JP2017135373A - 接合体、パワーモジュール用基板、接合体の製造方法及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミックス部材とＣｕ部材とが良好に接合され、かつ、積層方向の熱抵抗が低い接合体、パワーモジュール用基板、及び、この接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法を提供する。【解決手段】セラミックスからなるセラミックス部材１１とＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材１２との接合体であって、セラミックス部材１１とＣｕ部材１２との接合界面には、セラミックス部材１１側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層１４と、Ｃｕ部材１２側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層１６と、第１金属間化合物層１６とＣｕ−Ｓｎ層１４との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層１７と、が形成されている。【選択図】図３
Description
この発明は、セラミックス部材とＣｕ部材とが接合された接合体、及びセラミックス基板にＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ板が接合されたパワーモジュール用基板に関するものである。
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
風力発電、電気自動車等の電気車両などを制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）などからなるセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を回路層として接合したパワーモジュール用基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板の他方の面に、金属板を金属層として接合することもある。
例えば、特許文献１に示すパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板（セラミックス部材）の一方の面に、Ｃｕ板（Ｃｕ部材）を接合することで回路層が形成された構造とされている。このパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に、Ｃｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介在させてＣｕ板を配置し、加熱処理を行うことによりＣｕ板が接合されている。
ところで、特許文献１に開示されたようにＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介してセラミックス基板とＣｕ板とを接合すると、セラミックス基板の近傍には、Ｃｕ、Ｍｇ、又はＴｉを含む金属間化合物が形成される。
ところで、特許文献１に開示されたようにＣｕ−Ｍｇ−Ｔｉろう材を介してセラミックス基板とＣｕ板とを接合すると、セラミックス基板の近傍には、Ｃｕ、Ｍｇ、又はＴｉを含む金属間化合物が形成される。
このセラミックス基板近傍に形成される金属間化合物は、硬いため、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発生する熱応力が大きくなり、セラミックス基板にクラックが生じ易くなる問題があった。
また、セラミックス基板と回路層を接合する際に、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物が形成されると、セラミックス基板と回路層との接合率が低下し、良好に接合することができないおそれがあった。
また、セラミックス基板と回路層を接合する際に、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物が形成されると、セラミックス基板と回路層との接合率が低下し、良好に接合することができないおそれがあった。
そこで、例えば特許文献２，３には、セラミックス基板と回路層とを、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材及びＴｉ材を用いて接合したパワーモジュール用基板が提案されている。
これら特許文献２，３に記載された発明においては、セラミックス基板側にＣｕ−Ｓｎ層が形成されており、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物層が配設されないことから、冷熱サイクルを負荷した際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減でき、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制することが可能となる。
これら特許文献２，３に記載された発明においては、セラミックス基板側にＣｕ−Ｓｎ層が形成されており、セラミックス基板の近傍に硬い金属間化合物層が配設されないことから、冷熱サイクルを負荷した際にセラミックス基板に生じる熱応力を低減でき、セラミックス基板にクラックが発生することを抑制することが可能となる。
ところで、最近では、パワーモジュール用基板に搭載される半導体素子の発熱温度が高くなる傾向にあり、パワーモジュール用基板においては、従来にも増して効率的に放熱することが求められている。
ここで、特許文献２に記載されたパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層との間にＴｉ層が形成されており、このＴｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下と比較的厚く形成されている。このため、積層方向の熱抵抗が高くなり、効率的に放熱することができなくなるおそれがあった。
また、特許文献３に記載されたパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層との間に、Ｃｕ−Ｓｎ層とＰ及びＴｉを含有する金属間化合物層が形成されているが、使用環境温度が高くなるとＰ及びＴｉを含有する金属間化合物層を起点としてクラックが生じ、接合が不十分となるおそれがあった。
ここで、特許文献２に記載されたパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層との間にＴｉ層が形成されており、このＴｉ層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下と比較的厚く形成されている。このため、積層方向の熱抵抗が高くなり、効率的に放熱することができなくなるおそれがあった。
また、特許文献３に記載されたパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層との間に、Ｃｕ−Ｓｎ層とＰ及びＴｉを含有する金属間化合物層が形成されているが、使用環境温度が高くなるとＰ及びＴｉを含有する金属間化合物層を起点としてクラックが生じ、接合が不十分となるおそれがあった。
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、セラミックス部材とＣｕ部材とが良好に接合され、かつ、積層方向の熱抵抗が低く効率的に放熱することが可能な接合体、パワーモジュール用基板、及び、この接合体の製造方法、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。
前述の課題を解決するために、本発明の接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材とＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材との接合体であって、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、前記セラミックス部材側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記Ｃｕ部材側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、が形成されていることを特徴としている。
本発明の接合体によれば、前記Ｃｕ部材側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層が形成されているので、Ｃｕ部材と第２金属間化合物層とを確実に接合することができ、使用環境温度が高くなってもＣｕ部材とセラミックス部材との接合強度を確保することができる。また、Ｔｉ層が形成されていない、もしくは非常に薄いので、積層方向における熱抵抗を低く抑えることができ、効率的に放熱することができる。
ここで、本発明の接合体においては、前記第１金属間化合物層と前記第２金属間化合物層との間にＴｉ層が形成されており、このＴｉ層の厚さが０．５μｍ以下とされていてもよい。
この場合、前記第１金属間化合物層と前記第２金属間化合物層との間にＴｉ層が形成されているが、このＴｉ層の厚さが０．５μｍ以下とされているので、積層方向における熱抵抗を低く抑えることができ、効率的に放熱することができる。
この場合、前記第１金属間化合物層と前記第２金属間化合物層との間にＴｉ層が形成されているが、このＴｉ層の厚さが０．５μｍ以下とされているので、積層方向における熱抵抗を低く抑えることができ、効率的に放熱することができる。
また、本発明の接合体においては、前記第１金属間化合物層の厚さが０．２μｍ以上６μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層の厚さが０．２μｍ以上とされているので、Ｃｕ部材とセラミックス部材との接合強度を確実に向上させることができる。一方、第１金属間化合物層の厚さが６μｍ以下とされているので、第１金属間化合物層における割れの発生を抑制することができる。
この場合、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層の厚さが０．２μｍ以上とされているので、Ｃｕ部材とセラミックス部材との接合強度を確実に向上させることができる。一方、第１金属間化合物層の厚さが６μｍ以下とされているので、第１金属間化合物層における割れの発生を抑制することができる。
さらに、本発明の接合体においては、前記第２金属間化合物層の厚さが０．５μｍ以上４μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層の厚さが０．５μｍ以上とされているので、Ｃｕ部材とセラミックス部材との接合強度を確実に向上させることができる。一方、第２金属間化合物層の厚さが４μｍ以下とされているので、第２金属間化合物層における割れの発生を抑制することができる。
この場合、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層の厚さが０．５μｍ以上とされているので、Ｃｕ部材とセラミックス部材との接合強度を確実に向上させることができる。一方、第２金属間化合物層の厚さが４μｍ以下とされているので、第２金属間化合物層における割れの発生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は、上述の接合体からなり、前記セラミックス部材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前記Ｃｕ部材からなる回路層と、を備え、前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記回路層側に位置し、ＣｕとＴｉを有する第１金属間化合物層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、が形成されていることを特徴としている。
本発明のパワーモジュール用基板によれば、前記回路層側にＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層が形成されているので、回路層と第２金属間化合物層とを確実に接合することができ、使用環境温度が高くなっても回路層とセラミックス基板との接合強度を確保することができる。また、Ｔｉ層が形成されていない、あるいは、Ｔｉ層が形成されていてもその厚さが０．５μｍ以下と薄いので、積層方向における熱抵抗を低く抑えることができ、回路層上に搭載された半導体素子からの熱を効率的に放熱することができる。
ここで、上述の本発明のパワーモジュール用基板においては、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層が形成されていてもよい。
この場合、セラミックス基板の他方の面に、比較的変形抵抗の小さなＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層が形成されているので、パワーモジュール用基板に応力が負荷された場合に金属層が優先的に変形し、セラミックス基板に作用する応力を低減することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
この場合、セラミックス基板の他方の面に、比較的変形抵抗の小さなＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層が形成されているので、パワーモジュール用基板に応力が負荷された場合に金属層が優先的に変形し、セラミックス基板に作用する応力を低減することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
また、本発明のパワーモジュール用基板は、上述の接合体からなり、前記セラミックス部材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、前記セラミックス基板の他方の面に形成された前記Ｃｕ部材からなる金属層と、を備え、前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記金属層側に位置し、ＣｕとＴｉを有する第１金属間化合物層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、が形成されていることを特徴としている。
本発明のパワーモジュール用基板によれば、前記金属層側にＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層が形成されているので、金属層と第２金属間化合物層とを確実に接合することができ、使用環境温度が高くなっても金属層とセラミックス基板との接合強度を確保することができる。また、Ｔｉ層が形成されていない、あるいは、Ｔｉ層が形成されていてもその厚さが０．５μｍ以下と薄いので、積層方向における熱抵抗を低く抑えることができ、回路層上に搭載された半導体素子からの熱を効率的に放熱することができる。
本発明の接合体の製造方法は、セラミックスからなるセラミックス部材とＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材との接合体の製造方法であって、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材とＴｉ材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、積層された状態で前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度未満の温度で加熱し、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材とを反応させてＣｕとＴｉを有する第１金属間化合物層を形成する第１加熱処理工程と、前記第１加熱処理工程後に、前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層とを形成する第２加熱処理工程と、を備えていることを特徴としている。
この構成の接合体の製造方法によれば、積層された状態で前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度未満の温度で加熱し、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材とを反応させてＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層を形成する第１加熱処理工程を備えているので、第１金属間化合物層を確実に形成して、Ｃｕ部材とＴｉ材とを確実に接合することができる。なお、この第１加熱処理工程ではＴｉ材の一部を残存させる。
