JP5004792B2 - Ｃｕ−Ｍｏ基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＣｕ−Ｍｏ基板に関し、特に、自動車などに搭載されるパワーモジュール用の放熱部材として好適に用いられるＣｕ−Ｍｏ基板に関する。

モータ駆動などに用いられるパワーモジュールは、パワートランジスタなどの半導体素子（チップ）と、放熱用基板（ヒートシンク材）とが搭載された回路基板とを備えている。最近では、高速動作が可能なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体素子が主に用いられている。

図８を参照しながら、一般的なパワーモジュールの概略を説明する。

パワーモジュール３００は、放熱部材１０１と、セラミックス基板などの回路基板１０８と、ＩＧＢＴなどの半導体チップ１０９とから構成されている。回路基板１０８は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などから形成されたセラミックス板１０８ａの両面に銅箔の回路板１０８ｂ、１０８ｃが直接接合されたＤｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ基板である。放熱部材１０１と回路基板１０８との間は、Ｓｎ−Ｐｂなどのはんだ層１１２で接合されている。回路基板１０８と半導体チップ１０９との間は、Ａｇ−Ｃｕなどのはんだ層１１１で接合されている。

近年、回路の高集積化が進展し、また半導体素子の動作速度が向上するにつれ、半導体チップの消費電力は大きく増加するとともに、チップの発熱量も急激に増大しつつある。チップの発熱は素子の動作速度や寿命を低下させるだけではなく、チップの剥離や割れを生じさせるという大きな問題を引き起こす。

この問題を解決するため、放熱用基板に用いられる材料は、高い熱伝導率と、半導体チップの熱膨張係数と実質的に等しい熱膨張係数とを備えていることが要求される。放熱用基板用材料の熱膨張係数と半導体チップの熱膨張係数との差が大きいと、いくら熱伝導性に優れた材料を用いても、半導体チップが放熱用基板から剥離したり、割れたりしてしまうおそれがあるからである。

放熱用基板として、従来、Ｃｕ−Ｍｏ基板やＣｕ−Ｗ基板などの異種金属からなる複合材料が汎用されている。これらの基板は、高い熱伝導率を有するＣｕと、Ｓｉなどの半導体素子との熱膨張係数差が小さいＭｏまたはＷとから形成されているため、熱伝導率および熱膨張係数の双方において実用上満足すべき値を示している。特に、ＭｏはＷに比べて低価格のため、Ｃｕ−Ｍｏ基板が汎用されている。Ｃｕ−Ｍｏ基板としては、例えば、Ｃｕ基材とＭｏ基材とを圧延などによって接合したＣｕ−Ｍｏクラッド材が汎用されている。

前述したとおり、放熱用基板は、ろう付けによって回路基板や半導体素子と接合される。ＣｕとＭｏとは、ろう材に対する濡れ性などが異なるため、ろう付けを行いやすくし、耐食性を高める目的で、Ｃｕ−Ｍｏ基板の表面は、通常、Ｎｉめっき層で被覆される。

しかしながら、ＣｕとＭｏとは、Ｎｉめっき層の形成し易さが全く異なるため、一つのめっき浴中で、Ｃｕ基材の表面と同時にＭｏ基材の表面にも密着性に優れたＮｉめっき層を形成することは困難である。Ｃｕは周知のとおり、Ｎｉめっき層を形成し易いが、Ｍｏは酸化しやすく、硬くて脆い酸化膜が表面に形成されるため、Ｎｉめっき層を形成し難いからである。

例えば、特許文献１は、放熱基板と金属部品との接合部における空隙や亀裂などの欠陥不良を抑制する技術を開示している。ここでは、Ｃｕ−Ｍｏ複合合金の放熱基板とＭｏの金属部品とを接合するに当たり、それぞれの全表面に、別々に、Ｎｉめっき処理を施しており、これにより、ろう材との濡れ性を改善している。しかしながら、この方法によれば、それぞれの材料に適したＮｉめっき処理を別個に行う必要があり、生産性に劣る。

あるいは、Ｃｕ−Ｍｏ基板に対し、電解めっき法を用いてＮｉめっき層を形成する前に、赤血カリウム（フェリシアン化カリウム）を用いてＭｏ基板の表面をエッチングし、Ａｕ薄膜またはＮｉ薄膜を堆積した後、拡散熱処理を行うという前処理工程を行う方法が汎用されている。しかしながら、この方法によれば、後記する実施例の欄に説明するように、Ｍｏ基板には良好なＮｉめっき層が形成されるのに対し、Ｃｕの表面は、エッチングによって粗面化して膨れなどが生じるため、Ｎｉめっき層が剥離してしまう。また、この方法では、Ｎｉめっきを行う前に多くの処理を行わなければならず、生産性が低下する。

一方、特許文献２には、無電解めっき法を用い、Ｃｕ−Ｍｏ基板の表面に、直接、Ｎｉめっき層を形成する方法が記載されている。無電解めっきは、電解めっきに比べ、複雑な形状のワークを均一にめっきすることが可能であり、且つ、硬度が高く、耐摩耗性に優れたＮｉめっき皮膜が得られるなどの利点がある。
特開平６−３４４１３１号公報（住友電気工業） 特開昭６２−１８３１３２号公報（富士電機）

ところが、特許文献２に記載の方法では、後記する実施例の欄に説明するように、Ｍｏ基材の表面露出部分（Ｍｏ基材の表面のうち、Ｃｕ基材と接触していない領域の部分、以下、「Ｍｏ基材の表面露出領域」と呼ぶ場合がある。）に対し、Ｎｉめっき層を密着性良く形成することは困難である。

