JP2016143831A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できる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】絶縁層と回路層と金属層１３とヒートシンク３１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、金属層１３のうちヒートシンク３１との接合面、及び、ヒートシンク３１のうち金属層１３との接合面は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、金属層１３とヒートシンク３１とは、銅又は銅合金からなる接合材を介して固相拡散接合によって接合されており、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面には、ＡｌとＣｕとの金属間化合物を有する拡散接合層４０が形成されており、この拡散接合層４０においては、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層４２の厚さｔ１が３０μｍ以下とされている。【選択図】図３

Description

この発明は、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、この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、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。

一般に、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、このようなパワー半導体素子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形成された回路層と、セラミックス基板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が、従来から広く用いられている。
また、搭載した半導体素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が提供されている。

例えば、特許文献１には、パワーモジュール用基板の回路層及び金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されるとともに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、金属層とヒートシンクとを、はんだ付けまたはろう付けにより接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。

また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウムからなる回路層及び金属層が形成され、金属層とヒートシンクとの間に銅板が配置され、金属層と銅板、銅板とヒートシンクがそれぞれはんだ付けされたヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。

さらに、特許文献３には、パワーモジュール用基板の回路層及び金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されるとともに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たヒートシンク付パワーモジュール用基板において、金属層とヒートシンクとの間に、銅又は銅合金で構成された接合材を介在させ、金属層と接合材及び接合材とヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合したものが開示されている。

特開２００８−０１６８１３号公報 特開２００７−２５０６３８号公報 特開２０１４−０６０２１５号公報

ところで、最近では、パワー半導体素子等の高出力化が進められており、これを搭載するヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して厳しいヒートサイクルが負荷されることになり、従来にも増して、ヒートサイクルに対する接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板が要求されている。

ここで、特許文献１に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板において、金属層とヒートシンクとをはんだ付けした場合には、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下してしまい、熱抵抗が上昇するといった問題があった。また、金属層とヒートシンクとをろう付けした場合には、ヒートサイクル負荷時に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがあった。

特許文献２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層と銅板、銅板とヒートシンクがそれぞれはんだ付けされているので、やはり、ヒートサイクル負荷時に、はんだにクラックが生じて接合率が低下してしまい、熱抵抗が上昇するといった問題があった。

特許文献３に示す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の間に、銅又は銅合金で構成された接合材を介在させ、金属層と接合材及び接合材とヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合しており、金属層とヒートシンクとの接合界面に、銅又は銅合金からなる接合材が残存している。
金属層とヒートシンクとの接合界面においては、金属層及びヒートシンク側の領域では、Ａｌ原子の存在比率が高いため、図１の状態図に示すように、アルミニウムの含有量が多いθ相（ＣｕＡｌ_２）等の金属間化合物相が形成される。一方、銅又は銅合金からなる接合材の近傍領域では、Ｃｕ原子の存在比率が高く、銅の含有量が多いγ_２相（Ｃｕ_９Ａｌ_２）、δ相（Ｃｕ_３Ａｌ_２）、ζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）、η_２相（ＣｕＡｌ）等の金属間化合物相が形成される。なお、上述のθ相は比較的脆弱な相であり、η_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）は硬度が高い相である。

上述の金属間化合物相は、ＡｌとＣｕの存在比率に応じて形成されることから、金属層及びヒートシンク側の領域に形成されたθ相（ＣｕＡｌ_２）に隣接するように、η_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）が形成されることになる。脆弱なθ相に隣接するように硬度の高いη_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）が厚く形成された場合には、ヒートサイクルが負荷された際に、脆弱なθ相にクラックが入りやすくなる。
このため、特許文献３に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、厳しいヒートサイクルを負荷した際に、金属間化合物相にクラックが生じて接合率が低下してしまい、熱抵抗が上昇するおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、この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、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の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、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、前記金属層と前記ヒートシンクとは、銅又は銅合金からなる接合材を介して固相拡散接合によって接合されており、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面には、ＡｌとＣｕとの金属間化合物を有する拡散接合層が形成されており、この拡散接合層においては、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層の厚さが３０μｍ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おいては、前記金属層と前記ヒートシンクとが、銅又は銅合金からなる接合材を介して固相拡散接合によって接合されており、前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、ＡｌとＣｕとの金属間化合物を有する拡散接合層が形成されており、この拡散接合層においては、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層の厚さが３０μｍ以下とされているので、金属層とヒートシンクとの接合界面において、Ｃｕ原子の存在比率が高い領域が薄く、前記金属層と前記ヒートシンク側に形成された比較的脆いθ相に隣接するように硬い金属間化合物相が厚く形成されておらず、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても、金属間化合物相にクラックが形成されることを抑制できる。これにより、ヒートサイクルに対する接合信頼性を向上させることが可能となる。