さらに、前記第１加熱処理工程後に、前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層とを形成する第２加熱処理工程を備えているので、Ｔｉ材のＴｉをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材と反応させることで、第２金属間化合物層を形成でき、Ｃｕ部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。なお、この第２加熱処理工程では、Ｔｉ材のすべてを反応させてもよいし、一部を残存させて厚さ０．５μｍ以下のＴｉ層を形成してもよい。
さらに、前記第１加熱処理工程後に、前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層とを形成する第２加熱処理工程を備えているので、Ｔｉ材のＴｉをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材と反応させることで、第２金属間化合物層を形成でき、Ｃｕ部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。なお、この第２加熱処理工程では、Ｔｉ材のすべてを反応させてもよいし、一部を残存させて厚さ０．５μｍ以下のＴｉ層を形成してもよい。
ここで、上述の本発明の接合体の製造方法においては、前記第１加熱処理工程における加熱温度が５８０℃以上６７０℃以下の範囲内、加熱時間が３０分以上２４０分以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、加熱温度が５８０℃以上及び加熱時間が３０分以上とされているので、前記第１金属間化合物層を確実に形成することができる。一方、加熱温度が６７０℃以下及び加熱時間が２４０分以下とされているので、前記第１金属間化合物層が必要以上に厚く形成されることがなく、第１金属間化合物層における割れの発生を抑制することができる。
この場合、加熱温度が５８０℃以上及び加熱時間が３０分以上とされているので、前記第１金属間化合物層を確実に形成することができる。一方、加熱温度が６７０℃以下及び加熱時間が２４０分以下とされているので、前記第１金属間化合物層が必要以上に厚く形成されることがなく、第１金属間化合物層における割れの発生を抑制することができる。
また、本発明の接合体の製造方法は、セラミックスからなるセラミックス部材とＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材との接合体の製造方法であって、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材とを積層した状態で加熱してＣｕとＴｉを拡散させ、Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材との間にＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層を形成するＣｕＴｉ拡散工程と、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介して、前記セラミックス部材と、前記第１金属間化合物層が形成された前記Ｔｉ材及び前記Ｃｕ部材と、を積層する積層工程と、前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層とを形成する加熱処理工程と、を備えていることを特徴としている。
この構成の接合体の製造方法によれば、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材とを積層した状態で加熱してＣｕとＴｉを拡散させ、Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材との間にＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層を形成するＣｕＴｉ拡散工程を備えているので、第１金属間化合物層を確実に形成することができる。なお、このＣｕＴｉ拡散工程ではＴｉ材の一部を残存させる。
また、ＣｕＴｉ拡散工程では、ろう材を積層することなくＣｕ部材とＴｉ材を積層して加熱しているので、加熱条件を比較的自由に設定することができ、第１金属間化合物層を確実に形成することができるとともに、残存させるＴｉ材の厚さを精度良く調整することができる。
さらに、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介して、前記セラミックス部材と、前記第１金属間化合物層が形成された前記Ｔｉ材及び前記Ｃｕ部材と、を積層する積層工程、前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層とを形成する加熱処理工程を備えているので、Ｔｉ材のＴｉをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材と反応させることで、第２金属間化合物層を形成でき、Ｃｕ部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。なお、この第２加熱処理工程では、Ｔｉ材のすべてを反応させてもよいし、一部を残存させて厚さ０．５μｍ以下のＴｉ層を形成してもよい。
また、ＣｕＴｉ拡散工程では、ろう材を積層することなくＣｕ部材とＴｉ材を積層して加熱しているので、加熱条件を比較的自由に設定することができ、第１金属間化合物層を確実に形成することができるとともに、残存させるＴｉ材の厚さを精度良く調整することができる。
さらに、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介して、前記セラミックス部材と、前記第１金属間化合物層が形成された前記Ｔｉ材及び前記Ｃｕ部材と、を積層する積層工程、前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層とを形成する加熱処理工程を備えているので、Ｔｉ材のＴｉをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材と反応させることで、第２金属間化合物層を形成でき、Ｃｕ部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。なお、この第２加熱処理工程では、Ｔｉ材のすべてを反応させてもよいし、一部を残存させて厚さ０．５μｍ以下のＴｉ層を形成してもよい。
ここで、上述の本発明の接合体の製造方法においては、前記ＣｕＴｉ拡散工程における加熱温度が６００℃以上６７０℃以下の範囲内、加熱時間が３０分以上３６０分以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、加熱温度が６００℃以上及び加熱時間が３０分以上とされているので、前記第１金属間化合物層を確実に形成することができる。一方、加熱温度が６７０℃以下及び加熱時間が３６０分以下とされているので、前記第１金属間化合物層が必要以上に厚く形成されることがなく、第１金属間化合物層が割れの起点となることを抑制できる。
この場合、加熱温度が６００℃以上及び加熱時間が３０分以上とされているので、前記第１金属間化合物層を確実に形成することができる。一方、加熱温度が６７０℃以下及び加熱時間が３６０分以下とされているので、前記第１金属間化合物層が必要以上に厚く形成されることがなく、第１金属間化合物層が割れの起点となることを抑制できる。
また、上述の本発明の接合体の製造方法においては、前記ＣｕＴｉ拡散工程において、積層方向の荷重が０．２９４ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とされていてもよい。
この場合、荷重が ０．２９４ ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とされているので、前記第１金属間化合物層を確実に形成することができ、接合強度をさらに高くすることができる。
この場合、荷重が ０．２９４ ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とされているので、前記第１金属間化合物層を確実に形成することができ、接合強度をさらに高くすることができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記回路層を、上述の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。
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層とセラミックス基板の接合界面に、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記回路層側に位置し、ＣｕとＴｉを有する第１金属間化合物層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、を形成することができ、回路層とセラミックス基板とを確実に接合することができるとともに、積層方向の熱抵抗が低く効率的に放熱することが可能な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一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記金属層を、上述の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。
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、金属層とセラミックス基板の接合界面に、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記回路層側に位置し、ＣｕとＴｉを有する第１金属間化合物層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、を形成することができ、金属層とセラミックス基板とを確実に接合することができるとともに、積層方向の熱抵抗が低く効率的に放熱することが可能な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一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記回路層を、上述の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。
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、回路層とセラミックス基板の接合界面に、前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記回路層側に位置し、ＣｕとＴｉを有する第１金属間化合物層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、を形成することができ、回路層とセラミックス基板とを確実に接合することができるとともに、積層方向の熱抵抗が低く効率的に放熱することが可能なパワーモジュール用基板を製造することができる。
また、比較的低温でＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層とセラミックス基板とを接合できるので、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる回路層と、セラミックス基板と、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層と、を同時に接合することも可能となる。
また、比較的低温でＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層とセラミックス基板とを接合できるので、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる回路層と、セラミックス基板と、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層と、を同時に接合することも可能となる。
本発明によれば、セラミックス部材とＣｕ部材とが良好に接合され、かつ、積層方向の熱抵抗が低い接合体、パワーモジュール用基板、及び、この接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
（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。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
本実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、Ｃｕ部材であるＣｕ板２２（回路層１２）とが接合されてなるパワーモジュール用基板１０である。図１に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０を備え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）に接合層２を介して接合された半導体素子３とを備えている。
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。まず、本発明の第一実施形態について説明する。
本実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、Ｃｕ部材であるＣｕ板２２（回路層１２）とが接合されてなるパワーモジュール用基板１０である。図１に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０を備え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）に接合層２を介して接合された半導体素子３とを備えている。
パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、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とを備えている。
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、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、放熱性の優れた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。
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、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、放熱性の優れた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。
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Ｃｕ又はＣｕ合金の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、回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４と、Ｔｉ材２５が接合された無酸素銅からなるＣｕ板２２を積層して加熱処理し、セラミックス基板１１にＣｕ板２２を接合することで形成されている（図５参照）。なお、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４として、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
ここで、回路層１２においてセラミックス基板１１側は、ＳｎがＣｕ中に拡散した構造となっている。
なお、回路層１２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、０．３ｍｍに設定されている。
本実施形態において、回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４と、Ｔｉ材２５が接合された無酸素銅からなるＣｕ板２２を積層して加熱処理し、セラミックス基板１１にＣｕ板２２を接合することで形成されている（図５参照）。なお、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４として、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
ここで、回路層１２においてセラミックス基板１１側は、ＳｎがＣｕ中に拡散した構造となっている。