本発明は上記の諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、パワーモジュールの放熱用基板として好適に用いられるＣｕ−Ｍｏ基板であって、Ｃｕ−Ｍｏ基板に対し、一つのめっき浴中でＮｉめっきを施すことによってＣｕ基材の表面と同時にＭｏ基材の表面にも密着性に優れたＮｉめっき層を形成することが可能なＣｕ−Ｍｏ基板、およびその製造方法を提供することにある。本発明の他の目的は、このようなＣｕ−Ｍｏ基板から形成された放熱用基板を用いたパワーモジュールを提供することにある。

本発明のＣｕ−Ｍｏ基板は、Ｃｕを主成分として含有するＣｕ基材と、対向する第１および第２の主面を有し、Ｍｏを主成分として含有するＭｏ基材であって、前記Ｍｏ基材の前記第２の主面は、前記Ｃｕ基材の主面の上に配置されたＭｏ基材と、前記Ｍｏ基材の前記第１の主面および側面を覆う１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層とを備えている。

ある好ましい実施形態において、前記Ｃｕ基材の主面と前記Ｍｏ基材の前記第２の主面との間に設けられた１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層を更に備えている。

ある好ましい実施形態において、前記Ｃｕ基材の表面の少なくとも一部と、前記Ｍｏ基材を覆う前記第１のＳｎ−Ｃｕ合金層とを覆うＮｉめっき層を更に備えている。

ある好ましい実施形態において、前記第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層は、前記Ｍｏ基材の前記第１の主面と接する第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有し、前記第２面におけるＳｎの濃度は、前記第１面におけるＳｎの濃度よりも高い。

本発明のパワーモジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の熱を外部に伝達する機能を果たす放熱用基板とを備えたパワーモジュールであって、前記放熱用基板は、上記のＣｕ−Ｍｏ基板から構成されている。

ある好ましい実施形態において、前記半導体素子はＩＧＢＴである。

本発明によるＣｕ−Ｍｏ基板の製造方法は、上記のＣｕ−Ｍｏ基板を製造する方法であって、前記Ｃｕ基材と、前記Ｍｏ基材と、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層とを用意する工程（ａ）と、前記Ｃｕ基材の主面の上に前記Ｍｏ基材と前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層とをこの順で配置した状態で、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を溶融する工程（ｂ）とを含んでいる。

ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、前記Ｃｕ基材と前記Ｍｏ基材とが接合されたクラッド材を用意する工程（ａ１）を含む。

ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、前記Ｍｏ基材の前記第１の主面の上に１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層が接合され、且つ、前記第２の主面の下に１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層が接合されたクラッド材を用意する工程（ａ２）を含み、前記工程（ｂ）は、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層および前記更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層を溶融する工程（ｂ１）を含む。

ある好ましい実施形態において、前記工程（ａ）は、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層を更に用意する工程（ａ３）を含み、前記工程（ｂ）は、前記Ｃｕ基材の主面の上に前記更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層と前記Ｍｏ基材と前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層とをこの順で配置した状態で、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層および前記更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層を溶融する工程（ｂ２）を含む。

本発明によるＣｕ−Ｍｏ基板の製造方法は、上記のＣｕ−Ｍｏ基板を製造する方法であって、前記Ｃｕ基材と、前記Ｍｏ基材と、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層とを用意する工程（ａ）と、前記Ｍｏ基材の前記第１の主面の上に前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を配置した状態で、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を溶融することによって、前記Ｍｏ基材の前記第１の主面および側面を覆うＳｎ−Ｃｕ系合金層を形成する工程（ｂ）と、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層が形成された前記Ｍｏ基材の前記第２の主面を前記Ｃｕ基材の主面と接合する工程（ｃ）とを含む。

本発明のＣｕ−Ｍｏ基板は、Ｍｏ基材の表面が、Ｃｕの組成に近く、且つ、Ｎｉめっき層との密着性に優れたＳｎ−Ｃｕ系合金層によって被覆されている。そのため、Ｃｕ−Ｍｏ基板に対し、別々のＮｉめっき処理を施すことなしに、Ｎｉめっき処理を直接施すことができ、これにより、密着性に優れたＮｉめっき層を形成することができる。さらに、本発明のＣｕ−Ｍｏ基板は、高い熱伝導率と、半導体チップの熱膨張係数と実質的に等しい熱膨張係数とを備えているため、半導体素子の熱を外部に伝達する機能を果たす放熱用基板として好適に用いられ、特に、パワーモジュール用の放熱用基板として有用である。本発明のＣｕ−Ｍｏ基板を備えたパワーモジュールは、放熱特性に優れており、熱膨張係数差に起因する半導体チップの剥離や割れを回避することができる。

