JP2018157115A - 絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合時におけるアルミニウム板の変形を抑制できるとともに、絶縁層とアルミニウム板とを確実に接合することができる絶縁回路基板の製造方法を提供する。【解決手段】縁層と、この絶縁層の少なくとも片方の面に接合された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と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前記絶縁層と前記アルミニウム板を積層した積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で所定の加熱温度まで加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程を有し、このアルミニウム板接合工程では、前記積層体を前記加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２を、前記加熱温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定する。【選択図】なし

Description

この発明は、絶縁層と、この絶縁層の少なくとも片方の面に接合された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と、を備えた絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法に関するものである。

パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
また、上述の絶縁回路基板においては、絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層を形成した構造のものも提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等において発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁層の他方の面側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。

例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板からなる回路層が形成されるとともに他方の面にアルミニウム板からなる金属層が形成された絶縁回路基板と、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、を備えたパワーモジュールが開示されている。また、この特許文献１には、絶縁回路基板とヒートシンクを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板が開示されている。
さらに、特許文献２には、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造のＬＥＤモジュールが開示されている。
また、特許文献３には、パワーモジュール用基板の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るとともに、金属層及びヒートシンクの他方が銅又は銅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を固相拡散接合したものが開示されている。

特許第３１７１２３４号公報 特開２０１５−０７０１９９号公報 特開２０１４−０９９５９６号公報

ところで、上述の絶縁回路基板においては、セラミックス基板にろう材等の接合材を介してアルミニウム板を積層し、これを加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で加熱することによって、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合している。
また、特許文献３に記載されたヒートシンク付き絶縁回路基板においては、絶縁回路基板とヒートシンクとを積層し、これを加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で加熱することによって、セラミックス基板とアルミニウム板とを固相拡散接合している。

ここで、絶縁回路基板やヒートシンク付き絶縁回路基板においては、絶縁層の一方の面及び他方の面とで材質や厚さ等の構造が異なっている場合には、接合時に反りが生じることがあった。この反りが生じた状態で強く加圧していると、加圧装置とアルミニウム板とが局所的に強く接触し、アルミニウム板に変形が生じ、寸法精度が低下してしまうといった問題があった。
一方、上述のアルミニウム板の変形を抑制するために、加圧荷重を低く設定した場合には、接合強度が不足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、接合時におけるアルミニウム板の変形を抑制できるとともに、絶縁層とアルミニウム板とを確実に接合することができる絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板とヒートシンクとを確実に接合することができるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の少なくとも片方の面に接合された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と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前記絶縁層と前記アルミニウム板を積層した積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で所定の加熱温度まで加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程を有し、このアルミニウム板接合工程では、前記積層体を前記加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２を、前記加熱温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定することを特徴としている。

この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、アルミニウム板接合工程では、前記絶縁層と前記アルミニウム板を積層した積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧し、前記積層体を加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２を、加熱温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定しているので、降温過程において前記加圧装置に当接されるアルミニウム板が再結晶によって硬くなる前の段階で加圧荷重Ｐ２が低くなっており、積層体（絶縁回路基板）に反りが生じた場合であっても、アルミニウム板が加圧装置に局所的に強く押圧されることがなく、アルミニウム板の変形を抑制することができる。また、加熱温度における加圧荷重Ｐ１を高く設定することができ、アルミニウム板と絶縁層とを確実に接合することができる。

ここで、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２が１．２ＭＰａ以下であることが好ましい。
この場合、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２が１．２ＭＰａ以下と比較的低く設定されているので、接合時に発生した反りに起因するアルミニウム板の変形を確実に抑制することができる。

また、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層とこの絶縁層の少なくとも一方の面に接合された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を備えた絶縁回路基板と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、前記絶縁回路基板と前記ヒートシンクを積層したヒートシンク積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で所定の加熱温度まで加熱し、前記絶縁回路基板と前記ヒートシンク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では、前記ヒートシンク積層体を前記加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２を、前記加熱温度における加圧荷重Ｐ１１よりも低く設定することを特徴としている。