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においては、前記拡散接合層の厚さが３μｍ以上１１０μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に形成されたＡｌとＣｕとの金属間化合物を有する拡散接合層の厚さが３μｍ以上１１０μｍ以下の範囲内とされているので、金属層とヒートシンクとが確実に接合されており、その接合強度を確保することができる。また、拡散接合層の厚さが必要以上に厚く形成されていないので、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても、この拡散接合層にクラックが発生することを抑制できる。

本発明のパワーモジュールは、上記のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層のうち前記絶縁層とは反対側の面に接合された半導体素子と、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によれば、上述したヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えているので、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合率が低下することを抑制でき、熱抵抗の上昇が抑制される。このため、半導体素子から発生する熱をヒートシンク側へと効率的に放散す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、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、前記金属層と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程を有し、このヒートシンク接合工程においては、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に銅又は銅合金からなる接合材を介して固相拡散接合する構成とされており、前記接合材の厚さが１μｍ以上５０μｍ未満の範囲内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の製造方法によれば、前記金属層と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程において、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に、銅又は銅合金からなる接合材を介して固相拡散接合する構成とされており、この接合材の厚さが５０μｍ未満とされているので、固相拡散接合した際に接合材中のＣｕ原子が金属層の接合面及びヒートシンクの接合面側に十分に拡散されることにより、前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面にＣｕ原子の存在比率が高い領域が薄くなり、η_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）等のＣｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層が厚く形成されることを抑制できる。
一方、銅又は銅合金からなる接合材の厚さが１μｍ以上とされているので、金属層の接合面のＡｌ原子及びヒートシンクの接合面のＡｌ原子と固相拡散するＣｕ原子を確保することができ、前記金属層と前記ヒートシンクとを確実に固相拡散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、前記ヒートシンク接合工程では、前記金属層と前記ヒートシンクとを前記接合材を介して積層し、積層方向に０．２９ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満の保持温度で０．１時間以上４時間以下保持することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することが好ましい。
この場合、積層方向に０．２９ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満の保持温度で０．１時間以上４時間以下保持するとした固相拡散接合条件を採用しているので、前記金属層と前記ヒートシンクとを確実に接合することができるとともに、接合材のＣｕ原子を十分に拡散させることにより、η_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）等のＣｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層が厚く形成されることを確実に抑制できる。

本発明によれば、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても金属間化合物相や拡散接合層にクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、この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、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。

ＣｕとＡｌの２元状態図である。 本発明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及びパワーモジュールの概略説明図である。 図２に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとの接合界面の模式図である。 本発明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ヒートシンク付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。 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及び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であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール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２に、本発明の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及びパワーモジュール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２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。
ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。

また、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。
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、図２に示すように、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成された放熱板とされている。本実施形態では、ヒートシンク３１は、Ａ６０６３の圧延板で構成されており、その厚さが１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されている。

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２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）で構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

回路層１２は、図５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を構成するアルミニウム板２２として、純度９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウムの圧延板が用いられている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図２において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層１２（アルミニウム板２２）の厚さは０．１ｍｍ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５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２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３を構成するアルミニウム板２３として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板が用いられている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）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２．０ｍｍに設定されている。

そして、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においては、ヒートシンク３１と金属層１３とが、銅又は銅合金からなる接合材５０（図５参照）を介して固相拡散接合によって接合されている。
ここで、図２及び図３に示すように、ヒートシンク３１と金属層１３との接合界面には、接合材５０のＣｕ原子とヒートシンク３１及び金属層１３のＡｌ原子とが固相拡散することにより、ＡｌとＣｕの金属間化合物を有する拡散接合層４０が形成されている。本実施形態においては、この拡散接合層４０の厚さｔ_０が３μｍ以上１１０μｍ以下の範囲内とされている。

この拡散接合層４０においては、図３に示すように、Ａｌ原子とＣｕ原子との存在比率に応じて複数の組成の金属間化合物が積層するように構成されている。本実施形態では、金属層１３側及びヒートシンク３１側には、θ相等のＡｌ原子の存在比率が高い相が形成され、拡散接合層４０の厚さ中央部にＣｕ原子の存在比率が高い相が形成されている。
そして、本実施形態においては、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層４２の厚さｔ_１が３０μｍ以下とされている。

