいし、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程の後にヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程を実施してもよい。
あるいは、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程と、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程を、同時に実施してもよい。この場合、製造工程が少なくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。また、絶縁層への熱負荷を抑えることができる。

本発明のヒートシンクの製造方法は、ヒートシンク本体と、前記金属部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とを接合するヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程と、を備えており、前記ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程は、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との間に、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設する添加元素配設工程と、配設した前記添加元素を介して前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層と積層して積層方向に加圧するとともに加熱し、配設した前記添加元素を前記ヒートシンク本体側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記ヒートシンク本体側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有することを特徴としている。

この構成のヒートシンクの製造方法によれば、前記金属部材層と前記ヒートシンク本体との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在し、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とを接合するヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程と、を備えているので、ヒートシンク本体と金属部材層とが直接接合されておらず、ヒートシンク部材と金属部材層との間にカーケンダルボイドが多数生成することを抑制できる。よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンクを製造することが可能となる。

また、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程において、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設させる添加元素配設工程と、前記配設層の元素を前記ヒートシンク本体側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記ヒートシンク本体側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有しているので、比較的固相線温度が低いアルミニウム合金からなるヒートシンク本体であっても、過渡液相接合法によってアルミニウム介在層と確実に接合することができる。

ここで、本発明のヒートシンクの製造方法においては、前記添加元素配設工程では、前記添加元素がＺｎの場合には、配設するＺｎ量を２ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内、前記添加元素がＭｇの場合には、配設するＭｇ量を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上９ｍｇ／ｃｍ^２以下、前記添加元素がＧｅの場合には、配設するＧｅ量を４ｍｇ／ｃｍ^２以上２７ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることが好ましい。
この場合、加熱工程において、ヒートシンク本体を構成するアルミニウム合金の固相線温度未満の温度で加熱した場合であっても、ヒートシンク本体とアルミニウム介在層との間に確実に液相を生じさせることができ、ヒートシンク本体とアルミニウム介在層を確実に接合することができる。

なお、本発明のヒートシンクの製造方法においては、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程、及び、アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程の実施順序に制限はなく、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程の後にアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程を実施してもよいし、アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程の後にヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程を実施してもよい。
あるいは、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程と、アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程を、同時に実施してもよい。この場合、製造工程が少なくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。

本発明の接合体は、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体であって、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とが固相拡散接合されており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層の接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされるとともに、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされていることを特徴としている。

この構成の接合体によれば、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材とが、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層を介して接合されているので、アルミニウム合金部材と金属部材との間におけるカーケンダルボイドの発生が抑制されており、熱抵抗が低く、伝熱部材として特に適している。
また、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層の接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされているので、添加元素が十分に拡散することで接合時に液相が形成されており、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とが確実に接合されている。なお、上述の添加元素拡散層においては、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちの２種類以上の添加元素を添加した場合にはそのうちの１つの添加元素の濃度が０．３質量％以上となっていればよい。
さらに、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層の接合界面においては、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされているので、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層との接合界面において、添加元素の濃化層（Ｚｎ濃化層、Ｍｇ濃化層及びＧｅ濃化層）に起因して電食や再溶融が発生するおそれが少ない。

本発明のヒートシンク付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、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記金属層のうち前記アルミニウム介在層との接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記アルミニウム介在層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記アルミニウム介在層と前記金属層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層の接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされるとともに、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされていることを特徴としている。

この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在しているので、ヒートシンクと金属層の間におけるカーケンダルボイドの発生が抑制されており、熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。
また、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層の接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされているので、添加元素が十分に拡散することで接合時に液相が形成されており、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とが確実に接合されている。なお、上述の添加元素拡散層においては、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちの２種類以上の添加元素を添加した場合にはそのうちの１つの添加元素の濃度が０．３質量％以上となっていればよい。
さらに、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層との接合界面においては、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされているので、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層との接合界面において、添加元素の濃化層（Ｚｎ濃化層、Ｍｇ濃化層及びＧｅ濃化層）に起因して電食や再溶融が発生するおそれが少ない。

本発明のヒートシンクは、ヒートシンク本体と、前記金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされるとともに、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされていることを特徴としている。

この構成のヒートシンクによれば、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が介在しているので、ヒートシンク本体と金属部材層との間におけるカーケンダルボイドの発生が抑制されており、熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。
また、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされているので、添加元素が十分に拡散することで接合時に液相が形成されており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とが確実に接合されている。なお、上述の添加元素拡散層においては、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちの２種類以上の添加元素を添加した場合にはそのうちの１つの添加元素の濃度が０．３質量％以上となっていればよい。
さらに、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との接合界面においては、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされているので、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との接合界面において、添加元素の濃化層（Ｚｎ濃化層、Ｍｇ濃化層及びＧｅ濃化層）に起因して電食や再溶融が発生するおそれが少ない。