この構成のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によれば、ヒートシンク接合工程では、前記ヒートシンク積層体を加圧装置を用いて積層方向に加圧し、加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２を、加熱温度における加圧荷重Ｐ１１よりも低く設定しているので、降温過程においてアルミニウム板が再結晶によって硬くなる前の段階で加圧荷重Ｐ１２が低くなっており、ヒートシンク積層体（ヒートシンク付き絶縁回路基板）に反りが生じた場合であっても、アルミニウム板が加圧装置に局所的に強く押圧されることがなく、アルミニウム板の変形を抑制することができる。また、加熱温度における加圧荷重Ｐ１１を高く設定することができ、ヒートシンクと絶縁回路基板とを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き絶縁回路基板の製造方法においては、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２が１．２ＭＰａ以下であることが好ましい。
この場合、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２が１．２ＭＰａ以下と比較的低く設定されているので、接合時に発生した反りに起因するアルミニウム板の変形を確実に抑制することができる。

本発明によれば、接合時におけるアルミニウム板の変形を抑制できるとともに、絶縁層とアルミニウム板とを確実に接合することができる絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板とヒートシンクとを確実に接合することができるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板、及び、本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの断面説明図である。 図１に示す絶縁回路基板の製造方法及びヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 図１に示す絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の他の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板の概略説明図である。 本発明の他の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板の概略説明図である。 本発明の他の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板の概略説明図である。 本発明の他の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板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１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板１０、及び、本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板３０、並びに、この絶縁回路基板１０及びヒートシンク付き絶縁回路基板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、ヒートシンク付き絶縁回路基板３０と、このヒートシンク付き絶縁回路基板３０の一方側（図１において上側）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。

はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
そして、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板３０は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に接合されたヒートシンク３１とを備えている。

絶縁回路基板１０は、図１に示すように、絶縁層とな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（図１において下面）に形成された金属層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、窒化アルミニウム、窒化珪素やアルミナ等から構成されている。また、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いる。本実施形態では、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用い、厚さは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（図１において上面）に、導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。この回路層１２の厚さｔ１は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度９９．００質量％以上９９．５０質量％未満のアルミニウム(以下、２Ｎアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板２２がセラミックス基板１１の一方の面に接合されることにより形成されており、このアルミニウム板２２の厚さｔ１が０．６ｍｍとされている。

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に、金属板が接合されることにより形成されている。この金属層１３の厚さｔ２は、０．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（以下、４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板２３がセラミックス基板１１の他方の面に接合されることにより形成されており、このアルミニウム板２３の厚さｔ２が１．６ｍｍとされている。
ここで、回路層１２と金属層１３の厚さの比ｔ１／ｔ２は、０．０１≦ｔ１／ｔ２≦０．９の範囲内とされている。

ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な材料で構成されており、例えば銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、あるいは、ＳｉＣ等からなる炭素質の多孔質体に金属を含浸させた炭素質複合材料（例えばＡｌＳｉＣ等）で構成されたものを用いることができる。
本実施形態においては、ヒートシンク３１は、無酸素銅で構成されており、このヒートシンク３１の厚さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
そして、本実施形態においては、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク３１とが、固相拡散接合によって接合されている。

次に、本実施形態である絶縁回路基板の製造方法、及び、ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法について、図２から図４を用いて説明する。
まず、図３で示すように、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム板２２を接合して回路層１２を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板２３を接合して金属層１３を形成する（アルミニウム板接合工程Ｓ０１）。

このアルミニウム板接合工程Ｓ０１においては、まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６を介在させ、回路層１２となるアルミニウム板２２を積層し、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２７を介在させ、金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する。
ここで、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６，２７においては、Ｓｉ濃度が１質量％以上１２質量％以下の範囲内のものを用いることが好ましい。また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６，２７の厚さは５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６，２７として、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔にマグネシウムを積層したマグネシウム積層ろう材を用いることができる。マグネシウム積層ろう材は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔の少なくとも一方の面に、マグネシウムを蒸着させることで得られる。

次いで、アルミニウム板２２、ろう材２６、セラミックス基板１１、ろう材２７、アルミニウム板２３の積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成し、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１とを接合して金属層１３を形成する。このとき、加圧装置は、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に当接されることになる。
このアルミニウム板接合工程Ｓ０１における接合条件は、真空条件は１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は５６０℃以上６５５℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は１０分以上１２０分以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態においては、セラミックス基板１１の一方の面側に配設されたアルミニウム板２２と他方の面側に配設されたアルミニウム板２３とが材質、厚さが異なっているため、降温過程において反りが生じることになる。