次に、上述した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４及び図５を参照して説明する。

（アルミニウム板接合工程Ｓ０１）
まず。図５に示すように、回路層１２となるアルミニウム板２２及び金属層１３となるアルミニウム板２３と、セラミックス基板１１とを接合する。本実施形態では、２Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板２２及び４Ｎアルミニウムの圧延板からなるアルミニウム板２３とＡｌＮからなるセラミックス基板１１とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材２４によって接合する。

このアルミニウム板接合工程Ｓ０１においては、まず、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、それぞれＡｌ−Ｓｉ系ろう材２４を介してアルミニウム板２２、アルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板積層工程Ｓ１１）。
次に、積層したセラミックス基板１１、アルミニウム板２２、アルミニウム板２３を積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して、６００℃以上６５０℃以下、０．５時間以上３時間以下保持することにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２，アルミニウム板２３との間に溶融金属領域を形成する（加熱工程Ｓ１２）。
その後、冷却することによって溶融金属領域を凝固させる（凝固工程Ｓ１３）。このようにして、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合し、回路層１２及び金属層１３を形成する。これにより、本実施形態における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Ｓ０２）
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面（セラミックス基板１１との接合面とは反対側の面）にヒートシンク３１を接合する。
このヒートシンク接合工程Ｓ０２においては、まず、図５に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方の面側に、銅又は銅合金からなる接合材５０と、ヒートシンク３１とを、順に積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ２１）。
ここで、接合材５０の厚さが、１μｍ以上５０μｍ未満に設定されている。本実施形態では、接合材５０として、無酸素銅からなる銅箔（厚さ１０μｍ）を用いている。

そして、このパワーモジュール用基板１０と接合材５０とヒートシンク３１の積層体を、積層方向に０．２９ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、真空加熱炉の中に装入する。そして、４００℃以上５４８℃未満の温度で、０．１時間以上４時間以下保持して固相拡散接合を行う（固相拡散接合工程Ｓ２２）。なお、固相拡散接合時の望ましい温度範囲は、ＡｌとＣｕとの共晶温度である５４８℃（共晶温度含まず）から共晶温度−５℃の範囲である。
なお、本実施形態においては、金属層１３と接合材５０、ヒートシンク３１と接合材５０と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。
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Ｓ０３）
次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図２に示すパワーモジュール１が製出される。

以上のような構成とされた本実施形態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、アルミニウム又はアルミニウム合金（本実施形態では２Ｎアルミニウム及び４Ｎアルミニウム）で構成された金属層１３とヒートシンク３１とが、銅又は銅合金（本実施形態では無酸素銅）で構成された接合材５０を介して固相拡散接合によって接合されており、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面に、ＡｌとＣｕとの金属間化合物を有する拡散接合層４０が形成されており、この拡散接合層４０においては、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層４２の厚さｔ_１が３０μｍ以下とされているので、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面において、Ｃｕ原子の存在比率が高い領域が薄く、比較的脆い相であるθ相に隣接するように、硬度の高い相であるη_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）等の金属間化合物相が厚く形成されず、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても、金属間化合物相にクラックが形成されることを抑制できる。
なお、ヒートサイクルを負荷した際に、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面にクラックが形成されることを確実に抑制するためには、拡散接合層４０におけるＣｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層４２の厚さｔ_１を１５μｍ以下とすることが好ましく、５μｍ以下とすることがさらに好ましい。

さらに、本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１との間に形成されたＡｌとＣｕとの金属間化合物を有する拡散接合層４０の厚さｔ_０が３μｍ以上とされているので、金属層１３とヒートシンク３１とが確実に接合されており、これらの接合強度を確保することができる。
一方、拡散接合層４０の厚さｔ_０が１１０μｍ以下とされているので、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても、この拡散接合層４０にクラックが発生することを抑制できる。

以上のことから、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によれば、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面において、金属間化合物相や拡散接合層にクラック等が生じることを抑制でき、優れた接合信頼性を得ることが可能となる。

また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、上記のヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を備えているので、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との間の接合率が低下することを抑制でき、熱抵抗の上昇が抑制される。このため、半導体素子３から発生する熱をヒートシンク３１側へと効率的に放散することが可能となる。

さらに、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の製造方法によれば、金属層１３とヒートシンク３１とを接合するヒートシンク接合工程Ｓ０２において、金属層１３とヒートシンク３１との間に、銅又は銅合金（本実施形態では無酸素銅）からなる接合材５０を介して固相拡散接合する構成とされており、この接合材５０の厚さが５０μｍ未満とされているので、固相拡散接合した際に接合材５０中のＣｕ原子を金属層１３側及びヒートシンク３１側に十分に拡散させることにより、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面にＣｕ原子の存在比率が高い領域が厚く形成されず、η_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）等のＣｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層４２が厚く形成されることを抑制できる。
一方、銅又は銅合金（本実施形態では無酸素銅）からなる接合材５０の厚さが１μｍ以上とされているので、金属層１３のＡｌ原子及びヒートシンク３１のＡｌ原子と固相拡散するＣｕ原子を確保することができ、金属層１３とヒートシンク３１とを固相拡散接合によって確実に接合することができる。