本発明によれば、比較的固相線温度の低いアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合された接合体の接合方法、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンクの製造方法、及び、接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンクを提供することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の第一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のヒートシンク及びアルミニウム介在層における添加元素の濃度分布を示す説明図である。 第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を説明するフロー図である。 第一実施形態に係るヒートシンク付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。 ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。 本発明の第二実施形態であるヒートシンクのヒートシンク本体及びアルミニウム介在層における添加元素の濃度分布を示す説明図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法を説明するフロー図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法の概略説明図である。 ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程を示す説明図である。 本発明の他の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を備えたパワーモジュールの概略説明図である。

（第一実施形態）
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、本発明の第一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、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に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、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の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。

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、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、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２２）がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。なお、回路層１２となるアルミニウム板２２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積層されたＣｕ層１３Ｂと、を有している。
Ａｌ層１３Ａは、図４に示すように、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２３Ａ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、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２３Ａ）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。接合されるアルミニウム板２３Ａ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。
Ｃｕ層１３Ｂは、Ａｌ層１３Ａの他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２３Ｂ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（銅板２３Ｂ）が接合されることで形成されている。なお、銅層１３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１ｍｍに設定されている。

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り、本実施形態では、図１に示すように、冷却媒体が流通する流路３２が設けられている。このヒートシンク３１は、固相線温度が金属層１３の接合面（Ｃｕ層１３Ｂ）を構成するＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（固相線温度５１５℃）で構成されている。なお、このＡＤＣ１２は、Ｃｕを１．５〜３．５質量％の範囲内、Ｓｉを９．６〜１２．０質量％の範囲内で含むアルミニウム合金である。

そして、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との間には、アルミニウム介在層１８が介在している。
このアルミニウム介在層１８は、純度が９９質量％以上の２Ｎアルミニウム、純度が９９．９質量％以上の３Ｎアルミニウム又は純度が９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムからなるアルミニウムからなるアルミニウム板２８が接合されることで構成されている。本実施形態では、アルミニウム介在層１８を構成するアルミニウム板２８として純度が９９質量％以上の２Ｎアルミニウム板を用い、厚さは０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲内に設定されている。より望ましくは、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下に設定される。
ここで、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８は、固相拡散接合されている。また、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１は、Ｚｎ，Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態では、Ｚｎ）を用いた過渡液相接合法によって接合されている。

過渡液相接合法によって接合されたアルミニウム介在層１８とヒートシンク３１の接合界面４０においては、Ｚｎ，Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＺｎ）が固溶している。
ここで、図２に示すように、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１の接合界面４０においては、接合界面４０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＺｎ濃度）が低下するように濃度勾配を有しており、添加元素であるＺｎの濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層４３の厚さｔ１が５０μｍ以上とされている。また、添加元素であるＺｎの濃度が６６質量％以上とされたＺｎ濃化層４５の厚さｔ２が２０μｍ以下とされている。このＺｎ濃化層４５の厚さｔ２は、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは０μｍであるとよい。
また、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との接合界面４０においては、それぞれの接合面に酸化物が観察される。本実施形態においては、この酸化物はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物等とされている。

固相拡散接合された金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８との接合界面には、金属間化合物層が形成されている。
この金属間化合物層は、アルミニウム介在層１８のＡｌ原子と、Ｃｕ層１３ＢのＣｕ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。この金属間化合物層においては、アルミニウム介在層１８からＣｕ層１３Ｂ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。
金属間化合物層は、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、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。ここで、金属間化合物層の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。

また、本実施形態では、金属間化合物層は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム介在層１８側からＣｕ層１３Ｂ側に向けて順に、アルミニウム介在層１８とＣｕ層１３Ｂとの接合界面に沿って、θ相、η_２相が積層し、さらにζ_２相、δ相、及びγ_２相のうち少なくとも一つの相が積層して構成されている。
また、この金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとの接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層とＣｕ層１３Ｂとが直接接触している領域も存在している。また、酸化物がθ相、η_２相もしくは、ζ_２相、δ相、及びγ_２相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。

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用基板３０の製造方法について、図３から図５を参照して説明する。

（アルミニウム板積層工程Ｓ０１）
まず、図４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、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。
また、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａ、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔２６として、厚さ１０μｍのＡｌ−８質量％Ｓｉ合金箔を用いた。

（回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ０２）
そして、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、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１を接合して回路層１２を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３Ａを接合してＡｌ層１３Ａを形成する。
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。

（Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３）
次に、Ａｌ層１３Ａの他方の面側に、Ｃｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。

そして、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１３Ａと銅板２３Ｂとを固相拡散接合し、金属層１３を形成する。
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４００℃以上５４８℃以下、保持時間は５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
なお、Ａｌ層１３Ａ、銅板２３Ｂのうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。

（アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４）
次に、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と、アルミニウム介在層１８となるアルミニウム板２８とを積層し、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８（アルミニウム板２８）を固相拡散接合する。なお、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）、アルミニウム板２８のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
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４００℃以上５４８℃以下、保持時間は０．５時間以上４時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。

（ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５）
次に、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１とを接合する。まず、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１との間に、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＺｎ）を配設する（添加元素配設工程Ｓ５１）。本実施形態では、Ｚｎ箔２９（厚さ１０μｍ：７．１ｍｇ／ｃｍ^２）をアルミニウム介在層１８とヒートシンク３１との間に配設している。なお、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１との間に配設される添加元素量は０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素であるＺｎ量が２ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とされている。
なお、２種以上の添加元素を配設する場合には、添加元素の合計量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とされる。

次に、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１を、Ｚｎ箔２９を介して積層し、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装入して加熱する（加熱工程Ｓ５２）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０^−３〜１０^−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は４００℃以上５２０℃以下の範囲内に設定している。すると、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１との界面に溶融金属領域５１が形成される。この溶融金属領域５１は、図５に示すように、添加元素（Ｚｎ）がアルミニウム介在層１８側及びヒートシンク３１側に拡散することによって、アルミニウム介在層１８及びヒートシンク３１のＺｎ箔２９近傍の添加元素の濃度（Ｚｎ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。また、溶融金属領域５１は、添加元素（Ｚｎ）が溶融することで形成される場合もある。

次に、溶融金属領域５１が形成された状態で温度を一定に保持しておく（凝固工程Ｓ５３）。すると、溶融金属領域５１中の添加元素（Ｚｎ）が、さらにアルミニウム介在層１８側及びヒートシンク３１側へと拡散し、溶融金属領域５１であった部分の添加元素の濃度（Ｚｎ濃度）が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１が接合される。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。

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。

（半導体素子接合工程Ｓ０６）
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。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール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用基板３０によれば、ヒートシンク３１が、固相線温度が金属層１３の接合面（Ｃｕ層１３Ｂ）を構成するＣｕとＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（固相線温度５１５℃）で構成されているので、流路３２を有する複雑な構造のヒートシンク３１を構成することができ、放熱性能を向上させることが可能となる。

そして、本実施形態では、金属層１３がＡｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとを有し、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と比較的融点の低いアルミニウム合金からなるヒートシンク３１との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層１８が介在しているので、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ１３Ｂ）の間にカーケンダルボイドが多数発生することを抑制できる。よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製造することが可能となる。

また、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５においては、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設する添加元素配設工程Ｓ５１と、配設した添加元素をヒートシンク３１側及びアルミニウム介在層１８側に拡散させることにより、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との界面に溶融金属領域５１を形成する加熱工程Ｓ５２と、溶融金属領域５１中の添加元素をさらにヒートシンク３１側及びアルミニウム介在層１８側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で溶融金属領域５１の凝固を進行させる凝固工程Ｓ５３と、を有しているので、比較的固相線温度が低いアルミニウム合金からなるヒートシンク３１であっても、過渡液相接合法によってアルミニウム介在層１８と確実に接合することができる。

ここで、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５において、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の配設量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２未満の場合には、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との界面に液相を十分に形成することができず、接合が不十分となるおそれがある。一方、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の配設量が３６ｍｇ／ｃｍ^２を超える場合には、液相が過剰に生成してしまい、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との界面にＺｎ濃化層４５が厚く形成され、電食や再溶融が起こるおそれがある。
そこで、本実施形態においては、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１との間に配設されるＺｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素量を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内に設定している。

また、本実施形態では、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との間にＺｎ箔２９を配設することによって、添加元素であるＺｎを２ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設しているので、加熱工程Ｓ０２における加熱温度がヒートシンク３１を構成するアルミニウム合金の固相線温度（５１５℃）未満であっても、Ｚｎを十分に拡散させて液相を生じさせることができ、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１とを確実に接合することができる。

また、本実施形態では、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１の接合界面４０においては、Ｚｎ，Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＺｎ）が固溶しており、この添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされているので、添加元素（本実施形態ではＺｎ）が十分に拡散することで接合時に液相が形成されており、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８とが確実に接合されている。
さらに、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１の接合界面４０において、添加元素であるＺｎの濃度が６６質量％以上とされたＺｎ濃化層４５の厚さｔが２０μｍ以下とされているので、ヒートシンク３１とアルミニウム介在層１８との接合界面４０において、Ｚｎ濃化層４５に起因して電食や再溶融が発生するおそれが少ない。
さらに、本実施形態では、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１の接合界面４０に酸化物が観察されている。これは、アルミニウム介在層１８とヒートシンク３１の接合界面４０に余剰な液相が生じておらず、アルミニウム介在層１８及びヒートシンク３１の接合面に形成されていた酸化皮膜が残存したものと推測される。

また、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４においては、Ｃｕ層１３Ｂ（銅板２３Ｂ）、アルミニウム介在層１８（アルミニウム板２８）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することができ、これらを確実に固相拡散接合することができる。