そして、このアルミニウム板接合工程Ｓ０１では、上述の積層体を加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において少なくとも加熱温度からアルミニウム板２２，２３を構成するアルミニウム又はアルミニウム合金の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２を、加熱温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定している。すなわち、加圧装置に当接されるアルミニウム板２２，２３の再結晶温度を基準として加圧荷重Ｐ２を規定しているのである。なお、加圧装置に当接されるアルミニウム板２２とアルミニウム板２３との再結晶温度が異なる場合には、再結晶温度が高い側の温度までとする。
本実施形態では、上述の積層体を加熱温度まで加熱する昇温過程及び加熱温度における加圧荷重をＰ１とし、降温過程における加圧荷重をＰ２とし、Ｐ１＞Ｐ２としている。
なお、上述のように、昇温過程、加熱温度、降温過程において加圧荷重を制御するために、本実施形態においては、ホットプレス装置を用いて積層体を加圧している。

本実施形態では、上述の積層体を加熱温度まで加熱する昇温過程及び加熱温度における加圧荷重Ｐ１を１．５ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（１５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）の範囲内に設定している。
そして、降温過程において少なくとも加熱温度からアルミニウム板２２、２３を構成するアルミニウム又はアルミニウム合金の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２を１．２ＭＰａ以下としている。
ここで、昇温過程及び加熱温度における加圧荷重Ｐ１と降温過程において、少なくとも加熱温度からアルミニウム板２２、２３の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２が１．２以上１２．０以下の範囲内であることが好ましい。

なお、加圧荷重Ｐ１の下限は１．５ＭＰａ以上（１５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上）とすることが好ましく、１．８ＭＰａ以上（１８ｋｇｆ／ｃｍ^２以上）とすることがさらに好ましい。一方、加圧荷重Ｐ１の上限は３．５ＭＰａ以下（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）とすることが好ましく、２．８ＭＰａ以下（２８ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）とすることがさらに好ましい。

また、加熱温度の下限は５６０℃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。一方、加熱温度の上限は６５５℃以下とすることが好ましく、６５０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は１０分以上とすることが好ましく、１５分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は１２０分以下とすることが好ましく、６０分以下とすることがさらに好ましい。

以上のような工程によって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。

次に、図４に示すように、この絶縁回路基板１０の金属層１３の他方側（図４において下側）にヒートシンク３１を積層する。絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とが積層されたヒートシンク積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウムと銅との共晶温度未満の加熱温度で保持することにより、金属層１３とヒートシンク３１を固相拡散接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０２）。このとき、加圧装置は、回路層１２（アルミニウム板２２）とヒートシンク３１に当接されることになる。
このヒートシンク接合工程Ｓ０２における接合条件は、真空条件は１０^−６Ｐａ以上１０^−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は４４０℃以上６１０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は１０分以上１５０分以下の範囲内に設定されている。
ここで、本実施形態においては、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１との熱膨張係数が互いに異なっているため、降温過程において反りが生じることになる。

そして、このヒートシンク接合工程Ｓ０２では、上述のヒートシンク積層体を加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において少なくとも加熱温度から回路層１２（アルミニウム板２２）を構成するアルミニウム又はアルミニウム合金の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２を、加熱温度における加圧荷重Ｐ１１よりも低く設定している。すなわち、加圧装置に当接されるアルミニウム板２２の再結晶温度を基準として加圧荷重Ｐ１２を規定しているのである。
本実施形態では、上述のヒートシンク積層体を加熱温度まで加熱する昇温過程及び加熱温度における加圧荷重をＰ１１とし、降温過程における加圧荷重をＰ１２とし、Ｐ１１＞Ｐ１２としている。
なお、上述のように、昇温過程、加熱温度、降温過程において加圧荷重を制御するために、本実施形態においては、ホットプレス装置を用いてヒートシンク積層体を加圧している。

本実施形態では、上述のヒートシンク積層体を加熱温度まで加熱する昇温過程及び加熱温度で保持する保持過程における加圧荷重Ｐ１１を１．５ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（１５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）の範囲内に設定している。
そして、降温過程において少なくとも加熱温度から回路層１２（アルミニウム板２２）を構成するアルミニウム又はアルミニウム合金の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２を１．２ＭＰａ以下としている。
ここで、昇温過程及び加熱温度における加圧荷重Ｐ１１と降温過程において、少なくとも加熱温度から回路層１２（アルミニウム板２２）の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２との比Ｐ１／Ｐ２が１．２以上１２．０以下の範囲内であることが好ましい。

なお、加圧荷重Ｐ１１の下限は１．５ＭＰａ以上（１５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上）とすることが好ましく、１．８ＭＰａ以上（１８ｋｇｆ／ｃｍ^２以上）とすることがさらに好ましい。一方、加圧荷重Ｐ１１の上限は３．５ＭＰａ以下（３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）とすることが好ましく、２．８ＭＰａ以下（２８ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）とすることがさらに好ましい。