なお、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層４２の厚さをさらに薄くするためには、接合材５０の厚さの上限を３０μｍ以下とすることが好ましく、１５μｍ以下とすることがさらに好ましい。
また、金属層１３とヒートシンク３１とを固相拡散接合によって確実に接合して、これらの接合強度をさらに向上させるためには、接合材５０の厚さの下限を５μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上とすることがさらに好ましい。

また、本実施形態では、ヒートシンク接合工程Ｓ０２において、金属層１３とヒートシンク３１とを接合材５０を介して積層し、積層方向に０．２９ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満の保持温度で０．１時間以上４時間以下保持することにより、金属層１３とヒートシンク３１とを固相拡散接合する構成とされているので、金属層１３とヒートシンク３１とを確実に接合することができるとともに、接合材５０のＣｕ原子を十分に拡散させることができ、金属層１３とヒートシンク３１との接合界面に、η_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）等のＣｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層４２が厚く形成されることを確実に抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層及び金属層を構成するアルミニウム板を、純度が９９ｍａｓｓ％以上の２Ｎアルミニウム及び純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムで構成され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であってもよい。
また、本実施形態では、ヒートシンクをＡ６０６３で構成され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であってもよい。

また、本実施形態では、金属層全体が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て説明したが、これに限定されることはなく、例えば図６に示すように、金属層のうちヒートシンクとの接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。この図６に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０及びパワーモジュール１０１においては、金属層１１３が、銅層１１３Ａとアルミニウム層１１３Ｂとが積層された構造とされており、セラミックス基板１１と銅層１１３Ａとが接合され、アルミニウム層１１３Ｂとヒートシンク１３１とが接合材を介して接合されており、アルミニウム層１１３Ｂ（金属層１１３）とヒートシンク１３１との接合界面に拡散接合層４０が形成されている。なお、図６においては、回路層１１２も銅層１１２Ａとアルミニウム層１１２Ｂとが積層された構造とされており、アルミニウム層１１２Ｂに半導体素子３がはんだ層２を介して接合されている。

同様に、本実施形態では、ヒートシンク全体が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て説明したが、これに限定されることはなく、例えば図７に示すように、ヒートシンクのうち金属層との接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていればよい。この図７に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０及びパワーモジュール２０１においては、ヒートシンク２３１が、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層２３１Ｂと銅又は銅合金からなるヒートシンク本体２３１Ａとが積層された構造とされており、金属層２１３とアルミニウム層２３１Ｂとが接合材を介して接合されており、金属層２１３とアルミニウム層２３１Ｂ（ヒートシンク２３１）との接合界面に拡散接合層４０が形成されている。

また、本実施形態では、回路層を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て説明したが、本発明においては回路層の構造に限定はなく、適宜設計変更することができる。例えば、銅又は銅合金で構成されていてもよいし、図６に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０及びパワーモジュール１０１のように、回路層１１２が銅層１１２Ａとアルミニウム層１１２Ｂとの積層構造とされていてもよい。

さらに、本実施形態においては、接合材を無酸素銅で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されていてもよい。
また、本実施形態においては、接合材として銅箔を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、めっき、蒸着、スパッタ等によって、金属層とヒートシンクとの間に接合材を介在させてもよい。

さらに、本実施形態においては、回路層及び金属層となるアルミニウム板とセラミックス基板とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、鋳造法、金属ペースト法等を用いて接合してもよい。

また、本実施形態においては、絶縁層をＡｌＮからなるセラミックス基板で構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、Ｓｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等の他のセラミックス基板を用いてもよい。
さらに、絶縁層、回路層、金属層、ヒートシンクの厚さは、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。

本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
図５のフロー図に記載した手順に従って、荷重１．２ＭＰａ、温度５３５℃、１．５時間の条件で真空加熱炉（１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下）において固相拡散接合を行い、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
なお、セラミックス基板は、ＡｌＮで構成され、４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのものを使用した。