また、本実施形態では、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とアルミニウム介在層１８との接合界面に、ＣｕとＡｌの金属間化合物層からなる金属間化合物層が形成されており、この金属間化合物層は、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ので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、金属間化合物層内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。

さらに、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ｂと金属間化合物層との接合界面においては、酸化物がこれらの接合界面に沿ってそれぞれ層状に分散しているので、アルミニウム介在層１８（アルミニウム板２８）の接合面に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、Ｃｕ層１３Ｂとアルミニウム介在層１８とが確実に接合されている。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図６に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク１０１を示す。
このヒートシンク１０１は、ヒートシンク本体１１０と、ヒートシンク本体１１０の一方の面（図６において上側）に積層された銅、ニッケル又は銀からなる金属部材層１１７と、を備えている。本実施形態では、金属部材層１１７は、図９に示すように、無酸素銅の圧延板からなる金属板１２７を接合することによって構成されている。

ヒートシンク本体１１０は、冷却媒体が流通する流路１１１が設けられている。このヒートシンク本体１１０は、固相線温度が金属部材層１１７を構成する金属元素（本実施形態ではＣｕ）とＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ５（固相線温度５３５℃）で構成されている。なお、このＡＤＣ５は、Ｍｇを４．１〜８．５質量％の範囲内で含むアルミニウム合金である。

そして、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との間には、アルミニウム介在層１１８が介在している。
このアルミニウム介在層１１８は、純度が９９質量％以上の２Ｎアルミニウム、純度が９９．９質量％以上の３Ｎアルミニウム又は純度が９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板１２８が接合されることで構成されている。本実施形態では、アルミニウム介在層１１８を構成するアルミニウム板１２８として純度が９９質量％以上の２Ｎアルミニウム板を用い、厚さは０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲内に設定されている。より望ましくは、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下に設定される。
ここで、金属部材層１１７とアルミニウム介在層１１８は、固相拡散接合されている。また、アルミニウム介在層１１８とヒートシンク本体１１０は、Ｚｎ，Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態では、Ｇｅ）を用いた過渡液相接合法によって接合されている。

過渡液相接合法によって接合されたアルミニウム介在層１１８とヒートシンク本体１１０の接合界面１４０においては、Ｚｎ，Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態では、Ｇｅ）が固溶している。
ここで、図７に示すように、アルミニウム介在層１１８及びヒートシンク本体１１０の接合界面１４０においては、接合界面１４０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度（本実施形態ではＧｅ濃度）が低下するように濃度勾配を有しており、添加元素であるＧｅの濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層１４３の厚さｔ１が５０μｍ以上とされている。また、添加元素であるＧｅの濃度が３７質量％以上とされたＧｅ濃化層１４５の厚さｔ２が２０μｍ以下とされている。このＧｅ濃化層１４５の厚さｔ２は、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは０μｍであるとよい。
また、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との接合界面においては、それぞれの接合面に酸化物が観察される。本実施形態においては、この酸化物はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物等とされている。

固相拡散接合された金属部材層１１７とアルミニウム介在層１１８との接合界面には、金属間化合物層が形成されている。
この金属間化合物層は、アルミニウム介在層１１８のＡｌ原子と、金属部材層１１７のＣｕ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。この金属間化合物層においては、アルミニウム介在層１１８から金属部材層１１７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。
金属間化合物層は、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、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。ここで、金属間化合物層の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。

また、本実施形態では、金属間化合物層は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム介在層１１８側から金属部材層１１７側に向けて順に、アルミニウム介在層１１８と金属部材層１１７との接合界面に沿って、θ相、η_２相が積層し、さらにζ_２相、δ相、及びγ_２相のうち少なくとも一つの相が積層して構成されている。
また、この金属間化合物層と金属部材層１１７との接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、金属間化合物層と金属部材層１１７との界面に分断された状態で分散しており、金属間化合物層と金属部材層１１７とが直接接触している領域も存在している。また、酸化物がθ相、η_２相もしくは、ζ_２相、δ相、及びγ_２相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。

次に、本実施形態であるヒートシンク１０１の製造方法について、図８から図１０を参照して説明する。

（ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程Ｓ１０１）
まず、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８とを接合する。ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との間に、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＧｅ）を配設する（添加元素配設工程Ｓ１１１）。本実施形態では、Ｇｅ箔１２９（厚さ２０μｍ：１０．６ｍｇ／ｃｍ^２）をヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との間に配設している。なお、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との間に配設される添加元素量は０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とされており、本実施形態では、添加元素であるＧｅ量が４ｍｇ／ｃｍ^２以上２７ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とされている。