本発明による第１の実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板１０の構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、第１の実施形態における第１の方法を模式的に示す工程断面図である。 本発明による第２の実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板２０の構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、第２の実施形態における第２の方法を模式的に示す工程断面図である。 （ａ）から（ｅ）は、第２の実施形態における第３の方法を模式的に示す工程断面図である。 本発明による第３の実施形態のパワーモジュールの構成を模式的に示す断面図である。 発明例１のＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板の断面を表す写真である。 一般的なパワーモジュールの構成の概略を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１、１１ Ｃｕ基材
１ａ、１１ａ Ｃｕ基材の主面
２、１２ Ｍｏ基材
２ａ、１２ａ Ｍｏ基材の第１の主面
２ｂ、１２ｂ Ｍｏ基材の第２の主面
２ｃ、２ｄ、１２ｃ、１２ｄ Ｍｏ基材の側面
３ 第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層
４、１４ Ｎｉめっき層
５ Ｃｕ基材とＭｏ基材とが接合されたクラッド材
６ Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材
１３ Ｓｎ−Ｃｕ系合金層
１３ａ 第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層
１３ｂ 第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層
１５ Ｍｏ基材の両面にＳｎ−Ｃｕ系合金層が接合されたクラッド材
１０、２０ Ｃｕ−Ｍｏ基板
２１ Ｃｕ基材
２２ａ、２２ｂ Ｍｏ基材
２３ａ、２３ｂ Ｓｎ−Ｃｕ系合金層
２４ Ｎｉめっき層
３０ 第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０
３１ａ Ｃｕ基材
３２ａ Ｍｏ基材
３３ａ、３３ｂ Ｓｎ−Ｃｕ系合金層
３４ａ Ｎｉめっき層
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ 第２のＣｕ−Ｍｏ基板
５０ａ、５０ｂ セラミックス基板
５１、５２ Ｓｎ−Ｐｂなどのはんだ層
５３ａ、５３ｂ Ａｇ−Ｃｕなどのはんだ層
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 半導体チップ
７０ａ、７０ｂ Ａｌワイヤ
８０、３００ パワーモジュール
９０、１２０ Ｃｕ−Ｍｏ積層板
９１，１２１ Ｃｕ基材
９１ａ，１２１ａ Ｃｕ基材の主面
９２、１２２ Ｍｏ基材
９２ａ、１２２ａ Ｍｏ基材の第１の主面
９２ｂ、１２２ｂ Ｍｏ基材の第２の主面
９２ｃ、９２ｄ Ｍｏ基材の側面
９３、１２３ Ｓｎ−Ｃｕ系合金層
１００、２００ Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板
１０１ 放熱部材
１０８ 回路基板（セラミックス基板）
１０８ａ セラミックス板
１０８ｂ、１０８ｃ 銅箔の回路板
１０９ 半導体チップ
１１１、１１２ はんだ層

本発明者は、Ｎｉめっき層の形成し易さが全く異なるＣｕ基材とＭｏ基材とから構成されるＣｕ−Ｍｏ基板に対し、密着性に優れたＮｉめっき層を同時に形成することが可能なＣｕ−Ｍｏ基板を提供するため、特に、Ｃｕ基材とＭｏ基材とを接合し得るろう材に着目して種々の検討を行った。その結果、所定量のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材を用い、Ｍｏ基材の表面露出領域を少なくとも覆うようにＳｎ−Ｃｕ系合金層を設けると所期の目的が達成されることを見出し、本発明に到達した。

以下、本発明に到達した経緯を説明する。

本発明に用いられるＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材は、本発明による国際公開公報ＷＯ ２００６／１６４７９Ａ１に記載されたろう材と同じであり、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含んでいる。上記国際公開公報には、上記のＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材をＣｕ基材とＭｏ基材との間（接合面）に配置して加熱溶融することにより、接合面にＳｎ−Ｃｕ系合金層が形成されたＣｕ−Ｍｏ基板（以下、先願発明のＣｕ−Ｍｏ基板と呼ぶ場合がある。）が開示されている。先願発明によれば、半導体素子との熱膨張係数差も小さく、高い熱伝導率を備えたＣｕ−Ｍｏ基板が得られる。

その後、本発明者は、上記のＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材がＣｕ基材とＭｏ基材との濡れ性に極めて優れており、しかも、Ｎｉめっき層との密着性にも優れていることを突き止めた。従って、このようなろう材を用い、Ｍｏ基材の表面露出領域を少なくとも覆うようにＳｎ−Ｃｕ系合金層を形成すれば、Ｃｕ基材に対するＮｉめっき処理をそのまま、Ｃｕ−Ｍｏ基板にも適用できることを見出し、本発明に到達した。

本発明のＣｕ―Ｍｏ基板には、Ｍｏ基材の表面露出領域（Ｍｏの上面および側面）を少なくとも覆うようにＳｎ−Ｃｕ系合金層が形成されている点で、Ｃｕ基材とＭｏ基材との接合面にのみＳｎ−Ｃｕ系合金層が形成されている先願発明のＣｕ−Ｍｏ基板と構成が相違する。本発明によれば、Ｎｉめっき層を形成することが困難であったＭｏ基材の表面露出領域は所定のＳｎ−Ｃｕ系合金層によって被覆されているため、Ｎｉめっき層との密着性を高めることができる。しかも、このＳｎ−Ｃｕ系合金層は、先願発明におけるＳｎ−Ｃｕ系合金層と同様、１質量％以上１３質量％以下の範囲内にあるＳｎを含有しているため、本発明のＣｕ−Ｍｏ基板は、先願発明のＣｕ−Ｍｏ基板による特性（優れた熱伝導性と、半導体素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数）も具備している。従って、本発明のＣｕ−Ｍｏ基板は、特に、パワーモジュール用の放熱用基板として有用である。

（Ｃｕ−Ｍｏ基板）
本発明による実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板および製造方法を説明する。