なお、回路層１２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、０．３ｍｍに設定されている。
図３に、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面の概略説明図を示す。セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面には、図３に示すように、セラミックス基板１１側に位置するＣｕ−Ｓｎ層１４と、回路層１２側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層１６と、第１金属間化合物層１６とＣｕ−Ｓｎ層１４との間に位置し、Ｐ及びＴｉを含有する第２金属間化合物層１７と、が形成されている。
Ｃｕ−Ｓｎ層１４は、ＳｎがＣｕ中に固溶した層である。このＣｕ−Ｓｎ層１４は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４に含まれるＰが、第２金属間化合物層１７に取り込まれることにより形成される層である。
第１金属間化合物層１６は、回路層１２のＣｕとＴｉ材２５のＴｉとが相互拡散することによって形成される層である。ここで、ＣｕとＴｉとの拡散は、固相拡散とされている。
具体的には、第１金属間化合物層１６は、Ｃｕ４Ｔｉ相、Ｃｕ３Ｔｉ２相、Ｃｕ４Ｔｉ３相、ＣｕＴｉ相、ＣｕＴｉ２相のいずれか１種以上を有する。本実施形態においては、第１金属間化合物層１６は、Ｃｕ４Ｔｉ相、Ｃｕ３Ｔｉ２相、Ｃｕ４Ｔｉ３相、ＣｕＴｉ相、ＣｕＴｉ２相を有している。
また、本実施形態においては、この第１金属間化合物層１６の厚さは、０．２μｍ以上６μｍ以下の範囲内とされている。
具体的には、第１金属間化合物層１６は、Ｃｕ４Ｔｉ相、Ｃｕ３Ｔｉ２相、Ｃｕ４Ｔｉ３相、ＣｕＴｉ相、ＣｕＴｉ２相のいずれか１種以上を有する。本実施形態においては、第１金属間化合物層１６は、Ｃｕ４Ｔｉ相、Ｃｕ３Ｔｉ２相、Ｃｕ４Ｔｉ３相、ＣｕＴｉ相、ＣｕＴｉ２相を有している。
また、本実施形態においては、この第１金属間化合物層１６の厚さは、０．２μｍ以上６μｍ以下の範囲内とされている。
第２金属間化合物層１７は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４に含まれるＰが、Ｔｉ材２５に含まれるＴｉと結合することにより形成される。本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４がＮｉを含んでいることから、この第２金属間化合物層１７は、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ相、Ｐ−Ｔｉ相、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相のいずれか１種以上を有しており、具体的には、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ相とされている。
また、本実施形態においては、この第２金属間化合物層１７の厚さは、０．５μｍ以上４μｍ以下の範囲内とされている。
また、本実施形態においては、この第２金属間化合物層１７の厚さは、０．５μｍ以上４μｍ以下の範囲内とされている。
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
接合層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。
接合層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。
以下に、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、及びパワーモジュール１の製造方法について、図４のフロー図及び図５を参照して説明する。
まず、図５に示すように、回路層１２となるＣｕ板２２とＴｉ材２５とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ｃｕ板２２とＴｉ材２５とを固相拡散接合させ、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２７を得る。（ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１）。
まず、図５に示すように、回路層１２となるＣｕ板２２とＴｉ材２５とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ｃｕ板２２とＴｉ材２５とを固相拡散接合させ、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２７を得る。（ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１）。
なお、Ｔｉ材２５の厚さは、０．４μｍ以上５μｍ以下の範囲内とされている。ここで、Ｔｉ材２５は、厚さが０．４μｍ以上１μｍ未満の場合には蒸着やスパッタによって成膜することが好ましく、厚さが１μｍ以上５μｍ以下の場合には箔材を用いることが好ましい。なお、Ｔｉ材２５の厚さの下限は０．４μｍ以上とすることが好ましく、０．５μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、Ｔｉ材２５の厚さの上限は１.５μｍ以下とすることが好ましく、０．７μｍ以下とすることがさらに好ましい。本実施形態においては、Ｔｉ材２５として、厚さ１μｍ、純度９９．８ｍａｓｓ％のＴｉ箔を用いた。
このＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１によって得られるＣｕ−Ｔｉ接合体２７においては、Ｔｉ材２５とＣｕ板２２とが固相拡散接合によって接合され、Ｃｕ板２２と中間Ｔｉ層２６の積層構造となっている。ここで、中間Ｔｉ層２６とＣｕ板２２との間には、ＣｕとＴｉを含有する中間第１金属間化合物層が形成される。このとき、Ｔｉ材２５がすべて中間第１金属間化合物層の形成に消費されず、その一部が残存する。
ここで、本実施形態では、中間Ｔｉ層２６の厚さは、０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲内とされている。なお、中間Ｔｉ層２６の厚さの下限は０．２μｍ以上とすることが好ましく、０．４μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、中間Ｔｉ層２６の厚さの上限は１.５μｍ以下とすることが好ましく、１μｍ以下とすることがさらに好ましい。
さらに、中間第１金属間化合物層の厚さは、０．１μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、中間Ｔｉ層２６の厚さは、０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲内とされている。なお、中間Ｔｉ層２６の厚さの下限は０．２μｍ以上とすることが好ましく、０．４μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、中間Ｔｉ層２６の厚さの上限は１.５μｍ以下とすることが好ましく、１μｍ以下とすることがさらに好ましい。
さらに、中間第１金属間化合物層の厚さは、０．１μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましい。
また、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１においては、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６７０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
ここで、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１において、加熱温度を６００℃以上及び加熱時間を３０分以上とすることで中間第１金属間化合物層を十分に形成することが可能となる。また、加熱温度を６７０℃以下及び加熱時間を３６０分以下とすることで中間第１金属間化合物層が必要以上に厚く形成されることを抑制できる。
ここで、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１において、加熱温度を６００℃以上及び加熱時間を３０分以上とすることで中間第１金属間化合物層を十分に形成することが可能となる。また、加熱温度を６７０℃以下及び加熱時間を３６０分以下とすることで中間第１金属間化合物層が必要以上に厚く形成されることを抑制できる。
なお、加熱温度の下限は６１０℃以上とすることが好ましく６２０℃以上とすることがさらに好ましい。加熱温度の上限は６５０℃以下とすることが好ましく６４０℃以下とすることがさらに好ましい。また、加熱時間の下限は１５分以上とすることが好ましく６０分以上とすることがさらに好ましい。加熱時間の上限は１２０分以下とすることが好ましく９０分以下とすることがさらに好ましい。
なお、Ｃｕ板２２とＴｉ材２５とをさらに強固に接合するためには、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１において、積層方向への加圧荷重を０．２９４ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下（３ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内とすることが好ましい。
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２７を順に積層する（積層工程Ｓ０２）。ここで、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２７は、中間Ｔｉ層２６とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４が対向するように積層される。
本実施形態においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４の組成は、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされており、その固相線温度（溶融開始温度）は５８０℃とされている。また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４は箔材を用い、その厚さは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされている。
本実施形態においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４の組成は、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされており、その固相線温度（溶融開始温度）は５８０℃とされている。また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４は箔材を用い、その厚さは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされている。
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２７を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ０３）。
ここで、本実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３における条件として、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７００℃以下の範囲内に、加熱時間は１５分以上１２０分以下の範囲内に設定している。
ここで、本実施形態では、加熱処理工程Ｓ０３における条件として、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７００℃以下の範囲内に、加熱時間は１５分以上１２０分以下の範囲内に設定している。
この加熱処理工程Ｓ０３においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４が溶融して液相を形成し、この液相に中間Ｔｉ層２６が溶け込み、液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板２２とが接合されることになる。このとき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４中に含まれるＰ及びＮｉは、中間Ｔｉ層２６のＴｉと結合し、第２金属間化合物層１７が形成されるとともに、セラミックス基板１１側にはＣｕ−Ｓｎ層１４が形成される。なお、第１金属間化合物層１６は、中間第１金属間化合物層が残存することによって形成されたものである。
なお、本実施形態においては、中間Ｔｉ層２６の厚さが、０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲内とされているので、この中間Ｔｉ層２６がＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４の液相中にすべて溶け込み、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面において、中間Ｔｉ層２６が残存しない。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ０４）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１が製造される。
このようにして、本実施形態に係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パワーモジュール用基板１０によれば、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面において、回路層１２側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層１６が形成されているので、この第１金属間化合物層１６を介することで回路層１２と第２金属間化合物層１７とを確実に接合することができる。よって、使用環境温度が高くなっても回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度を確保することができる。
また、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面にＴｉ層が形成されていないので、回路層１２とセラミックス基板１１の積層方向における熱抵抗を低く抑えることが可能となり、回路層１２上に搭載された半導体素子３から発生する熱を効率的に放熱することができる。
また、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面にＴｉ層が形成されていないので、回路層１２とセラミックス基板１１の積層方向における熱抵抗を低く抑えることが可能となり、回路層１２上に搭載された半導体素子３から発生する熱を効率的に放熱することができる。
また、本実施形態においては、第１金属間化合物層１６の厚さが０．２μｍ以上とされているので、回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度を確実に向上させることができる。一方、第１金属間化合物層１６の厚さが６μｍ以下とされているので、この第１金属間化合物層１６における割れの発生を抑制することができる。
なお、回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度を確実に向上させるためには、第１金属間化合物層１６の厚さの下限を０．５μｍ以上とすることが好ましく、１μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、第１金属間化合物層１６における割れの発生を確実に抑制するためには、第１金属間化合物層１６の厚さの上限を５μｍ以下とすることが好ましく、３μｍ以下とすることがさらに好ましい。なお、第１金属間化合物層１６の厚さは、加熱処理工程Ｓ０３における加熱によってＴｉの拡散が進み、中間第１金属間化合物層の厚さより厚くなる場合もある。
なお、回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度を確実に向上させるためには、第１金属間化合物層１６の厚さの下限を０．５μｍ以上とすることが好ましく、１μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、第１金属間化合物層１６における割れの発生を確実に抑制するためには、第１金属間化合物層１６の厚さの上限を５μｍ以下とすることが好ましく、３μｍ以下とすることがさらに好ましい。なお、第１金属間化合物層１６の厚さは、加熱処理工程Ｓ０３における加熱によってＴｉの拡散が進み、中間第１金属間化合物層の厚さより厚くなる場合もある。