次に、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８を、Ｇｅ箔１２９を介して積層し、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装入して加熱する（加熱工程Ｓ１１２）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０^−３〜１０^−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は４５０℃以上５２０℃以下の範囲内に設定している。すると、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との界面に溶融金属領域１５１が形成される。この溶融金属領域１５１は、図１０に示すように、添加元素（Ｇｅ）がヒートシンク本体１１０側及びアルミニウム介在層１１８側に拡散することによって、ヒートシンク本体１１０及びアルミニウム介在層１１８のＧｅ箔１２９近傍の添加元素の濃度（Ｇｅ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。

次に、溶融金属領域１５１が形成された状態で温度を一定に保持しておく（凝固工程Ｓ１１３）。すると、溶融金属領域１５１中の添加元素（Ｇｅ）が、さらにヒートシンク本体１１０側及びアルミニウム介在層１１８側へと拡散し、溶融金属領域１５１であった部分のＧｅ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８とが接合される。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。

（アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程Ｓ１０２）
次に、図９に示すように、アルミニウム介在層１１８と金属部材層１１７となる金属板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力３〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱することにより、金属板１２７とアルミニウム介在層１１８とを固相拡散接合する。なお、金属板１２７、アルミニウム介在層１１８のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
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４００℃以上５４８℃以下、保持時間は３０分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク１０１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１０１によれば、ヒートシンク本体１１０の一方の面側に、無酸素銅の圧延板からなる金属板１２７を接合することによって金属部材層１１７が形成されているので、熱を金属部材層１１７によって面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。また、はんだ等を用いて他の部材とヒートシンク１０１とを良好に接合することができる。

また、ヒートシンク本体１１０が、固相線温度が金属部材層１１７を構成する金属元素と（Ｃｕ）とＡｌとの共晶温度（５４８℃）未満とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ Ｈ ２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ５（固相線温度５３５℃）で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンク本体１１０を構成することができる。

そして、本実施形態では、比較的融点の低いアルミニウム合金からなるヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層１１８が介在しているので、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との間にカーケンダルボイドが多数発生することを抑制できる。よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク１０１を製造することが可能となる。

また、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程Ｓ１０１においては、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設する添加元素配設工程Ｓ１１１と、配設した添加元素をヒートシンク本体１１０側及びアルミニウム介在層１１８側に拡散させることにより、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との界面に溶融金属領域１５１を形成する加熱工程Ｓ１１２と、溶融金属領域１５１中の添加元素をさらにヒートシンク本体１１０側及びアルミニウム介在層１１８側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で溶融金属領域１５１の凝固を進行させる凝固工程Ｓ１１３と、を有しているので、比較的固相線温度が低いアルミニウム合金からなるヒートシンク本体１１０であっても、過渡液相接合法によってアルミニウム介在層１１８と確実に接合することができる。

ここで、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程Ｓ１０１において、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の配設量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２未満の場合には、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との界面に液相を十分に形成することができず、接合が不十分となるおそれがある。一方、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の配設量が３６ｍｇ／ｃｍ^２を超える場合には、液相が過剰に生成し、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との界面にＧｅ濃化層１４５が厚く形成され、電食や再溶融が起こるおそれがある。
そこで、本実施形態においては、アルミニウム介在層１１８とヒートシンク本体１１０との間に配設されるＺｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素量を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内に設定している。

また、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との間にＧｅ箔１２９を配設することによって、添加元素であるＧｅを４ｍｇ／ｃｍ^２以上２７ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設しているので、加熱工程Ｓ１１２における加熱温度がヒートシンク本体１１０を構成するアルミニウム合金の固相線温度（５３５℃）未満であっても、Ｇｅを十分に拡散させて液相を生じさせることができ、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８とを確実に接合することができる。

また、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８の接合界面１４０においては、Ｚｎ，Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素（本実施形態ではＧｅ）が固溶しており、この添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされているので、添加元素（本実施形態ではＧｅ）が十分に拡散することで接合時に液相が形成されており、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８とが確実に接合されている。
さらに、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８の接合界面１４０において、添加元素であるＧｅの濃度が３７質量％以上とされたＧｅ濃化層１４５の厚さｔ２が２０μｍ以下とされているので、ヒートシンク本体１１０とアルミニウム介在層１１８との接合界面１４０において、Ｇｅ濃化層１４５に起因して電食や再溶融が発生するおそれが少ない。
さらに、本実施形態では、アルミニウム介在層１１８とヒートシンク本体１１０の接合界面１４０に酸化物が観察されている。これは、アルミニウム介在層１１８とヒートシンク本体１１０の接合界面１４０に余剰な液相が生じておらず、アルミニウム介在層１１８及びヒートシンク本体１１０の接合面に形成されていた酸化皮膜が残存したものと推測される。

さらに、本実施形態では、金属部材層１１７とアルミニウム介在層１１８との接合界面が、第一の実施形態のＣｕ層１３Ｂとアルミニウム介在層１８との接合界面と同様の構成とされているので、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。

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、上記実施の形態では、金属部材層として銅からなる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。

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、他の部材との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未満の場合には他の部材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、Ａｌ層とＮｉの固相拡散接合については、接合温度が４００℃以上６３０℃以下に設定されるが、その他は前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。