以下では、図面を参照しながら各実施形態を詳しく説明する前に、まず、本実施形態の概略を説明する。

前述したとおり、本実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板は、Ｍｏ基材の表面露出領域（Ｃｕ基材と接合していない部分）を少なくとも覆うように所定のＳｎ−Ｃｕ系合金層が設けられたことに特徴がある。

Ｃｕ−Ｍｏ基板の代表例としては、例えば、後記する図１に示すように、Ｍｏ基材の上面および側面に第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層が設けられた基板や、後記する図３に示すように、Ｍｏ基材とＣｕ基材の間（接合面）に第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層が更に設けられた基板が挙げられる。

本実施形態によるＣｕ−Ｍｏ基板の好ましい製造方法は、Ｃｕ基材と、Ｍｏ基材と、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層とを用意する工程（ａ）と、Ｃｕ基材の主面（上面）の上にＭｏ基材とＳｎ−Ｃｕ系合金層とをこの順で配置した状態で、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を溶融する工程（ｂ）とを含んでいる。

この方法は、Ｃｕ基材の上面にＭｏ基材とＳｎ−Ｃｕ系合金層とを順次、配置してから、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を溶融することによって、Ｍｏ基材の表面を覆うように第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層、更には第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層を形成する方法である。ここで、Ｍｏ基材の上に配置される「Ｓｎ−Ｃｕ系合金層」は、目的とする第１および第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層の形成に用いられるＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材を含む。Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材の形状は特に限定されず、粉末状や箔状などのろう材のほか、所定の形状に加工された成形体（圧延材など）であってもよい。

具体的には、後に詳しく説明するとおり、例えば、以下に示す第１の方法から第３の方法が挙げられる。本実施形態の製造方法は、これらに限定する趣旨ではない。

第１の方法は、Ｃｕ基材とＭｏ基材とが接合されたクラッド材を用意し（工程（ａ１））、このクラッド材の上（厳密には、Ｍｏ基材の上面）にＳｎ−Ｃｕ系合金層を配置して溶融する方法である。第１の方法によれば、Ｍｏ基材の上面および側面を覆う第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層が形成される（後記する図２を参照）。

第２の方法は、Ｍｏ基材の両面のそれぞれに、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層が接合されたクラッド材を用意し（工程（ａ２））、これらのＳｎ−Ｃｕ系合金層を溶融する方法である。第２の方法によれば、Ｍｏ基材の上面および側面、並びにＭｏ基材とＣｕ基材との間に第１および第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層が形成される（後記する図４を参照）。

第３の方法は、Ｃｕ基材とＭｏ基材との間、およびＭｏ基材の上面に、それぞれ、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を載置し（工程（ａ３））、溶融する方法である。第３の方法によれば、第２の方法と同様、Ｍｏ基材の表面をすべて覆うように第１および第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層が形成される（後記する図５を参照）。

本実施形態によるＣｕ−Ｍｏ基板の他の好ましい製造方法は、Ｃｕ基材と、Ｍｏ基材と、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層とを用意する工程（ａ）と、Ｍｏ基材の上面にＳｎ−Ｃｕ系合金層を配置した状態で、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を溶融することによってＭｏ基材の上面および側面を覆うＳｎ−Ｃｕ系合金層を形成する工程（ｂ）と、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層が形成されたＭｏ基材の下面をＣｕ基材と接合する工程（ｃ）とを含んでいる。

この方法は、Ｍｏ基材の上面または両面に載置されたＳｎ−Ｃｕ系合金層を溶融し、Ｍｏ基材の表面の少なくとも一部を覆うＳｎ−Ｃｕ系合金層を形成してから、このようなＭｏ基材をＣｕ基材と接合する方法である。具体的には、例えば、Ｍｏ基材の上面にＳｎ−Ｃｕ系合金層を載置し、溶融することによってＭｏ基材の上面および側面を覆うＳｎ−Ｃｕ系合金層を形成した後、このようなＭｏ基材とＣｕ基材との間に更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層を配置して溶融する方法が挙げられる。この方法によれば、Ｍｏ基材の表面をすべて覆うように第１および第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層が形成されたＣｕ−Ｍｏ基板が得られる。あるいは、Ｍｏ基材の両面のそれぞれにＳｎ−Ｃｕ系合金層を載置し、溶融することによってＭｏ基材の表面をすべて覆うＳｎ−Ｃｕ系合金層を形成してから、Ｃｕ基材と接合してもよい。

以下、図面を参照しながら、本実施形態によるＣｕ−Ｍｏ基板の構成および製造方法を詳しく説明する。

（実施形態１）
図１を参照しながら、本発明による第１の実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板１０を説明する。Ｃｕ−Ｍｏ基板１０の表面は、Ｎｉめっき層４で被覆されている。以下では、説明の便宜のため、Ｎｉめっき層が形成される前の基板を「Ｃｕ−Ｍｏ基板」と呼び、Ｃｕ−Ｍｏ基板にＮｉめっき層が被覆された基板を「Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板」と呼ぶ。

本実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板１０は、Ｃｕを主成分として含有するＣｕ基材（以下、単に、「Ｃｕ基材」と呼ぶ場合がある。）１と、Ｍｏを主成分として含有するＭｏ基材（以下、単に、「Ｍｏ基材」と呼ぶ場合がある。）２と、第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３とを備えている。