さらに、本実施形態においては、第２金属間化合物層１７の厚さが０．５μｍ以上とされているので、回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度を確実に向上させることができる。一方、第２金属間化合物層１７の厚さが４μｍ以下とされているので、この第２金属間化合物層１７における割れの発生を抑制することができる。
なお、回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度を確実に向上させるためには、第２金属間化合物層１７の厚さの下限を１μｍ以上とすることが好ましく、２μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、第２金属間化合物層１７における割れの発生を確実に抑制するためには、第２金属間化合物層１７の厚さの上限を３．５μｍ以下とすることが好ましく、３μｍ以下とすることがさらに好ましい。
なお、回路層１２とセラミックス基板１１との接合強度を確実に向上させるためには、第２金属間化合物層１７の厚さの下限を１μｍ以上とすることが好ましく、２μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、第２金属間化合物層１７における割れの発生を確実に抑制するためには、第２金属間化合物層１７の厚さの上限を３．５μｍ以下とすることが好ましく、３μｍ以下とすることがさらに好ましい。
また、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法においては、回路層１２となるＣｕ板２２とＴｉ材２５とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ｃｕ板２２とＴｉ材２５とを固相拡散接合させ、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２７を得るＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１を備えているので、Ｃｕ板２２と中間Ｔｉ層２６の間に、ＣｕとＴｉを含有する中間第１金属間化合物層を確実に形成することができる。
また、中間Ｔｉ層２６の厚さが、０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲内とされているので、後工程の加熱処理工程Ｓ０３において、中間Ｔｉ層２６とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４とを反応させることが可能となる。
さらに、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１においては、Ｃｕ板２２とＴｉ材２５とを積層して加熱しており、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４を積層していないので、加熱温度及び加熱時間を比較的自由に設定することが可能となる。
さらに、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ０１においては、Ｃｕ板２２とＴｉ材２５とを積層して加熱しており、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４を積層していないので、加熱温度及び加熱時間を比較的自由に設定することが可能となる。
さらに、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法においては、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２７を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する加熱処理工程Ｓ０３を備えているので、中間Ｔｉ層２６のＴｉをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４と反応させることで、第２金属間化合物層１７を形成でき、回路層１２とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。
ここで、加熱処理工程Ｓ０３において、加圧される圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２４との液相を密着させることができ、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４とを良好に接合できる。また、加圧される圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の場合、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。このような理由のため、本実施形態では、加圧される圧力は１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内に設定されている。
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図６に、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０を備えたパワーモジュール１０１を示す。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２及び金属層１１３が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図６において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１１３の他方側（図６において下側）に配置されたヒートシンク１３０と、を備えている。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図６に、第二実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０を備えたパワーモジュール１０１を示す。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２及び金属層１１３が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図６において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１１３の他方側（図６において下側）に配置されたヒートシンク１３０と、を備えている。
パワーモジュール用基板１１０は、図７に示すように、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７において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図７において下面）に配設された金属層１１３と、を備えている。
セラミックス基板１１は、第一実施形態と同様に、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。
セラミックス基板１１は、第一実施形態と同様に、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。
回路層１１２は、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、無酸素銅からなるＣｕ板１２２を順に積層して加熱処理し、セラミックス基板１１にＣｕ板１２２を接合することで形成されている（図１０参照）。
なお、回路層１１２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、０．３ｍｍに設定されている。
なお、回路層１１２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、０．３ｍｍに設定されている。
金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、Ｃｕ又はＣｕ合金の金属板が、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４を介して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、金属層１１３は、セラミックス基板１１の他方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、無酸素銅からなるＣｕ板１２３を積層して加熱処理し、セラミックス基板１１にＣｕ板１２３を接合することで形成されている（図１０参照）。
この金属層１１３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、０．３ｍｍに設定されている。
ここで、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４として、具体的にはＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
この金属層１１３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、０．３ｍｍに設定されている。
ここで、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４として、具体的にはＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
図８に、セラミックス基板１１と回路層１１２（金属層１１３）との接合界面の概略説明図を示す。セラミックス基板１１と回路層１１２（金属層１１３）との接合界面には、図８に示すように、セラミックス基板１１１側に位置するＣｕ−Ｓｎ層１４と、回路層１１２（金属層１１３）側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層１６と、第１金属間化合物層１６とＣｕ−Ｓｎ層１４との間に位置し、Ｐ及びＴｉを含有する第２金属間化合物層１７と、が形成されている。
ここで、本実施形態では、第１金属間化合物層１６と第２金属間化合物層１７との間に、Ｔｉ層１５が形成されており、このＴｉ層１５の厚さが０．５μｍ以下とされている。
また、本実施形態においては、第１金属間化合物層１６の厚さは、０．２μｍ以上６μｍ以下の範囲内とされている。
さらに、本実施形態においては、第２金属間化合物層１７の厚さは、０．５μｍ以上４μｍ以下の範囲内とされている。
また、本実施形態においては、第１金属間化合物層１６の厚さは、０．２μｍ以上６μｍ以下の範囲内とされている。
さらに、本実施形態においては、第２金属間化合物層１７の厚さは、０．５μｍ以上４μｍ以下の範囲内とされている。
ヒートシンク１３０は、前述のパワーモジュール用基板１１０からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク１３０は、Ｃｕ又はＣｕ合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク１３０には、冷却用の流体が流れるための流路１３１が設けられている。なお、本実施形態においては、ヒートシンク１３０と金属層１１３とが、はんだ材からなるはんだ層１３２によって接合されている。
以下に、本実施形態に係るパワーモジュール１０１の製造方法について、図９のフロー図及び図１０を参照して説明する。
まず、図１０に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図１０において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、及び回路層１１２となるＣｕ板１２２を順に積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、及び金属層１１３となるＣｕ板１２３を順に積層する（積層工程Ｓ１０１）。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２及びＣｕ板１２３の間において、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４を配置し、Ｃｕ板１２２，１２３側にＴｉ材２５を配置している。
まず、図１０に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図１０において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、及び回路層１１２となるＣｕ板１２２を順に積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、及び金属層１１３となるＣｕ板１２３を順に積層する（積層工程Ｓ１０１）。すなわち、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２及びＣｕ板１２３の間において、セラミックス基板１１側にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４を配置し、Ｃｕ板１２２，１２３側にＴｉ材２５を配置している。
本実施形態においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の組成は、Ｃｕ−６．３ｍａｓｓ％Ｐ−９．３ｍａｓｓ％Ｓｎ−７ｍａｓｓ％Ｎｉとされており、その固相線温度（溶融開始温度）は６００℃とされている。また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４は箔材を用い、その厚さは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされている。
また、Ｔｉ材２５の厚さは、０．４μｍ以上５μｍ以下の範囲内とされている。ここで、Ｔｉ材２５は、厚さが０．４μｍ以上１μｍ未満の場合には蒸着やスパッタによって成膜することが好ましく、厚さが１μｍ以上５μｍ以下の場合には箔材を用いることが好ましい。なお、Ｔｉ材２５の厚さの下限は０．４μｍ以上とすることが好ましく０．５μｍ以上とすることがさらに好ましい。Ｔｉ材２５の厚さの上限は１.５μｍ以下とすることが好ましく、０．７μｍ以下とすることがさらに好ましい。本実施形態においては、Ｔｉ材２５として、厚さ１μｍ、純度９９．８ｍａｓｓ％のＴｉ箔を用いた。
次に、Ｃｕ板１２２、Ｔｉ材２５、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、及びＣｕ板１２３を、積層方向に加圧（圧力１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）した状態で、真空加熱炉内に装入し、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の溶融開始温度未満の温度で加熱する（第１加熱処理工程Ｓ１０２）。
この第１加熱処理工程Ｓ１０２においては、Ｔｉ材２５とＣｕ板１２２及びＴｉ材２５とＣｕ板１２３が固相拡散接合によって接合され、Ｔｉ材２５とＣｕ板１２２との間及びＴｉ材２５とＣｕ板１２３との間にＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層１６がそれぞれ形成される。
ここで、本実施形態では、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５８０℃以上６７０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上２４０分以下の範囲内に設定している。なお、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の溶融を確実に抑制するためには、第１加熱処理工程Ｓ１０２における加熱温度は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の溶融開始温度（固相線温度）−１０℃とすることが好ましい。
第１加熱処理工程Ｓ１０２において、加熱温度を５８０℃以上及び加熱時間を３０分以上とすることで第１金属間化合物層１６を十分に形成することが可能となる。また、加熱温度を６７０℃以下及び加熱時間を２４０分以下とすることで第１金属間化合物層１６が必要以上に厚く形成されることを抑制できる。