また、加熱温度の下限は４４０℃以上とすることが好ましく、４８０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は６１０℃以下とすることが好ましく、５４０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は１５分以上とすることが好ましく、３０分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は１５０分以下とすることが好ましく、１２０分以下とすることがさらに好ましい。

以上のような工程によって、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板３０が製造される。
次いで、回路層１２の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、加熱炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ０３）。
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である絶縁回路基板の製造方法によれば、アルミニウム板接合工程Ｓ０１では、積層体を加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において少なくとも前記加熱温度℃からアルミニウム板２２、２３を構成するアルミニウム又はアルミニウム合金の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２を、加熱温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定しているので、降温過程においてアルミニウム板２２、２３が再結晶によって硬くなる前の段階で加圧荷重Ｐ２が低くなっており、積層体（絶縁回路基板１０）に反りが生じた場合であっても、アルミニウム板２２、２３が加圧装置に局所的に強く押圧されることがなく、アルミニウム板２２、２３（回路層１２及び金属層１３）の変形を抑制することができる。また、昇温過程及び加熱温度における加圧荷重Ｐ１を高く設定することができ、アルミニウム板２２，２３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。

さらに、本実施形態においては、降温過程において少なくとも前記加熱温度からアルミニウム板２２，２３の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２が１．２ＭＰａ以下とされているので、積層体（絶縁回路基板１０）に反りが生じた場合であっても、アルミニウム板２２、２３（回路層１２及び金属層１３）の変形を確実に抑制することができる。
また、本実施形態においては、昇温過程及び加熱温度における加圧荷重Ｐ１を１．５ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（１５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）の範囲内に設定しているので、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２、２３とを強固に接合することができる。

また、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によれば、ヒートシンク接合工程Ｓ０２では、ヒートシンク積層体を加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において少なくとも加熱温度から回路層１２（アルミニウム板２２）の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２を、加熱温度における加圧荷重Ｐ１１よりも低く設定しているので、降温過程において回路層１２（アルミニウム板２２）が再結晶によって硬くなる前の段階で加圧荷重Ｐ１２が低くなっており、回路層１２（アルミニウム板２２）の変形を抑制することができる。また、加熱温度における加圧荷重Ｐ１１を高く設定することができ、ヒートシンク３１と絶縁回路基板１０とを確実に接合することができる。

さらに、本実施形態においては、降温過程において少なくとも前記加熱温度から回路層１２（アルミニウム板２２）の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２が１．２ＭＰａ以下とされているので、ヒートシンク積層体（ヒートシンク付き絶縁回路基板３０）に反りが生じた場合であっても、回路層１２（アルミニウム板２２）の変形を確実に抑制することができる。
また、本実施形態においては、昇温過程及び加熱温度における加圧荷重Ｐ１１を１．５ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下（１５ｋｇｆ／ｃｍ^２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下）の範囲内に設定しているので、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク３１とを強固に接合することができる。

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、絶縁回路基板の回路層にパワー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、本実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層を樹脂等で構成したものであってもよい。

さらに、本実施形態では、セラミックス基板とアルミニウム板とを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、固相拡散接合によって接合してもよい。さらに、接合面にＣｕ、Ｓｉ等の添加元素を固着させ、これらの添加元素を拡散させることで溶融・凝固させる過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合してもよい。また、接合界面を半溶融状態として接合してもよい。

また、本実施形態では、絶縁回路基板（金属層）とヒートシンクとを固相拡散接合によっ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、ろう付け、ＴＬＰ等の他の接合方法を適用してもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを銅板の放熱板から成るものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム又はアルミニウム合金（例えばＡ３００３合金、Ａ６０６３合金等）、あるいは、ＳｉＣ等からなる炭素質の多孔質体に金属を含浸させた炭素質複合材料（例えばＡｌＳｉＣ等）で構成されていてもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えたものであってもよい。

ここで、ＡｌＳｉＣ等の炭素質複合材料からなるヒートシンクを用いる場合には、例えば、図５に示すような構造のヒートシンク付き絶縁回路基板１３０を提供することができる。図５に示す絶縁回路基板１１０は、セラミックス基板１１１の一方の面にアルミニウム板を接合して回路層１１２が形成されるとともに、セラミックス基板１１１の他方の面にアルミニウム板を接合して金属層１１３が形成されている。また、ヒートシンク１３１は、ＳｉＣの多孔質体に含浸されたアルミニウム材からなるスキン層１３１ａを有している。そして、絶縁回路基板１１０とヒートシンク１３１との間に銅板１５０が介在し、絶縁回路基板１１０の金属層１１３と銅板１５０、銅板１５０とヒートシンク１３１のスキン層１３１ａとがそれぞれ固相拡散接合されている。