Ｍｏ基材２は、対向する第１の主面２ａと第２の主面２ｂとを有し、Ｍｏ基材２の第２の主面２ｂは、Ｃｕ基材１の主面１ａの上に配置されている。以下では、便宜上、Ｍｏ基材の第１の主面２ａを「Ｍｏ基材２の上面」と呼び、第２の主面２ｂを「Ｍｏ基材２の下面」と呼ぶ場合がある。図１には、Ｃｕ基材１の上にＭｏ基材２が部分的に配置されたＣｕ−Ｍｏ基板の例を示しているが、これに限定されない。例えば、Ｃｕ基材１の上に、Ｃｕ基材の長さ１Ｌとほぼ同じ長さ２ＬのＭｏ基材２が配置されていてもよい。これは、後記する実施形態においても同様である。

本実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板１０は、図１に示すように、Ｍｏ基材２の表面露出領域（Ｍｏ基材２の第１の主面２ａ、および側面２ｃ、２ｄ）を覆うように第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３が設けられている点に特徴がある。

第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３は、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含有している。第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３に含まれるＳｎの量を１質量％以上に制御することにより、優れた熱伝導性と、半導体素子の熱膨張係数に近い熱膨張係数とを備えており、且つ、Ｎｉめっき層との密着性にも優れたＣｕ−Ｍｏ基板を得ることができる。

Ｓｎの含有量が１質量％以上のＳｎ−Ｃｕ系合金層はＮｉに対して良好な濡れ性を有しており、Ｓｎの含有量が２質量％以上であると特に濡れ性に優れるので好ましい。一方、Ｓｎの含有量が１３質量％を超えると、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層が脆くなり、割れやひびが発生しやすくなる。また、Ｓｎの含有量が１３質量％を超えると、めっき時にＳｎ−Ｃｕ系合金層中のＳｎがＮｉめっき被膜に溶出し、あるいは、Ｓｎが酸化され、その結果、Ｎｉめっき被膜にボイド（空孔）が生成することがある。Ｎｉめっき被膜にボイドが生成すると、Ｎｉめっき膜の膨れやはがれが発生することがある。ボイドの発生を効果的に防止するためには、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層３に含まれるＳｎの含有量は、５質量％以下であることが好ましい。

上述したように、第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３のＳｎ含有量を２質量％以上５質量％以下に制御することによって、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層のＮｉに対する濡れ性が特に良好となり、Ｎｉめっき膜の密着性が向上するとともに、均一な厚さのＭｉめっき膜を得ることができる。また、Ｓｎの溶出や酸化に起因するボイドの生成も防止される。

さらに、Ｓｎの含有量は、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層の厚さ方向によっても相違する。例えば、Ｍｏ基材２の上面２ａに形成されたＳｎ−Ｃｕ系合金層３Ａについて、厚さ方向の断面におけるＳｎの分布をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）分析法を用いて調べたところ、Ｓｎは、上記合金層３Ａに均一に分布しているのではなく、後記する図７に示すように、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層３Ａの表面（Ｍｏ基材２の第１の主面２ａと接する面と対向する面）に高い濃度で存在することが分かった。このようにＳｎ−Ｃｕ系合金層の表面にＳｎの高濃度領域（濃縮層）が形成される理由は、Ｓｎは酸化されやすく、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層の形成過程で、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層の表面側に向かって移動するためと推察される。詳細な実験結果は、後記する実施例の欄で詳しく説明する。このような傾向は、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層の上にＮｉめっき層４が形成された後においても、同様に見られた。

第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３は、前述した範囲のＳｎを含み、残部がＣｕから形成されていてもよいが、第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３の形成による密着性向上作用などを損なわない範囲で、他の元素を含有してもよい。他の元素には、例えば、Ｃｕ基材１に含まれる元素（後述する）であって、第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３の形成過程でＣｕ基材１から拡散する元素（例えば、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｐなど）が含まれる。このような他の元素は、合計で、おおむね、０．０５質量％以上０．０３５質量％以下の範囲で含有することができる。

第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３の厚さは、おおむね、２μｍ以上であることが好ましく、５μｍ以上であることがより好ましい。これにより、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層による上記作用が有効に発揮される。なお、第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３の厚さの上限は、上記作用の観点からは特に限定されないが、コストの上昇などを考慮すると、例えば、１００μｍであることが好ましく、５０μｍであることがより好ましい。なお、第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３の厚さは、必ずしも均一ではなく、Ｍｏ基材２の表面性状や第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３の形成方法などによってバラツキが生じるが、ここでは、第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３が最も薄く形成されている層の厚さが、上記の好ましい範囲を満足していれば良い。第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３の厚さは、合金層の断面を光学顕微鏡で観察することによって測定した。

Ｃｕ基材１は、Ｃｕを主成分として含有する。ここで、「Ｃｕを主成分として含有する」とは、Ｃｕを９９質量％以上（好ましくは９９．９質量％以上）含有することを意味する。Ｃｕ基材は、Ｃｕのみから形成されていてもよいし、Ｃｕによる優れた熱伝導性を阻害しない範囲で、他の元素を含有することもできる。

Ｍｏ基材２は、Ｍｏを主成分として含有する。ここで、「Ｍｏを主成分として含有する」とは、Ｍｏを９９質量％以上（好ましくは９９．９質量％以上）含有することを意味する。Ｍｏ基材は、Ｍｏのみから形成されていてもよいが、半導体素子との熱膨張係数差が小さいというＭｏの特性を阻害しない範囲で、他の元素を含有することもできる。

図１に示すように、Ｃｕ−Ｍｏ基板１０の表面は、Ｎｉめっき層４で被覆されている。Ｎｉめっき層の形成により、耐食性や、セラミックス基板とのろう付け性などが高められる。