なお、加熱温度の下限は６１０℃以上とすることが好ましく６２０℃以上とすることがさらに好ましい。加熱温度の上限は６５０℃以下とすることが好ましく６４０℃以下とすることがさらに好ましい。また、加熱時間の下限は１５分以上とすることが好ましく６０分以上とすることがさらに好ましい。加熱時間の上限は１２０分以下とすることが好ましく９０分以下とすることがさらに好ましい。
第１加熱処理工程Ｓ１０２において、加熱温度を５８０℃以上及び加熱時間を３０分以上とすることで第１金属間化合物層１６を十分に形成することが可能となる。また、加熱温度を６７０℃以下及び加熱時間を２４０分以下とすることで第１金属間化合物層１６が必要以上に厚く形成されることを抑制できる。
なお、加熱温度の下限は６１０℃以上とすることが好ましく６２０℃以上とすることがさらに好ましい。加熱温度の上限は６５０℃以下とすることが好ましく６４０℃以下とすることがさらに好ましい。また、加熱時間の下限は１５分以上とすることが好ましく６０分以上とすることがさらに好ましい。加熱時間の上限は１２０分以下とすることが好ましく９０分以下とすることがさらに好ましい。
次に、第１加熱処理工程Ｓ１０２後に、Ｃｕ板１２２、Ｔｉ材２５、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、及びＣｕ板１２３を積層方向に加圧（圧力１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）した状態でＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の溶融開始温度以上の温度で加熱する（第２加熱処理工程Ｓ１０３）。ここで、本実施形態では、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７００℃以下の範囲内に、加熱時間は１５分以上１２０分以下の範囲内に設定している。ここで、第２加熱処理工程Ｓ１０３では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４を確実に溶融させるため、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の固相線温度＋１０℃以上で加熱することが好ましい。
この第２加熱処理工程Ｓ１０３においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４が溶融して液相を形成し、この液相にＴｉ材２５が溶け込み、液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板１２２及びセラミックス基板１１とＣｕ板１２３が接合されることになる。このとき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４中に含まれるＰ及びＮｉは、Ｔｉ材２５のＴｉと結合し、第２金属間化合物層１７が形成されるとともに、セラミックス基板１１側にはＣｕ−Ｓｎ層１４が形成される。
なお、本実施形態においては、Ｔｉ材２５の一部がＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の液相中に溶け込まずに残存し、第１金属間化合物層１６と第２金属間化合物層１７との間にＴｉ層１５が形成されることになる。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２が形成されるとともに、他方の面に金属層１１３が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２が形成されるとともに、他方の面に金属層１１３が形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
次いで、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の下面に、はんだ材を介してヒートシンク１３０を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）。
次に、パワーモジュール用基板１１０の回路層１１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１０５）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１０１が製造される。
次に、パワーモジュール用基板１１０の回路層１１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ１０５）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール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パワーモジュール用基板１１０においては、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面及びセラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面において、回路層１１２側及び金属層１１３側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層１６が形成されているので、この第１金属間化合物層１６を介することで回路層１１２と第２金属間化合物層１７及び金属層１１３と第２金属間化合物層１７とを確実に接合することができる。よって、使用環境温度が高くなっても回路層１１２とセラミックス基板１１及び金属層１１３とセラミックス基板１１との接合強度を確保することができる。
また、セラミックス基板１１と回路層１１２との接合界面及びセラミックス基板１１と金属層１１３との接合界面に、Ｔｉ層１５が形成されているがその厚さが０．５μｍ以下とされているので、回路層１１２とセラミックス基板１１と金属層１１３の積層方向における熱抵抗を低く抑えることが可能となり、回路層１１２上に搭載された半導体素子３から発生する熱を効率的に放熱することができる。
また、本実施形態においては、第１金属間化合物層１６の厚さが０．２μｍ以上とされているので、回路層１１２とセラミックス基板１１及び金属層１１３とセラミックス基板１１との接合強度を確実に向上させることができる。一方、第１金属間化合物層１６の厚さが６μｍ以下とされているので、この第１金属間化合物層１６における割れの発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、第２金属間化合物層１７の厚さが０．５μｍ以上とされているので、回路層１１２とセラミックス基板１１及び金属層１１３とセラミックス基板１１との接合強度を確実に向上させることができる。一方、第２金属間化合物層１７の厚さが４μｍ以下とされているので、この第２金属間化合物層１７における割れの発生を抑制することができる。
また、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法においては、Ｃｕ板１２２、Ｔｉ材２５、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４、Ｔｉ材２５、及びＣｕ板１２３を積層方向に加圧（圧力１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下）した状態で、真空加熱炉内に装入し、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の溶融開始温度未満の温度で加熱する第１加熱処理工程Ｓ１０２を備えているので、回路層１１２となるＣｕ板１２２とＴｉ材２５の間及び金属層１１３となるＣｕ板１２３とＴｉ材２５との間に、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層１６を確実に形成することができる。
さらに、本実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法においては、第１加熱処理工程Ｓ１０２後に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層１４と、第１金属間化合物層１６とＣｕ−Ｓｎ層１４との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層１７とを形成する第２加熱処理工程Ｓ１０３を備えているので、Ｔｉ材２５のＴｉをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４と反応させることで、第２金属間化合物層１７を形成でき、回路層１１２とセラミックス基板１１及び金属層１１３とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。
ここで、第２加熱処理工程Ｓ１０３において、加圧される圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２以上の場合、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材１２４との液相を密着させることができ、セラミックス基板１１とＣｕ−Ｓｎ層１４とを良好に接合できる。また、加圧される圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の場合、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。このような理由のため、本実施形態では、加圧される圧力は１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の範囲内に設定されている。
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２を、他方の面に金属層１１３を同時に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図１１に、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０を備えたパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール２０１は、回路層２１２及び金属層２１３が配設されたパワーモジュール用基板２１０と、回路層２１２の一方の面（図１１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板２１０の他方側（図１１において下側）に接合されたヒートシンク２３０と、を備えている。
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態と同一の構成のものについては、同一の符号を付して記載し、詳細な説明を省略する。
図１１に、第三実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０を備えたパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール２０１は、回路層２１２及び金属層２１３が配設されたパワーモジュール用基板２１０と、回路層２１２の一方の面（図１１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板２１０の他方側（図１１において下側）に接合されたヒートシンク２３０と、を備えている。
パワーモジュール用基板２１０は、図１２に示すように、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１２において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１２において下面）に配設された金属層２１３と、を備えている。
セラミックス基板１１は、第一実施形態と同様に、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。
セラミックス基板１１は、第一実施形態と同様に、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。
回路層２１２は、第一実施形態と同様に、セラミックス基板１１の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４、Ｔｉ材２５、無酸素銅からなるＣｕ板２２２を積層して加熱処理し、セラミックス基板１１にＣｕ板２２２を接合することで形成されている（図１５参照）。
なお、回路層２１２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、０．３ｍｍに設定されている。
ここで、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４として、具体的にはＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
なお、回路層２１２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、０．３ｍｍに設定されている。
ここで、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４として、具体的にはＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材を用いている。
そして、セラミックス基板１１と回路層２１２との接合界面には、図１３に示すように、セラミックス基板２１１側に位置するＣｕ−Ｓｎ層１４と、回路層２１２側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層１６と、第１金属間化合物層１６とＣｕ−Ｓｎ層１４との間に位置し、Ｐ及びＴｉを含有する第２金属間化合物層１７と、が形成されている。
また、第１金属間化合物層１６と第２金属間化合物層１７との間に、Ｔｉ層１５が形成されており、このＴｉ層１５の厚さが０．５μｍ以下とされている。
また、第１金属間化合物層１６と第２金属間化合物層１７との間に、Ｔｉ層１５が形成されており、このＴｉ層１５の厚さが０．５μｍ以下とされている。
金属層２１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ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、金属層２１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のＡｌ板２２３を接合することで形成されている（図１５参照）。
この金属層２１３の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．６ｍｍに設定されている。
この金属層２１３の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．６ｍｍに設定されている。
ヒートシンク２３０は、Ａｌ又はＡｌ合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３（Ａｌ合金）で構成されている。このヒートシンク２３０には、冷却用の流体が流れるための流路２３１が設けられている。なお、このヒートシンク２３０と金属層２１３とが、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
次に、本実施形態に係るパワーモジュール２０１の製造方法について、図１４のフロー図及び図１５を参照して説明する。
まず、図１５に示すように、回路層２１２となるＣｕ板２２２とＴｉ材２５とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ｃｕ板２２２とＴｉ材２５とを固相拡散接合させ、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２２７を得る。（ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ２０１）。
まず、図１５に示すように、回路層２１２となるＣｕ板２２２とＴｉ材２５とを積層し、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ｃｕ板２２２とＴｉ材２５とを固相拡散接合させ、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２２７を得る。（ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ２０１）。