また、本実施形態においては、アルミニウム板とセラミックス基板との接合と、絶縁回路基板とヒートシンクの接合を、別の工程で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、アルミニウム板、セラミックス基板、ヒートシンクを積層して、これを積層方向に加圧して加熱し、これらの接合を同一の工程で実施してもよい。

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にそれぞれアルミニウム板を接合して回路層及び金属層を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、接合時において、積層体に対して高荷重で加圧するとともに、加圧装置がいずれかのアルミニウム板に当接する構成であればそのよい。
さらに、アルミニウム板としては、純度９９．９質量％以上のアルミニウムや純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム等のアルミニウム板、又は、アルミニウム合金板を用いることもできる。

例えば、図６に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面にのみアルミニウム板を接合して回路層２１２が形成されるとともに、セラミックス基板２１１の他方の面側に金属層が形成されていない絶縁回路基板２１０を対象としてもよい。
また、図７に示すように、回路層３１２及び金属層３１３の一方をアルミニウム板からなるものとし、回路層３１２及び金属層３１３の他方を他の金属等で構成した絶縁回路基板３１０を対象としてもよい。
さらに、図８に示すように、金属層４１３がアルミニウム板で構成され、回路層４１２がアルミニウム層４１２ａと銅層４１２ｂが積層された構造の絶縁回路基板４１０を対象としてもよい。

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。

（実施例１）
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）を準備し、このセラミックス基板の一方の面に表１記載のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延材からなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．４ｍｍｔ）をろう材を介して積層し、セラミックス基板の他方の面に表１記載のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延材からなるアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．４ｍｍｔ）をろう材を介して積層した。なお、ろう材として、Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ１２μｍ）を用いた。

この積層体を加圧装置（ホットプレス）を用いて積層方向に加圧して、６．０×１０^−４Ｐａの雰囲気において表１に示す加熱温度にまで加熱し、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合した。このとき、加熱温度までの昇温過程及び加熱温度における加圧荷重、加熱温度からの降温過程における加圧荷重を、表１に示す条件とした。

上述のようにして得られた絶縁回路基板について、回路層及び金属層の変形、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合状態を、以下のように評価した。

（回路層及び金属層の変形）
回路層及び金属層を上面からレーザー顕微鏡（キーエンス社製ＶＫ−Ｘ２００）を用いて倍率１０倍で観察し、回路層及び金属層の接合端部から０．５ｍｍの範囲内における平均厚みを測定し、回路層及び金属層の接合端部から２ｍｍの位置における厚みから５％以上減少した場合を「×」と評価した。回路層及び金属層のいずれかに変形が見られた場合、「×」と評価した。

（接合性評価）
接合率は回路層とセラミックス基板との接合部の超音波探傷像を、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて測定し、以下の式から接合率を算出した。
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、回路層の面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
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。
接合率が９０％以上を「○」と評価した。

加熱温度から加圧装置に当接されるアルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２が加熱温度における加圧荷重Ｐ１と同一とされ、再結晶温度未満の加圧荷重を低くした比較例１においては、回路層及び金属層（アルミニウム板）の変形が認められた。降温過程において加圧装置とアルミニウム板とが局所的に強く接触し、回路層及び金属層（アルミニウム板）に変形が生じたと推測される。
昇温・保持時及び再結晶温度未満までの降温時における加圧荷重を比較的高い荷重で一定とした従来例１においては、回路層及び金属層（アルミニウム板）の変形が認められた。降温過程において加圧装置とアルミニウム板とが局所的に強く接触し、回路層及び金属層（アルミニウム板）に変形が生じたと推測される。
昇温・保持時及び再結晶温度未満までの降温時における加圧荷重を比較的低い荷重で一定とした従来例２においては、回路層及び金属層（アルミニウム板）とセラミックス基板とを接合することができなかった。

これに対して、少なくとも加熱温度から加圧装置に当接されるアルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２を、加熱温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定した本発明例１〜１３においては、回路層及び金属層（アルミニウム板）の変形は認められず、セラミックス基板と回路層及び金属層（アルミニウム板）とを確実に接合することができた。