既に述べたように、本実施形態によれば、Ｎｉめっき層を直接、形成することが困難であったＭｏ基材２の表面露出領域は、Ｎｉめっき層との密着性に優れた第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３で被覆されているため、Ｃｕ−Ｍｏ基板１０に１回のめっき操作を施すだけで、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板１００を得ることができる。

図１に示すＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板１００は、Ｃｕ−Ｍｏ基板１０の表面をすべて覆うようにＮｉめっき層４が形成されているが、Ｎｉめっき層による上記作用が有効に発揮される限り、これに限定されない。例えば、第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３と、Ｃｕ基材１の表面（Ｃｕ基材１の表面のうち、Ｍｏ基材２および第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３で覆われていない表面の部分）の少なくとも一部とが、Ｎｉめっき層４で被覆されていれば良い。

Ｎｉめっき層４の厚さは、おおむね、２μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。Ｎｉめっき層４の厚さが上記範囲を下回る場合、上記の作用が有効に発揮されない。一方、Ｎｉめっき層４の厚さが上記範囲を超えると、Ｎｉめっき層の平坦度が低下し、耐久性などの特性が劣化する。

次に、図２を参照しながら、本実施形態によるＣｕ−Ｍｏ基板１０の好ましい製造方法を説明する。この方法は、前述した第１の方法に対応する。

（第１の方法）
まず、図２（ａ）に示すように、Ｃｕ基材１とＭｏ基材２とが接合されたＣｕ−Ｍｏクラッド材５を用意する（工程（ａ１））。

Ｃｕ−Ｍｏクラッド材５は、公知の方法によって製造することができる。例えば、Ｃｕ基材１とＭｏ基材２とを重ね合わせて熱間圧延または冷間圧延を行った後、製品寸法に合わせて所望のサイズに切断する。Ｃｕ−Ｍｏクラッド材５の製造方法は、例えば、特開平６−２６８１１５号公報に記載の方法を参照することができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、Ｍｏ基材２の第１の主面２ａの上にＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材６を配置し、所定の温度に加熱して溶融する（工程（ｂ））。これにより、Ｍｏ基材２の表面露出領域（第１の主面２ａおよび側面２ｃ、２ｄ）を覆うように第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３が形成される（図２（ｃ）を参照）。

Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６は、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含んでいる。このようなＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材６を用いることにより、所望とする第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３を形成することができる。Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６に含まれるＳｎの含有量は、２質量％以上５質量％以下であることが好ましい。

本実施形態に用いられるＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材６は、前述した範囲のＳｎを含み、残部がＣｕから形成されていてもよいが、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６の使用による密着性向上作用などを損なわない範囲で、他の元素を含有してもよい。例えば、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｐなどの元素を、合計で、０．０５質量％以上０．３５質量％以下含有することができる。

加熱は、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６が溶融し、Ｍｏ基材２の第１の主面２ａだけでなくＭｏ基材２の側面２ｃ、２ｄを覆うように第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３が形成されるまで行われる。この点で、本実施形態の加熱条件は、上記国際公開公報に記載された加熱条件と相違し、上記国際公開公報に記載の加熱温度の下限値（Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６の融点）よりも若干高く設定されている。上記国際公開公報に記載された下限値の温度でＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材６を加熱すると、Ｃｕ基材１とＭｏ基材２との接合面にＳｎ−Ｃｕ合金層を形成することはできても、Ｍｏ基材２の表面露出領域をすべて覆うような第１のＣｕ−Ｓｎ系合金層３を形成することは困難だからである。

具体的な加熱条件は、使用するＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材６の種類や形状などによっても相違するが、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６の融点（約８１０℃から約１０００℃）よりも約２０℃以上約５０℃以下の範囲内で加熱することが好ましく、約４０℃以上約５０℃以下の範囲とすることが更に好ましい。ただし、加熱温度の上限は、Ｃｕ基材１の融点（約１０８３℃）未満の温度とする。Ｃｕ基材１の融点を超える温度で加熱すると、Ｃｕ基材１が溶融してしまうからである。

本実施形態に用いられるＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材６の形状は、特に限定されず、所定の形状に加工された成形体や、粉末状や箔状のろう材などが挙げられる。

図２（ｂ）には、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６として、所定の形状に加工された成形体の例を示している。このような成形体は、例えば、上記組成のＳｎ−Ｃｕ系合金を約６５０℃から約７５０℃の温度で熱間圧延し、成形することによって得られる。

Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材の成形体を用いる場合、このろう材とＭｏ基材２とを重ね合わせた後、例えば、約１０³Ｐａから約１０⁵Ｐａの圧力下で押圧し、押圧したまま、水素雰囲気下、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材を前述した温度で溶融することが好ましい。これにより、所望とする第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層３が形成される。

ここで、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６のサイズ（長さ６Ｌ）は、図２（ｂ）に示すように、Ｍｏ基材２のサイズ（２Ｌ）と実質的に同じであっても良いが、これに限定されず、例えば、Ｍｏ基材２のサイズより小さくてもよい。前述したように、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６は、Ｍｏ基材２との濡れ性に極めて優れているため、Ｍｏ基材２の上に、Ｍｏ基材２よりも小さいＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材６を配置しても、所定温度で加熱することにより、最終的には、Ｍｏ基材２の表面露出領域を覆う第１のＳｎ−Ｃｕ系合金３が形成されるからである。従って、所望とする第１のＳｎ−Ｃｕ系合金３が形成される限りにおいて、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材６のサイズを適宜、適切に設定することができる。