なお、Ｔｉ材２５の厚さは、０．４μｍ以上５μｍ以下の範囲内とされている。ここで、Ｔｉ材２５は、厚さが０．４μｍ以上１μｍ未満の場合には蒸着やスパッタによって成膜することが好ましく、厚さが１μｍ以上５μｍ以下の場合には箔材を用いることが好ましい。なお、Ｔｉ材２５の厚さの下限は０．４μｍ以上とすることが好ましく、０．５μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、Ｔｉ材２５の厚さの上限は１.５μｍ以下とすることが好ましく、０．７μｍ以下とすることがさらに好ましい。本実施形態においては、Ｔｉ材２５として、厚さ１．４μｍ、純度９９．８ｍａｓｓ％のＴｉ箔を用いた。
また、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ２０１においては、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６７０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。ここで、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ２０１において、加熱温度を６００℃以上及び加熱時間を３０分以上とすることで中間第１金属間化合物層を十分に形成することが可能となる。また、加熱温度を６５５℃以下及び加熱時間を３６０分以下とすることで中間第１金属間化合物層が必要以上に厚く形成されることを抑制できる。
なお、加熱温度の下限は６１０℃以上とすることが好ましく６２０℃以上とすることがさらに好ましい。加熱温度の上限は６５０℃以下とすることが好ましく６４０℃以下とすることがさらに好ましい。また、加熱時間の下限は１５分以上とすることが好ましく６０分以上とすることがさらに好ましい。加熱時間の上限は１２０分以下とすることが好ましく９０分以下とすることがさらに好ましい。
なお、加熱温度の下限は６１０℃以上とすることが好ましく６２０℃以上とすることがさらに好ましい。加熱温度の上限は６５０℃以下とすることが好ましく６４０℃以下とすることがさらに好ましい。また、加熱時間の下限は１５分以上とすることが好ましく６０分以上とすることがさらに好ましい。加熱時間の上限は１２０分以下とすることが好ましく９０分以下とすることがさらに好ましい。
なお、Ｃｕ板２２２とＴｉ材２５とをさらに強固に接合するためには、ＣｕＴｉ拡散工程Ｓ２０１において、積層方向への加圧荷重を０．２９４ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下（３ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内とすることが好ましい。
このＣｕＴｉ拡散工程Ｓ２０１によって得られるＣｕ−Ｔｉ接合体２２７においては、Ｔｉ材２５とＣｕ板２２２とが固相拡散接合によって接合され、Ｃｕ板２２２と中間Ｔｉ層２６の積層構造となっている。ここで、中間Ｔｉ層２６とＣｕ板２２２との間には、ＣｕとＴｉを含有する中間第１金属間化合物層が形成される。このとき、Ｔｉ材２５がすべて中間第１金属間化合物層の形成に消費されず、その一部が残存する。
ここで、本実施形態では、中間Ｔｉ層２６の厚さは、０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲内とされている。なお、中間Ｔｉ層２６の厚さの下限は０．２μｍ以上とすることが好ましく、０．４μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、中間Ｔｉ層２６の厚さの上限は１.５μｍ以下とすることが好ましく、０．７μｍ以下とすることがさらに好ましい。
さらに、中間第１金属間化合物層の厚さは、０．１μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、中間Ｔｉ層２６の厚さは、０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲内とされている。なお、中間Ｔｉ層２６の厚さの下限は０．２μｍ以上とすることが好ましく、０．４μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、中間Ｔｉ層２６の厚さの上限は１.５μｍ以下とすることが好ましく、０．７μｍ以下とすることがさらに好ましい。
さらに、中間第１金属間化合物層の厚さは、０．１μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましい。
次に、図１５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図１５において上面）に、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４、Ｔｉ材２５及びＣｕ板２２２を順に積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面（図１４において下面）に、接合材２４１を介して金属層２１３となるＡｌ板２２３を順に積層する。そして、さらにＡｌ板２２３の下側に、接合材２４２を介してヒートシンク２３０を積層する（積層工程Ｓ２０２）。ここで、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２２７は、中間Ｔｉ層２６とＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４が対向するように積層される。
本実施形態においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４の組成は、Ｃｕ−７ｍａｓｓ％Ｐ−１５ｍａｓｓ％Ｓｎ−１０ｍａｓｓ％Ｎｉとされており、その溶融開始温度（固相線温度）は５８０℃とされている。また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４は箔材を用い、その厚さは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲内とされている。
また、接合材２４１、２４２としては、本実施形態では、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材とされており、第三実施形態においては、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。
また、接合材２４１、２４２としては、本実施形態では、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系ろう材とされており、第三実施形態においては、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。
次に、セラミックス基板１１、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４、Ｃｕ−Ｔｉ接合体２２７、接合材２４１、Ａｌ板２２３、接合材２４２、及びヒートシンク２３０を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ２０３）。ここで、本実施形態では、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６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上２４０分以下の範囲内に設定している。
この加熱処理工程Ｓ２０３においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４が溶融して液相を形成し、この液相に中間Ｔｉ層２６が溶け込み、液相が凝固することにより、セラミックス基板１１とＣｕ板２２２とが接合されることになる。このとき、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４中に含まれるＰ及びＮｉは、中間Ｔｉ層２６のＴｉと結合し、第２金属間化合物層１７が形成されるとともに、セラミックス基板１１側にはＣｕ−Ｓｎ層１４が形成される。なお、第１金属間化合物層１６は、中間第１金属間化合物層が残存することによって形成されたものである。
本実施形態においては、中間Ｔｉ層２６の厚さが、０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲内とされているので、この中間Ｔｉ層２６がＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４の液相中にすべてが溶け込まず、一部が残存し、Ｔｉ層１５が形成される。しかしながら、Ｔｉ層１５の厚さが０．５μｍ以下と薄く形成されていることから、回路層２１２とセラミックス基板１１と金属層２１３の積層方向における熱抵抗を低く抑えることが可能となり、回路層２１２上に搭載された半導体素子３から発生する熱を効率的に放熱することができる。
なお、第１金属間化合物層１６の厚さは、加熱処理工程Ｓ２０３における加熱によってＴｉの拡散が進み、中間第１金属間化合物層の厚さより厚くなる場合もある。また、Ｔｉ層１５の厚さは、加熱処理工程Ｓ２０３における加熱によってＴｉの拡散が進み、中間Ｔｉ層２６の厚さよりも薄くなる場合もある。
本実施形態においては、中間Ｔｉ層２６の厚さが、０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲内とされているので、この中間Ｔｉ層２６がＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材２２４の液相中にすべてが溶け込まず、一部が残存し、Ｔｉ層１５が形成される。しかしながら、Ｔｉ層１５の厚さが０．５μｍ以下と薄く形成されていることから、回路層２１２とセラミックス基板１１と金属層２１３の積層方向における熱抵抗を低く抑えることが可能となり、回路層２１２上に搭載された半導体素子３から発生する熱を効率的に放熱することができる。
なお、第１金属間化合物層１６の厚さは、加熱処理工程Ｓ２０３における加熱によってＴｉの拡散が進み、中間第１金属間化合物層の厚さより厚くなる場合もある。また、Ｔｉ層１５の厚さは、加熱処理工程Ｓ２０３における加熱によってＴｉの拡散が進み、中間Ｔｉ層２６の厚さよりも薄くなる場合もある。
また、加熱処理工程Ｓ２０３においては、接合材２４１が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２４１を介してセラミックス基板１１とＡｌ板２２３とが接合される。さらに、加熱処理工程Ｓ２０３においては、接合材２４２が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２４２を介してＡｌ板２２３とヒートシンク２３０とが接合される。
これにより、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製造される。
これにより、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製造される。
次に、パワーモジュール用基板２１０の回路層２１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ２０４）。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール２０１が製造される。
このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール２０１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パワーモジュール用基板２１０においては、第一実施形態及び第二実施形態で説明したパワーモジュール用基板１０，１１０と同様の効果を奏する。
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０においては、セラミックス基板１１の他方の面にＡｌ板２２３が接合されてなる金属層２１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を、金属層２１３を介して効率的に放散することができる。また、Ａｌは比較的変形抵抗が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、パワーモジュール用基板２１０とヒートシンク２３０との間に生じる熱応力を金属層２１３によって吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０においては、セラミックス基板１１の他方の面にＡｌ板２２３が接合されてなる金属層２１３が形成されているので、半導体素子３からの熱を、金属層２１３を介して効率的に放散することができる。また、Ａｌは比較的変形抵抗が低いので、冷熱サイクルが負荷された際に、パワーモジュール用基板２１０とヒートシンク２３０との間に生じる熱応力を金属層２１３によって吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面に回路層２１２を、他方の面に金属層２１３を同時に接合する構成とされているので、製造工程を簡略化し、製造コストを低減できる。
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、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構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い。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構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い。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
また、第二実施形態及び第三実施形態においては、セラミックス基板の一方の面に回路層を、他方の面に金属層を同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層とを別々に接合しても良い。
また、第三実施形態において、回路層、金属層、及びヒートシンクを同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層をセラミックス基板に接合した後に、金属層とヒートシンクとを接合する構成としても良い。
また、第三実施形態において、セラミックス基板の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して金属層を接合する場合について説明したが、過渡液相接合法（ＴＬＰ）やＡｇペーストなどによって接合しても良い。
また、第三実施形態において、回路層、金属層、及びヒートシンクを同時に接合する場合について説明したが、回路層と金属層をセラミックス基板に接合した後に、金属層とヒートシンクとを接合する構成としても良い。
また、第三実施形態において、セラミックス基板の他方の面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して金属層を接合する場合について説明したが、過渡液相接合法（ＴＬＰ）やＡｇペーストなどによって接合しても良い。
また、第二実施形態及び第三実施形態では、流路が設けられたヒートシンクを用いる場合について説明したが、放熱板と呼ばれる板状のものや、ピン状フィンを有するものとしてもよい。
また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ材又はろう材で接合する場合について説明したが、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にグリースを介してネジ止めなどによって固定する構成とされても良い。
また、第二実施形態及び第三実施形態のパワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の他方の面側にヒートシンクが接合されていなくても良い。
また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをはんだ材又はろう材で接合する場合について説明したが、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にグリースを介してネジ止めなどによって固定する構成とされても良い。
また、第二実施形態及び第三実施形態のパワーモジュール用基板において、パワーモジュール用基板の他方の面側にヒートシンクが接合されていなくても良い。
なお、第一実施形態、第二実施形態及び第三実施形態では、Ｔｉ材としてＴｉ箔を用いる場合又は蒸着やスパッタでＴｉ材を形成する場合について説明したが、Ｃｕ部材の一方の面にＴｉを配設したＣｕ部材／Ｔｉクラッド材を用いることもできる。この場合、Ｃｕ部材／Ｔｉクラッド材を予め加熱することでＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層を形成してもよいし、第１加熱処理工程でＣｕ部材／Ｔｉクラッド材の内部に第１金属間化合物層を形成してもよい。