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他の部材を接合する際に、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。さらには、熱伝導率の良好なＡｇ層が形成されるので、熱を面方向に拡げて効率的に伝達することができる。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未満の場合には他の部材との接合信頼性を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、Ａｌ層とＡｇの固相拡散接合については、接合温度を４００℃以上５６０℃以下に設定されるが、その他は前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。

さらに、第一実施形態では、金属層１３を、Ａｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとを有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、図１１に示すように、金属層全体を銅又は銅合金で構成してもよい。この図１１に示すパワーモジュール２０１及びヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０においては、セラミックス基板１１の他方の面（図１１において下側）に銅板がＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法等によって接合され、銅又は銅合金からなる金属層２１３が形成されている。そして、この金属層２１３とヒートシンク３１と間に、アルミニウム介在層１８が介在している。なお、図１１に示すパワーモジュール用基板２１０においては、回路層２１２も銅又は銅合金によって構成されたものとされている。

また、第一実施形態において、回路層を純度９９質量％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、他のアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の他の金属で構成したものであってもよい。また、回路層をＡｌ層とＣｕ層の２層構造のものとしてもよい。これは、図１１に示すパワーモジュール用基板２１０でも同様である。

また、第一実施形態において、アルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４の後にヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５を実施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、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５を実施した後にアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４を実施してもよいし、アルミニウム介在層／金属層接合工程Ｓ０４とヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５とを同時に実施してもよい。

また、第一実施形態において、Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３とアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４を同時に行うこともできる。
また、第一実施形態において、Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３とアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程Ｓ０４とヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５を同時に行うこともできる。
これらの場合、接合温度は４５０℃以上５２０℃以下の範囲内とすることが好ましい。

さらに、第二実施形態において、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程Ｓ１０１を実施した後にアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程Ｓ１０２を実施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、アルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程Ｓ１０２を実施した後にヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程Ｓ１０１を実施してもよいし、ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程Ｓ１０１及びアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程Ｓ１０２を同時に実施してもよい。

また、上記実施形態では、ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程Ｓ０５及びヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程Ｓ１０１において、加熱温度を、添加元素としてＺｎを用いた場合には４００℃以上５２０℃以下の範囲内とし、Ｇｅを用いた場合には４５０℃以上５２０℃以下の範囲内としたが、Ｍｇを用いる場合には４７０℃以上５２０℃以下の範囲内とすることが好ましい。

さらに、上記実施形態では、添加元素としてＺｎを用いた場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上であるＺｎ濃化層４５の厚さが２０μｍ以下、添加元素としてＧｅを用いた場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上であるＧｅ濃化層１４５の厚さが２０μｍ以下、とされたものとして説明したが、添加元素としてＭｇを用いた場合には、Ｍｇ濃度が２４質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下となっていることが好ましい。
なお、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちの２種類以上を添加元素として用いた場合には、それぞれの添加元素の濃化層の厚さがそれぞれ２０μｍ以下となっていればよい。例えば、添加元素としてＺｎとＧｅを用いた場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上であるＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下、かつ、Ｇｅ濃度が３７質量％以上であるＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされていればよい。

さらに、上記実施形態では、添加元素としてＺｎを用いた場合には、添加元素であるＺｎの濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層４３の厚さｔ１が５０μｍ以上とされており、添加元素としてＧｅを用いた場合には、添加元素であるＧｅの濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層１４３の厚さｔ１が５０μｍ以上とされたものとして説明したが、添加元素としてＭｇを用いた場合には、添加元素であるＭｇの濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さｔ１が５０μｍ以上とされていることが好ましい。
なお、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちの２種類以上を添加元素として用いた場合には、そのうちの１種の添加元素の濃度が０．３質量％以上となった領域が前述の添加元素拡散層となる。

また、第一実施形態においては、図２に示すように、添加元素（Ｚｎ）が、アルミニウム介在層側及びヒートシンク側に同等に拡散して添加元素拡散層４３が形成されているように記載されているが、これに限定されることはなく、アルミニウム介在層側とヒートシンク側とで添加元素（Ｚｎ）が不均一に拡散して添加元素拡散層４３が形成されていてもよい。
同様に、第二実施形態においては、図７に示すように、添加元素（Ｇｅ）が、アルミニウム介在層側及びヒートシンク本体側に同等に拡散して添加元素拡散層１４３が形成されているように記載されているが、これに限定されることはなく、アルミニウム介在層側とヒートシンク本体側とで添加元素（Ｇｅ）が不均一に拡散して添加元素拡散層１４３が形成されていてもよい。

（実施例１）
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。
表１に示すアルミニウム合金板（５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）及び金属板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。また、純度９９質量％の４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム介在層（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ）を準備した。