具体的には、粉末状または箔状のＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材をＭｏ基材の上面に載置（置きろう）し、前述した温度で加熱することによってろう材を溶融する。加熱によって溶融したＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材は、Ｍｏ基材の上面および側面に沿って広がっていくため、所望とする第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層が形成される。

次に、このようにして得られたＣｕ−Ｍｏ基板１０にＮｉめっき層４を被覆し、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板１００を得る（図２（ｄ）を参照）。

Ｎｉめっき層の形成方法は特に限定されず、公知の電解めっき法や無電解めっき法を採用することができる。

無電解めっき法は、電解めっき法に比べ、被めっき材（本実施形態では、Ｃｕ−Ｍｏ基板）の種類や形状に関係なく、均一なＮｉめっき層を形成できるという利点を備えている。無電解めっき法を用いた場合、例えば、以下のようにしてＮｉめっき層を形成することが好ましい。

まず、Ｃｕ−Ｍｏ基板の表面に付着している油脂や指紋などを除去するため、エタノールなどで脱脂する。脱脂により、エッチング時の濡れ性も改善される。

次に、硫酸−過酸化水素水などのエッチング液を用い、表面をエッチングする。

次いで、触媒金属（例えば、Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎ錯体、Ｐｄなど）を表面に吸着させる。無電解めっきは、この触媒金属を核として進行する。

次に、無電解Ｎｉめっき液を行い、Ｎｉめっき層を形成する。具体的には、公知の無電解Ｎｉめっき液（Ｎｉイオンのほか、還元剤として、例えば、次亜リン酸ナトリウムを含有）中で、所定のＮｉめっき層が得られるまでＣｕ−Ｍｏ基板を浸漬する。無電解めっき法によれば、めっき液中の還元剤がＣｕ−Ｍｏ基板の表面に吸着された触媒金属の表面で酸化されるとともに、めっき液中のＮｉイオンが還元される結果、Ｎｉめっき層が形成される。

（実施形態２）
図３を参照しながら、本発明による第２の実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板２０を説明する。

本実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板２０は、Ｃｕ基材１１と、Ｍｏ基材１２と、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層１３とを備えている。Ｍｏ基材１２は、対向する第１の主面１２ａと第２の主面１２ｂとを有し、Ｍｏ基材１２の第２の主面１２ｂは、Ｃｕ基材１１の主面１１ａの上に配置されている。

Ｓｎ−Ｃｕ系合金層１３は、Ｍｏ基材１２の表面露出領域（Ｍｏ基材１２の第１の主面１２ａおよび側面１２ｃ、１２ｄ）に形成された第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層（不図示）と、Ｍｏ基材１２の第２の主面１２ｂとＣｕ基材１１の主面１１ａとの間に形成された第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層（不図示）とを含む。Ｓｎ−Ｃｕ系合金層１３は、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含有している。

このように本実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板２０は、Ｍｏ基材１２の表面露出領域だけでなく、Ｍｏ基材１２とＣｕ基材１１との接合面にもＳｎ−Ｃｕ系合金層１３が設けられている点で、実施形態１のＣｕ−Ｍｏ基板１０と相違する。本実施形態によれば、Ｎｉめっき層との密着性に優れるだけでなく、Ｃｕ基材とＭｏ基材との密着性も高められたＣｕ−Ｍｏ基板が得られる。上記の相違点を除き、本実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板２０は、実施形態１のＣｕ−Ｍｏ基板１０と同じであり、詳しい説明を省略する。

さらに、Ｍｏ基材１２の上面１２ａに形成されたＳｎ−Ｃｕ系合金層１３Ａに含まれるＳｎの分布については、前述した実施形態１と同様の傾向が見られ、Ｓｎは、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層１３Ａの表面（Ｍｏ基材１２の第１の主面１２ａと接する面と対向する面）に高い濃度で存在することが確認された。このような傾向は、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層１３の上にＮｉめっき層１４が形成された後においても、同様に見られた。

次に、図４および図５を参照しながら、本実施形態によるＣｕ−Ｍｏ基板の好ましい製造方法を、それぞれ、説明する。図４および図５に示す製造工程は、それぞれ、前述した第２および第３の方法に対応する。

（第２の方法）
図４を参照しながら、第２の方法を説明する。

まず、図４（ｂ）に示すように、Ｍｏ基材１２の第１および第２の主面１２ａ、１２ｂのそれぞれに、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層１３ａ、１３ｂが接合されたクラッド材（積層板）１５を用意する（工程（ａ２））。

クラッド材１５は、例えば、以下のようにして製造することができる。

まず、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ａ、１６ｂを用意する。これらの詳細は、前述した実施形態１の工程（ｂ）で詳述したとおりであり、説明を省略する。

次に、図４（ａ）に示すように、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ａ、Ｍｏ基材１２、およびＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ｂをこの順に重ね合わせ、約６０％の圧下率で圧接した後、水素雰囲気中で、約７００℃から８００℃の温度で約１分間から約３分間拡散焼鈍を行う。これにより、Ｍｏ基材１２の両面にＳｎ−Ｃｕ系合金層１３ａ、１３ｂが強固に接合されたクラッド材１５が得られる。