さらに、Ｔｉ材の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を配設したＴｉ材／ろう材クラッド材や、Ｃｕ部材、Ｔｉ材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の順に積層されたＣｕ部材／Ｔｉ材／ろう材クラッドを用いることができる。
さらに、Ｔｉ材の一方の面にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を配設したＴｉ材／ろう材クラッド材や、Ｃｕ部材、Ｔｉ材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の順に積層されたＣｕ部材／Ｔｉ材／ろう材クラッドを用いることができる。
また、上記実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の箔材を用いたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、粉末やペーストを用いることもできる。
さらに、上記実施形態ではＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材として、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材やＣｕ−Ｐ−Ｓｎろう材を用いるものとして説明したが、その他のＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いてもよい。以下に、本発明の接合体の製造方法に適したＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材について詳しく説明する。
さらに、上記実施形態ではＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材として、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材やＣｕ−Ｐ−Ｓｎろう材を用いるものとして説明したが、その他のＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いてもよい。以下に、本発明の接合体の製造方法に適したＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材について詳しく説明する。
Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材のＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下とされていることが好ましい。
Ｐは、ろう材の溶融開始温度を低下させる作用効果を有する元素である。また、このＰは、Ｐが酸化することで発生するＰ酸化物により、ろう材表面を覆うことでろう材の酸化を防止するとともに、溶融したろう材の表面を流動性の良いＰ酸化物が覆うことでろう材の濡れ性を向上させる作用効果を有する元素である。
Ｐの含有量が３ｍａｓｓ％未満では、ろう材の溶融開始温度を低下させる効果が十分に得られずろう材の溶融開始温度が上昇したり、ろう材の流動性が不足し、セラミックス基板と回路層との接合性が低下したりするおそれがある。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％超では、脆い金属間化合物が多く形成され、セラミックス基板と回路層との接合性や接合信頼性が低下するおそれがある。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
Ｐは、ろう材の溶融開始温度を低下させる作用効果を有する元素である。また、このＰは、Ｐが酸化することで発生するＰ酸化物により、ろう材表面を覆うことでろう材の酸化を防止するとともに、溶融したろう材の表面を流動性の良いＰ酸化物が覆うことでろう材の濡れ性を向上させる作用効果を有する元素である。
Ｐの含有量が３ｍａｓｓ％未満では、ろう材の溶融開始温度を低下させる効果が十分に得られずろう材の溶融開始温度が上昇したり、ろう材の流動性が不足し、セラミックス基板と回路層との接合性が低下したりするおそれがある。また、Ｐの含有量が１０ｍａｓｓ％超では、脆い金属間化合物が多く形成され、セラミックス基板と回路層との接合性や接合信頼性が低下するおそれがある。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材に含まれるＰの含有量は、３ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材のＳｎの含有量は、０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下とされていることが好ましい。
Ｓｎは、ろう材の溶融開始温度を低下させる作用効果を有する元素である。Ｓｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の溶融開始温度を確実に低くすることができる。また、Ｓｎの含有量が２５ｍａｓｓ％以下では、ろう材の低温脆化を抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材にＳｎの含有量は、０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
Ｓｎは、ろう材の溶融開始温度を低下させる作用効果を有する元素である。Ｓｎの含有量が０．５ｍａｓｓ％以上では、ろう材の溶融開始温度を確実に低くすることができる。また、Ｓｎの含有量が２５ｍａｓｓ％以下では、ろう材の低温脆化を抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材にＳｎの含有量は、０．５ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
また、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下含有していても良い。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎは、セラミックス基板とろう材との界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制する作用効果を有する元素である。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２ｍａｓｓ％以上では、セラミックス基板とろう材との接合界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性が向上する。また、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２０ｍａｓｓ％以下では、ろう材の溶融開始温度が上昇することを抑制し、ろう材の流動性が低下することを抑え、セラミックス基板と回路層との接合性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材にＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を含有させる場合、その含有量は２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎは、セラミックス基板とろう材との界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制する作用効果を有する元素である。
Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２ｍａｓｓ％以上では、セラミックス基板とろう材との接合界面にＰを含有する金属間化合物が形成されることを抑制することができ、セラミックス基板と回路層との接合信頼性が向上する。また、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上の含有量が２０ｍａｓｓ％以下では、ろう材の溶融開始温度が上昇することを抑制し、ろう材の流動性が低下することを抑え、セラミックス基板と回路層との接合性を向上させることができる。
このような理由からＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材にＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎのうちいずれか１種または２種以上を含有させる場合、その含有量は２ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
＜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。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
（本発明例１〜３、１２、１４〜１５（加熱方式：Ａ））
表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３は厚さ０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４の場合には厚さ０．３２ｍｍ）の一方の面及び他方の面に表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材箔、Ｔｉ材、無酸素銅からなるＣｕ板（厚さ：０．３ｍｍ）を順に積層し、積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重を付加した。
そして、真空加熱炉内（圧力：１０−４Ｐａ）に前述した積層体を装入し、第１加熱処理工程として、表１記載の温度と時間（加熱処理１の欄）で加熱した。その後、第２加熱処理工程として、表２記載の温度と時間（加熱処理２の欄）で加熱することによって、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成し、パワーモジュール用基板を得た。
なお、回路層用のＣｕ板の大きさは、後述する９０°ピール強度試験用に４４ｍｍ×２５ｍｍ（但し、セラミックス基板の端部から５ｍｍ突出している）、熱抵抗試験用に３７ｍｍ×３７ｍｍとし、それぞれ作製した。金属層用のＣｕ板の大きさは、３７ｍｍ×３７ｍｍとした。
表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３は厚さ０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４の場合には厚さ０．３２ｍｍ）の一方の面及び他方の面に表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材箔、Ｔｉ材、無酸素銅からなるＣｕ板（厚さ：０．３ｍｍ）を順に積層し、積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重を付加した。
そして、真空加熱炉内（圧力：１０−４Ｐａ）に前述した積層体を装入し、第１加熱処理工程として、表１記載の温度と時間（加熱処理１の欄）で加熱した。その後、第２加熱処理工程として、表２記載の温度と時間（加熱処理２の欄）で加熱することによって、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成し、パワーモジュール用基板を得た。
なお、回路層用のＣｕ板の大きさは、後述する９０°ピール強度試験用に４４ｍｍ×２５ｍｍ（但し、セラミックス基板の端部から５ｍｍ突出している）、熱抵抗試験用に３７ｍｍ×３７ｍｍとし、それぞれ作製した。金属層用のＣｕ板の大きさは、３７ｍｍ×３７ｍｍとした。
（本発明例４〜１１、１３（加熱方式：Ｂ））
まず、ＣｕＴｉ拡散工程として、無酸素銅からなるＣｕ板（厚さ：０．３ｍｍ）と表１記載のＴｉ材を積層し、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内（圧力：１０−４Ｐａ）に装入し、表１記載の温度と時間（加熱処理１の欄）で加熱し、Ｃｕ−Ｔｉ接合体を得た。なお、Ｃｕ−Ｔｉ接合体は回路層用と金属層用のそれぞれを用意した。
次に、表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３は厚さ０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４の場合には厚さ０．３２ｍｍ）の一方の面及び他方の面に表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材箔、Ｃｕ−Ｔｉ接合体を順に積層する。
そして、表２記載の温度と時間（加熱処理２の欄）で加熱し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成し、パワーモジュール用基板を作製した。回路層用及び金属層用のＣｕ板の大きさは、前述と同様とした。
まず、ＣｕＴｉ拡散工程として、無酸素銅からなるＣｕ板（厚さ：０．３ｍｍ）と表１記載のＴｉ材を積層し、積層方向に圧力１５ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧した状態で真空加熱炉内（圧力：１０−４Ｐａ）に装入し、表１記載の温度と時間（加熱処理１の欄）で加熱し、Ｃｕ−Ｔｉ接合体を得た。なお、Ｃｕ−Ｔｉ接合体は回路層用と金属層用のそれぞれを用意した。
次に、表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３は厚さ０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４の場合には厚さ０．３２ｍｍ）の一方の面及び他方の面に表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材箔、Ｃｕ−Ｔｉ接合体を順に積層する。
そして、表２記載の温度と時間（加熱処理２の欄）で加熱し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成し、パワーモジュール用基板を作製した。回路層用及び金属層用のＣｕ板の大きさは、前述と同様とした。
（従来例１，２）
表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材箔、Ｔｉ材、無酸素銅からなるＣｕ板（厚さ：０．３ｍｍ）を順に積層し、積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重を付加した。
そして、真空加熱炉内（圧力：１０−４Ｐａ）に前述した積層体を装入し、第２加熱処理工程として、表２記載の温度と時間（加熱処理２の欄）で加熱することによって、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成し、パワーモジュール用基板を得た。回路層用及び金属層用のＣｕ板の大きさは、本発明例と同様とした。
表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材箔、Ｔｉ材、無酸素銅からなるＣｕ板（厚さ：０．３ｍｍ）を順に積層し、積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２の荷重を付加した。
そして、真空加熱炉内（圧力：１０−４Ｐａ）に前述した積層体を装入し、第２加熱処理工程として、表２記載の温度と時間（加熱処理２の欄）で加熱することによって、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成し、パワーモジュール用基板を得た。回路層用及び金属層用のＣｕ板の大きさは、本発明例と同様とした。
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との９０°ピール強度、積層方向の熱抵抗を評価した。
また、得られたパワーモジュール用基板に対して、セラミックス基板と回路層との接合界面において、第１金属間化合物層、Ｔｉ層、第２金属間化合物層の厚さを評価した。さらに、加熱処理１後の中間第１金属間化合物層、中間Ｔｉ層の厚さを評価した。
また、得られたパワーモジュール用基板に対して、セラミックス基板と回路層との接合界面において、第１金属間化合物層、Ｔｉ層、第２金属間化合物層の厚さを評価した。さらに、加熱処理１後の中間第１金属間化合物層、中間Ｔｉ層の厚さを評価した。
（９０°ピール強度試験）
各パワーモジュール用基板において、１５０℃で５００時間放置後、回路層のうちセラミックス基板から突出した部分を９０°折り曲げ、セラミックス基板と垂直方向に回路層を引っ張り、回路層がセラミックス基板から剥離するまでの最大の引っ張り荷重を測定した。この荷重を接合長さで割った値を９０°ピール強度とし、表２に記載した。