本発明例１−５においては、表１の金属板とアルミニウム介在層を、それぞれ表１に示す条件で固相拡散接合した。また、表１に示す添加元素を用いて、アルミニウム合金板とアルミニウム介在層を過渡液相接合法によって接合した。
なお、比較例１−３においては、金属板とアルミニウム合金板との間にアルミニウム介在層を介在させずに、金属板とアルミニウム合金板とを直接固相拡散接合した。

このようにして製造された接合体において、積層方向の熱抵抗を、以下のようにして評価した。
ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を金属板の表面に半田付けし、アルミニウム合金板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。なお、アルミニウム介在層を介在させずにアルミニウム合金板と銅板とを直接拡散接合した比較例１を基準として１とし、この比較例１との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表１に示す。

金属板（銅板）とアルミニウム合金板とを直接固相拡散接合した比較例１においては、本発明例１〜４と比べ熱抵抗が大きくなっていることが確認される。また、金属板としてニッケルを用いた比較例２と本発明例４を比べると、比較例２の熱抵抗が大きくなっていることが確認される。同様に金属板として銀を用いた比較例３と本発明例５を比べると比較例３の熱抵抗が大きくなっていることが確認される。これは、カーケンダルボイドが形成されたためと推測される。
これに対して、金属板とアルミニウム合金板との間に純度９９質量％以上の２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム介在層を介在させた本発明例においては、比較例に比べて熱抵抗が小さくなっていることが確認される。アルミニウム介在層を介在させることにより、カーケンダルボイドの形成が抑制されたためと推測される。

（実施例２）
表２に示すアルミニウム合金板（５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）及び無酸素銅からなる金属板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を準備した。また、純度９９質量％の２Ｎアルミニウムからなるアルミニウム介在層（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍ）を準備した。

本発明例１１−２０及び比較例１１、１２においては、無酸素銅からなる金属板とアルミニウム介在層を、表２の条件で固相拡散接合した。また、表２に示す添加元素を用いて、アルミニウム合金板とアルミニウム介在層を過渡液相接合法によって接合した。
このようにして製造された接合体において、添加元素拡散層、Ｚｎ濃化層、Ｍｇ濃化層及びＧｅ濃化層の厚さ、冷熱サイクル後の接合率（アルミニウム合金板とアルミニウム介在層の界面）を、以下のようにして評価した。

（添加元素拡散層の厚さ）
接合体の断面を、電子線マイクロプローブアナライザ（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ型）を用い、加速電圧：１５ｋＶ、電流量：５０ｎＡ、測定間隔：１μｍ／点、積算回数：１０回の条件で、積層方向にライン分析を行った。ライン分析の結果から、添加元素の濃度が０．３質量％以上である部分の長さを求めた。ライン分析は５ヶ所測定し、その平均の長さを添加元素拡散層の厚さとした。評価結果を表３に示す。

（Ｚｎ濃化層、Ｍｇ濃化層及びＧｅ濃化層の厚さ）
接合体の断面を、電子線マイクロプローブアナライザ（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ型）を用い、加速電圧：１５ｋＶ、電流量：５０ｎＡ、測定間隔：１μｍ／点、積算回数：１０回の条件で、積層方向にライン分析を行った。ライン分析の結果から、添加元素の濃度が一定以上（Ｚｎ：６６質量％以上、Ｇｅ：３７質量％以上、Ｍｇ：２４質量％以上）である部分の長さを求めた。ライン分析は５ヶ所測定し、その平均の長さをＺｎ濃化層、Ｍｇ濃化層及びＧｅ濃化層の厚さとした。評価結果を表３に示す。

（冷熱サイクル後の接合率）
上述の接合体を用いて、下記の条件で冷熱サイクルを３０００回繰り返した。
評価装置：エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１
液相：フロリナート
温度条件：−４０℃×５分 ←→ １７５℃×５分

冷熱サイクル負荷後の接合体において、アルミニウム合金板とアルミニウム介在層との接合界面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、すなわちアルミニウム板の面積とした。超音波探傷像において剥離は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。評価結果を表３に示す。
接合率（％）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００

添加元素の配設量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２未満された比較例１１においては、添加元素拡散層の厚さが５０μｍ未満と薄く、冷熱サイクル後のアルミニウム合金板とアルミニウム介在層との接合界面の接合率が４８．２％と低くなっていることが確認される。
また、添加元素の配設量が３６ｍｇ／ｃｍ^２を超える比較例１２−１４においては、添加元素であるＺｎ濃化層、Ｍｇ濃化層又はＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ超えとなり厚くなっていることが確認される。

これに対して、添加元素の配設量が０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とされた本発明例１１−２０においては、冷熱サイクル後のアルミニウム合金板とアルミニウム介在層との接合界面の接合率が９１．４％以上と高く、かつ、添加元素であるＺｎ濃化層、Ｍｇ濃化層又はＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下と薄くなっていることが確認された。