（実施例２）
上述の本発明例１の絶縁回路基板を準備するとともに、ヒートシンクとして表２記載の材質からなる板材（５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ）を準備した。
絶縁回路基板の金属層側にヒートシンクを積層し、このヒートシンク積層体を加圧装置（ホットプレス）を用いて積層方向に加圧して、６．０×１０^−４Ｐａの雰囲気において表２に示す加熱温度にまで加熱し、金属層とヒートシンクとを固相拡散接合した。このとき、加熱温度までの昇温過程及び加熱温度における加圧荷重Ｐ１１、加熱温度からの降温過程における加圧荷重を、表２に示す条件とした。なお、ヒートシンクの材質としてアルミニウム合金（Ａ６０６３）及びＡｌＳｉＣを用いた場合には、絶縁回路基板とヒートシンク（ＡｌＳｉＣ又はＡ６０６３）の間に銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．２ｍｍｔ）を介して積層し、接合した。

上述のようにして得られたヒートシンク付き絶縁回路基板について、回路層の変形、絶縁回路基板（金属層）とヒートシンクとの接合状態を、以下のように評価した。

（回路層の変形）
回路層を上面からレーザー顕微鏡（キーエンス社製ＶＫ−Ｘ２００）を用いて倍率１０倍で観察し、回路層及の接合端部から０．５ｍｍの範囲内における平均厚みを測定し、回路層の接合端部から２ｍｍの位置における厚みから５％以上減少した場合を「×」と評価した。

（接合性評価）
接合率は絶縁回路基板の金属層とヒートシンクとの接合部（ヒートシンクがＡｌＳｉＣ又はＡ６０６３の場合には絶縁回路基板と銅層との接合部）の超音波探傷像を、超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて測定し、以下の式から接合率を算出した。
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、即ち、絶縁回路基板の金属層の面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
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。
接合率が９０％以上を「○」と評価した。

加熱温度から加圧装置に当接されるアルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２が加熱温度における加圧荷重Ｐ１１と同一とされ、再結晶温度未満の加圧荷重を低くした比較例２１においては、回路層（アルミニウム板）の変形が認められた。降温過程において加圧装置とアルミニウム板とが局所的に強く接触し、回路層（アルミニウム板）に変形が生じたと推測される。
昇温・保持時及び再結晶温度未満までの降温時における加圧荷重を比較的高い荷重で一定とした従来例２１においては、回路層（アルミニウム板）の変形が認められた。降温過程において加圧装置とアルミニウム板とが局所的に強く接触し、回路層（アルミニウム板）に変形が生じたと推測される。
昇温・保持時及び再結晶温度未満までの降温時における加圧荷重を比較的低い荷重で一定とした従来例２２においては、絶縁回路基板とヒートシンクとを接合することができなかった。

これに対して、少なくとも加熱温度から加圧装置に当接されるアルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２を、加熱温度における加圧荷重Ｐ１１よりも低く設定した本発明例２１〜３４においては、回路層（アルミニウム板）の変形は認められず、絶縁回路基板とヒートシンクとを確実に接合することができた。

１ パワーモジュール
３ 半導体素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層（アルミニウム板）
１３ 金属層（アルミニウム板）
３０ ヒートシンク付き絶縁回路基板
３１ ヒートシンク

Claims (4)

1. 絶縁層と、この絶縁層の少なくとも片方の面に接合された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と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記絶縁層と前記アルミニウム板を積層した積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で所定の加熱温度まで加熱し、前記絶縁層と前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程を有し、
   このアルミニウム板接合工程では、前記積層体を前記加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２を、前記加熱温度における加圧荷重Ｐ１よりも低く設定することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
2. 少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ２が１．２ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板の製造方法。
3. 絶縁層とこの絶縁層の少なくとも一方の面に接合された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を備えた絶縁回路基板と、前記絶縁層の他方の面側に配設されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、
   前記絶縁回路基板と前記ヒートシンクを積層したヒートシンク積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で所定の加熱温度まで加熱し、前記絶縁回路基板と前記ヒートシンク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では、前記ヒートシンク積層体を前記加熱温度まで昇温した後に温度を下降させる降温過程において、少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２を、前記加熱温度における加圧荷重Ｐ１１よりも低く設定することを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
4. 少なくとも前記加熱温度から前記加圧装置に当接される前記アルミニウム板の再結晶温度までの温度領域における加圧荷重Ｐ１２が１．２ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。

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