回路層は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いてセラミックス基板に接合することによって形成した。
金属層は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いてセラミックス基板に接合することによって形成した。
ヒートシンクは、表１記載の材質で構成され、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのものを使用した。
ここで、接合材は、表１に示す組成及び厚さのものを使用した。なお、厚さが５μｍ以上のものは箔材とし、厚さは５μｍ未満のものはめっきによって成膜した。

また、従来例として次のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
回路層となる２Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とＡｌＮで構成されたセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）と金属層となる４Ｎアルミニウムの圧延板（３７ｍｍ×３７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）とを、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層し、積層方向に５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入し、６５０℃で３０分加熱することによって接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次にパワーモジュール用基板とＮｉめっきを施したヒートシンク（Ａ６０６３の圧延板、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを介して接合した。

（試験片の断面観察）
得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板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観察し、金属層とヒートシンクとの接合界面に形成された拡散接合層の厚さｔ_０、及び、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層の厚さｔ_１を測定した。
拡散接合層の厚さｔ_０は、金属層とヒートシンクとの接合界面を厚さ方向にＥＰＭＡ（日本電子社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ，加速電圧：１５ｋＶ，スポット径：１μｍ以下，倍率：５００倍，間隔：０．３μｍ）にてライン分析を行い、Ｃｕ濃度が１ａｔ％以上となる箇所を拡散接合層とみなし、厚さを測定した。
また、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層の厚さｔ_１は、金属層とヒートシンクとの接合界面を厚さ方向にＥＰＭＡ（日本電子社製ＪＸＡ−８５３０Ｆ，加速電圧：１５ｋＶ，スポット径：１μｍ以下，倍率：５００倍，間隔：０．３μｍ）にてライン分析を行い、Ａｌ／Ｃｕ（原子比）が１以上になる箇所をＣｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層とみなし、厚さを測定した。

（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、試験片（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←→１５０℃×５分のヒートサイクルを４０００回実施した。
そして、ヒートサイクル試験前の接合率、及び、ヒートサイクル試験後の接合率を評価した。

（接合率）
金属層とヒートシンクとの接合率は、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて以下の式を用いて求めた。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積（３７ｍｍ角）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）

評価結果を表１に示す。

従来例では、ヒートサイクル試験後に接合率が大きく低下した。ヒートサイクルによってはんだ層にクラックが発生したためと推測される。
また、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層の厚さｔ_１が３０μｍを超える比較例においても、ヒートサイクル試験後に接合率が大きく低下した。金属層及びヒートシンク側に形成された脆弱なθ相に隣接するように、η_２相（ＣｕＡｌ）やζ_２相（Ｃｕ_５５Ａｌ_４５）等を含む硬い相が厚く形成され、ヒートサイクルによってθ相にクラックが生じたためと推測される。

これに対して、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層の厚さｔ_１が３０μｍ以下とされた本発明例によれば、いずれもヒートサイクル試験後に接合率が大きく低下しておらず、接合信頼性に優れていることが確認された。
以上のことから、本発明によれば、厳しいヒートサイクルが負荷された場合であっても接合界面においてクラック等が生じることを抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供可能であることが確認された。

１、１０１、２０１ パワーモジュール
１０、１１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２、１１２、２１２ 回路層
１３、１１３、２１３ 金属層
３０、１３０、２３０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
３１、１３１、２３１ ヒートシンク
４０ 拡散接合層
４２ 高濃度Ｃｕ層
５０ 接合材

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、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、
   前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、
   前記金属層と前記ヒートシンクとは、銅又は銅合金からなる接合材を介して固相拡散接合によって接合されており、
   前記金属層と前記ヒートシンクとの接合界面には、ＡｌとＣｕとの金属間化合物を有する拡散接合層が形成されており、この拡散接合層においては、Ｃｕ濃度が５０ｍｏｌ％以上となる高濃度Ｃｕ層の厚さが３０μｍ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。
2. 前記拡散接合層の厚さが３μｍ以上１１０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
3. 請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層のうち前記絶縁層とは反対側の面に接合された半導体素子と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。
4. 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、
   前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面、及び、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、
   前記金属層と前記ヒートシンクとを接合するヒートシンク接合工程を有し、このヒートシンク接合工程においては、前記金属層と前記ヒートシンクとの間に銅又は銅合金からなる接合材を介して固相拡散接合する構成とされており、
   前記接合材の厚さが１μｍ以上５０μｍ未満の範囲内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の製造方法。
5. 前記ヒートシンク接合工程では、前記金属層と前記ヒートシンクとを前記接合材を介して積層し、積層方向に０．２９ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の荷重を負荷した状態で、４００℃以上５４８℃未満の保持温度で０．１時間以上４時間以下保持することにより、前記金属層と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することを特徴とする請求項４に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。

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