各パワーモジュール用基板において、１５０℃で５００時間放置後、回路層のうちセラミックス基板から突出した部分を９０°折り曲げ、セラミックス基板と垂直方向に回路層を引っ張り、回路層がセラミックス基板から剥離するまでの最大の引っ張り荷重を測定した。この荷重を接合長さで割った値を９０°ピール強度とし、表２に記載した。
（熱抵抗試験）
ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を回路層の表面に半田付けし、セラミックス基板を冷却器に積層した。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、本発明例１を１．００として相対評価した。評価結果を表２に示す。
ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を回路層の表面に半田付けし、セラミックス基板を冷却器に積層した。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、本発明例１を１．００として相対評価した。評価結果を表２に示す。
（中間第１金属間化合物層、中間Ｔｉ層、第１金属間化合物層、Ｔｉ層及び第２金属間化合物層の厚さ）
第１金属間化合物層、Ｔｉ層及び第２金属間化合物層の厚さは、Ｃｕ板／セラミックス基板界面のＥＰＭＡから、倍率１００００倍の視野（縦３０μｍ、横４０μｍ）において、接合界面に形成された第１金属間化合物層の総面積、Ｔｉ層の面積及び第２金属間化合物層の総面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均を第１金属間化合物層、Ｔｉ層及び第２金属間化合物層の厚さとした。
中間第１金属間化合物層及び中間Ｔｉ層は、前述した加熱方式Ｂにて作製したＣｕ−Ｔｉ接合体のＣｕとＴｉの接合界面に対し、ＥＰＭＡから、倍率１００００倍の視野（縦３０μｍ、横４０μｍ）において、接合界面に形成された中間第１金属間化合物層の総面積、中間Ｔｉ層の面積の総面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均を中間第１金属間化合物層、中間Ｔｉ層の厚さとした。
なお、Ｔｉ濃度が１５ａｔ％〜７０ａｔ％の範囲内である領域を第１金属間化合物層及び中間第１金属間化合物層とみなし、固溶体は含めないものとする。
また、第２金属間化合物層は、少なくともＰとＴｉを含み、Ｐ濃度が２８ａｔ％〜５２ａｔ％の範囲内の領域とする。
評価結果を表１及び表２に示す。
第１金属間化合物層、Ｔｉ層及び第２金属間化合物層の厚さは、Ｃｕ板／セラミックス基板界面のＥＰＭＡから、倍率１００００倍の視野（縦３０μｍ、横４０μｍ）において、接合界面に形成された第１金属間化合物層の総面積、Ｔｉ層の面積及び第２金属間化合物層の総面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均を第１金属間化合物層、Ｔｉ層及び第２金属間化合物層の厚さとした。
中間第１金属間化合物層及び中間Ｔｉ層は、前述した加熱方式Ｂにて作製したＣｕ−Ｔｉ接合体のＣｕとＴｉの接合界面に対し、ＥＰＭＡから、倍率１００００倍の視野（縦３０μｍ、横４０μｍ）において、接合界面に形成された中間第１金属間化合物層の総面積、中間Ｔｉ層の面積の総面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均を中間第１金属間化合物層、中間Ｔｉ層の厚さとした。
なお、Ｔｉ濃度が１５ａｔ％〜７０ａｔ％の範囲内である領域を第１金属間化合物層及び中間第１金属間化合物層とみなし、固溶体は含めないものとする。
また、第２金属間化合物層は、少なくともＰとＴｉを含み、Ｐ濃度が２８ａｔ％〜５２ａｔ％の範囲内の領域とする。
評価結果を表１及び表２に示す。
Ｔｉ層が厚く形成された従来例１においては、９０°ピール強度は高いものの、積層方向の熱抵抗が高くなっていることが確認された。また、Ｔｉ層が確認されなかった従来例２では、第１金属間化合物層が形成されず、９０°ピール強度が低いことが確認された。
これに対し、本発明例１〜１５では、９０°ピール強度が高く、熱抵抗が低いパワーモジュール用基板が得られることが確認された。
これに対し、本発明例１〜１５では、９０°ピール強度が高く、熱抵抗が低いパワーモジュール用基板が得られることが確認された。
＜実施例２＞
次に、さらに厳しいピール強度試験を実施した。
まず、ＣｕＴｉ拡散工程として、無酸素銅からなるＣｕ板（厚さ：０．３ｍｍ）と厚さ３ｍｍのＴｉ材を積層し、表３に示す圧力で積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内（圧力：１０−４Ｐａ）に装入し、表３記載の温度と時間（加熱処理１の欄）で加熱し、Ｃｕ−Ｔｉ接合体を得た。なお、Ｃｕ−Ｔｉ接合体は回路層用と金属層用のそれぞれを用意した。
次に、さらに厳しいピール強度試験を実施した。
まず、ＣｕＴｉ拡散工程として、無酸素銅からなるＣｕ板（厚さ：０．３ｍｍ）と厚さ３ｍｍのＴｉ材を積層し、表３に示す圧力で積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内（圧力：１０−４Ｐａ）に装入し、表３記載の温度と時間（加熱処理１の欄）で加熱し、Ｃｕ−Ｔｉ接合体を得た。なお、Ｃｕ−Ｔｉ接合体は回路層用と金属層用のそれぞれを用意した。
次に、表３記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３は厚さ０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４の場合には厚さ０．３２ｍｍ）の一方の面及び他方の面にＣｕ−６．３ｍａｓｓ％Ｐ−９．３ｍａｓｓ％Ｓｎ−７．０ｍａｓｓ％Ｎｉろう材箔（融点６００℃）、Ｃｕ−Ｔｉ接合体を順に積層した。
そして、加熱処理２として６５０℃×６０ｍｉｎの条件で加熱し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成し、パワーモジュール用基板を作製した。回路層用及び金属層用のＣｕ板の大きさは、前述と同様とした。
そして、加熱処理２として６５０℃×６０ｍｉｎの条件で加熱し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＣｕ板を接合し、回路層及び金属層を形成し、パワーモジュール用基板を作製した。回路層用及び金属層用のＣｕ板の大きさは、前述と同様とした。
上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との９０°ピール強度を以下の条件で評価した。
各パワーモジュール用基板において、１５０℃で１０００時間放置後、回路層のうちセラミックス基板から突出した部分を９０°折り曲げ、セラミックス基板と垂直方向に回路層を引っ張り、回路層がセラミックス基板から剥離するまでの最大の引っ張り荷重を測定した。この荷重を接合長さで割った値を９０°ピール強度とし、表３に記載した。
各パワーモジュール用基板において、１５０℃で１０００時間放置後、回路層のうちセラミックス基板から突出した部分を９０°折り曲げ、セラミックス基板と垂直方向に回路層を引っ張り、回路層がセラミックス基板から剥離するまでの最大の引っ張り荷重を測定した。この荷重を接合長さで割った値を９０°ピール強度とし、表３に記載した。
積層方向に圧力を高く、かつ、加熱時間を長く設定することにより、厳しい条件でのピール試験であっても、十分なピール強度を確保できることが確認された。
１０、１１０、２１０ パワーモジュール用基板（接合体）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２、１１２、２１２ 回路層（Ｃｕ部材）
１４ Ｃｕ−Ｓｎ層
１５ Ｔｉ層
１６ 第１金属間化合物層
１７ 第２金属間化合物層
２２、１２２、１２３、２２２ Ｃｕ板（Ｃｕ部材）
２４，１２４，２２４ Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２、１１２、２１２ 回路層（Ｃｕ部材）
１４ Ｃｕ−Ｓｎ層
１５ Ｔｉ層
１６ 第１金属間化合物層
１７ 第２金属間化合物層
２２、１２２、１２３、２２２ Ｃｕ板（Ｃｕ部材）
２４，１２４，２２４ Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材
Claims (15)
- セラミックスからなるセラミックス部材とＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材との接合体であって、
前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材との接合界面には、
前記セラミックス部材側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、
前記Ｃｕ部材側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層と、
前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、
が形成されていることを特徴とする接合体。 - 前記第１金属間化合物層と前記第２金属間化合物層との間にＴｉ層が形成されており、このＴｉ層の厚さが０．５μｍ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の接合体。
- 前記第１金属間化合物層の厚さが０．２μｍ以上６μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体。
- 前記第２金属間化合物層の厚さが０．５μｍ以上４μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の接合体。
- 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体からなり、
前記セラミックス部材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前記Ｃｕ部材からなる回路層と、を備え、
前記セラミックス基板と前記回路層との接合界面には、
前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、
前記回路層側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層と、
前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、
が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - 前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる金属層が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板。
- 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の接合体からなり、
前記セラミックス部材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、前記セラミックス基板の他方の面に形成された前記Ｃｕ部材からなる金属層と、を備え、
前記セラミックス基板と前記金属層との接合界面には、
前記セラミックス基板側に位置し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、
前記金属層側に位置し、ＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層と、
前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層と、
が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。 - セラミックスからなるセラミックス部材とＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材との接合体の製造方法であって、
Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材とＴｉ材とを介して、前記セラミックス部材と前記Ｃｕ部材とを積層する積層工程と、
積層された状態で前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度未満の温度で加熱し、前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材とを反応させてＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層を形成する第１加熱処理工程と、
前記第１加熱処理工程後に、前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層とを形成する第２加熱処理工程と、
を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。 - 前記第１加熱処理工程における加熱温度が５８０℃以上６７０℃以下の範囲内、加熱時間が３０分以上２４０分以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項８に記載の接合体の製造方法。
- セラミックスからなるセラミックス部材とＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ部材との接合体の製造方法であって、
前記Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材とを積層した状態で加熱してＣｕとＴｉを拡散させ、Ｃｕ部材と前記Ｔｉ材との間にＣｕとＴｉを含有する第１金属間化合物層を形成するＣｕＴｉ拡散工程と、
Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介して、前記セラミックス部材と、前記第１金属間化合物層が形成された前記Ｔｉ材及び前記Ｃｕ部材と、を積層する積層工程と、
前記Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材の溶融開始温度以上の温度で加熱し、ＳｎがＣｕ中に固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、前記第１金属間化合物層と前記Ｃｕ−Ｓｎ層との間に位置し、ＰとＴｉを含有する第２金属間化合物層とを形成する加熱処理工程と、
を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。 - 前記ＣｕＴｉ拡散工程における加熱温度が６００℃以上６７０℃以下の範囲内、加熱時間が３０分以上３６０分以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１０に記載の接合体の製造方法。
- 前記ＣｕＴｉ拡散工程において、積層方向の荷重が０．２９４ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１０に記載の接合体の製造方法。
- セラミックス基板の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記回路層を、請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の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。 - セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属層を、請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の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。 - セラミックス基板の一方の面にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にＡｌ又はＡｌ合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記回路層を、請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の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。
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