１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１３，２１３ 金属層
１３Ｂ Ｃｕ層（金属部材）
１８ アルミニウム介在層
３１ ヒートシンク（アルミニウム合金部材）
４５ Ｚｎ濃化層
１０１ ヒートシンク
１１０ ヒートシンク本体（アルミニウム合金部材）
１１７ 金属部材層
１１８ アルミニウム介在層
１４５ Ｇｅ濃化層

Claims (9)

1. 銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体の製造方法であって、
   前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
   前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とを接合するアルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材固相拡散接合工程と、を備えており、
   前記アルミニウム合金部材／アルミニウム介在層接合工程は、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層との間に、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設する添加元素配設工程と、配設した前記添加元素を介して前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層と積層して積層方向に加圧するとともに加熱し、配設した前記添加元素を前記アルミニウム合金部材側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記アルミニウム合金部材側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有していることを特徴とする接合体の製造方法。
2. 前記添加元素配設工程では、前記添加元素がＺｎの場合には、配設するＺｎ量を２ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内、前記添加元素がＭｇの場合には、配設するＭｇ量を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上９ｍｇ／ｃｍ^２以下、前記添加元素がＧｅの場合には、配設するＧｅ量を４ｍｇ／ｃｍ^２以上２７ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
3. 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、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
   前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
   前記金属層のうち前記アルミニウム介在層との接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記アルミニウム介在層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
   前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とを接合するヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属層固相拡散接合工程と、を備えており、
   前記ヒートシンク／アルミニウム介在層接合工程は、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層との間に、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設する添加元素配設工程と、配設した前記添加元素を介して前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層と積層して積層方向に加圧するとともに加熱し、配設した前記添加元素を前記ヒートシンク側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記ヒートシンク側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有す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の製造方法。
4. 前記添加元素配設工程では、前記添加元素がＺｎの場合には、配設するＺｎ量を２ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内、前記添加元素がＭｇの場合には、配設するＭｇ量を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上９ｍｇ／ｃｍ^２以下、前記添加元素がＧｅの場合には、配設するＧｅ量を４ｍｇ／ｃｍ^２以上２７ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とす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の製造方法。
5. ヒートシンク本体と、前記金属部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、
   前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
   前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
   前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とを接合するヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程と、前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とを固相拡散接合するアルミニウム介在層／金属部材層固相拡散接合工程と、を備えており、
   前記ヒートシンク本体／アルミニウム介在層接合工程は、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との間に、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で配設する添加元素配設工程と、配設した前記添加元素を介して前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層と積層して積層方向に加圧するとともに加熱し、配設した前記添加元素を前記ヒートシンク本体側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中の前記添加元素をさらに前記ヒートシンク本体側及び前記アルミニウム介在層側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させる凝固工程と、を有することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
6. 前記添加元素配設工程では、前記添加元素がＺｎの場合には、配設するＺｎ量を２ｍｇ／ｃｍ^２以上３６ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内、前記添加元素がＭｇの場合には、配設するＭｇ量を０．５ｍｇ／ｃｍ^２以上９ｍｇ／ｃｍ^２以下、前記添加元素がＧｅの場合には、配設するＧｅ量を４ｍｇ／ｃｍ^２以上２７ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内とすることを特徴とする請求項５に記載のヒートシンクの製造方法。
7. 銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、固相線温度が前記金属部材を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、が接合されてなる接合体であって、
   前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
   前記アルミニウム介在層と前記金属部材とが固相拡散接合されており、
   前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、
   前記アルミニウム合金部材と前記アルミニウム介在層の接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされるとともに、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされていることを特徴とする接合体。
8. 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、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
   前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
   前記金属層のうち前記アルミニウム介在層との接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記アルミニウム介在層との接合面は、固相線温度が前記金属層の前記接合面を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
   前記アルミニウム介在層と前記金属層とが固相拡散接合されており、
   前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、
   前記ヒートシンクと前記アルミニウム介在層の接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされるとともに、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされてい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。
9. ヒートシンク本体と、前記金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、
   前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との間に、純度が９９質量％以上のアルミニウムからなるアルミニウム介在層が配設されており、
   前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、固相線温度が前記金属部材層を構成する金属元素とアルミニウムとの共晶温度未満とされたアルミニウム合金で構成されており、
   前記アルミニウム介在層と前記金属部材層とが固相拡散接合されており、
   前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層とは、Ｚｎ、Ｍｇ及びＧｅのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を拡散させることによって接合されており、前記ヒートシンク本体と前記アルミニウム介在層との接合界面においては、前記添加元素の濃度が０．３質量％以上の添加元素拡散層の厚さが５０μｍ以上とされるとともに、前記添加元素がＺｎを含む場合には、Ｚｎ濃度が６６質量％以上のＺｎ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＭｇを含む場合には、Ｍｇ濃度が３７質量％以上のＭｇ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされ、前記添加元素がＧｅを含む場合には、Ｇｅ濃度が３７質量％以上のＧｅ濃化層の厚さが２０μｍ以下とされていることを特徴とするヒートシンク。

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