次に、Ｃｕ基材１１の主面の上にクラッド材１５を配置し、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層１３ａ、１３ｂを加熱溶融する。加熱は、Ｍｏ基材１２の両面に形成された第１および第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層１３ａ、１３ｂが溶融し、Ｍｏ基材１２の表面（Ｍｏ基材１２の主面１２ａ、側面１２ｃ、１２ｄ、およびＭｏ基材１２とＣｕ基材１１との接合面１２ｂ）をすべて覆うように所望とするＳｎ−Ｃｕ系合金層１３が形成されるまで行う。詳細な加熱条件は、前述した実施形態１に記載したとおりである。

その結果、図４（ｃ）に示すように、Ｍｏ基材１２の表面がすべて所望のＳｎ−Ｃｕ系合金層１３で被覆されたＣｕ−Ｍｏ基板２０が得られる。

次に、前述した第１の方法と同様にして、Ｃｕ−Ｍｏ基板２０の表面にＮｉめっき層１４を形成し、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板２００を得る（図４（ｄ）を参照）。

（第３の方法）
図５を参照しながら、第３の方法を説明する。以下では、第２の方法と異なる工程を詳しく説明し、重複する工程の説明は省略する。

まず、図５（ａ）に示すように、Ｃｕ基材１１と、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ｂと、Ｍｏ基材１２とをこの順に配置し、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ｂを加熱する。加熱は、Ｃｕ基材１１とＭｏ基材１２との間（接合面）にＳｎ−Ｃｕ系合金層１３ｂが形成されるまで行われる（図５（ｂ）を参照）。Ｓｎ−Ｃｕ系合金層１３ｂは、図５（ｂ）に示すように、接合面のすべてにわたって形成されている必要はなく、上記の接合面の少なくとも一部に形成されていれば良い。加熱は、前述した第２の方法と同様にして行うことが好ましい。

次に、図５（ｃ）に示すように、Ｍｏ基材１２の第１の主面１２ａにＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ａを配置し、加熱する。加熱は、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ａが溶融し、Ｍｏ基材１２の表面（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）がすべてＳｎ−Ｃｕ系合金層１３で被覆されるまで行われる。加熱条件は、前述した第２の方法に記載の条件と実質的に同じである。

その結果、図５（ｄ）に示すように、Ｍｏ基材１２の表面がすべてＳｎ−Ｃｕ系合金層１３で被覆されたＣｕ−Ｍｏ基板２０が得られる。

次に、前述した第１の方法と同様にして、Ｃｕ−Ｍｏ基板２０の表面をＮｉめっき層１４で被覆し、Ｃｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板２００を得る（図５（ｅ）を参照）。

本実施形態の製造方法は、前述した第２および第３の方法に限定されない。例えば、第３の方法において、Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ａの代わりに、Ｃｕ基材が接合されたＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材（クラッド材）を使用しても良い。この方法によれば、Ｃｕ基材が接合されていないＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ａを使用した場合に比べ、Ｃｕ−Ｍｏ基板の製造工程におけるＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材１６ａの変形を防止することができる。このような、Ｃｕ基材が接合されたＳｎ−Ｃｕ系合金ろう材は、例えば、前述した第２の方法において、Ｍｏ基材の両面にＳｎ−Ｃｕ系合金層が接合されたクラッド材１５（図４（ｂ）を参照）を作製したのと同様にして得ることができる。この方法によれば、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層１３の上面にＣｕ基板がさらに配置されたＣｕ−Ｍｏ−Ｃｕ基板が得られる。

（実施形態３）
図６を参照しながら、本実施形態のＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板を備えたパワーモジュール８０の実施形態を説明する。ただし、本実施形態のパワーモジュールは、これに限定されない。

図６に示すように、パワーモジュール８０は、第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０と、２個のセラミックス基板５０ａ、５０ｂと、４個の第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄと、４個の半導体チップ（ＩＧＢＴ）６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄとが、この順序で積層されている。半導体チップ６０ａと６０ｂとの間、および６０ｃと６０ｄとの間は、それぞれ、Ａｌワイヤ７０ａ、および７０ｂを介して電気的に接続されている。

第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０は、厚さが約３ｍｍのＣｕ基材２１と、Ｃｕ基材２１の上に部分的に配置された２個のＭｏ基材２２ａ、２２ｂ（厚さは、いずれも、約０．６ｍｍ）とを備えている。Ｍｏ基材２２ａ、２２ｂの表面は、それぞれ、厚さが約２０μｍのＳｎ−Ｃｕ系合金層２３ａ、２３ｂで覆われており、これにより、放熱特性およびＮｉめっき層２４との密着性が高められる。第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０の表面は、厚さが約５μｍのＮｉめっき層２４で被覆されており、これにより、セラミックス基板５０ａ、５０ｂとのろう付け性が高められる。

第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａと４０ｂ、および４０ｃと４０ｄとは、それぞれ、セラミックス基板５０ａおよび５０ｂを介して、Ｍｏ基材２２ａ、および２２ｂの上に配置されている。第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄの構成は、すべて、同じであるため、以下では、第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａについて説明する。

第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａは、厚さが約２ｍｍのＣｕ基材３１ａと、Ｃｕ基材３１ａの上に部分的に配置された厚さが約０．５ｍｍのＭｏ基材３２ａとを備えている。Ｍｏ基材３２ａの表面は、厚さが約２０μｍのＳｎ−Ｃｕ系合金層３３ｂで覆われており、これにより、放熱特性およびＮｉめっき層３４ａとの密着性が高められる。第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａの表面は、厚さが約３μｍのＮｉめっき層３４ａで被覆されており、これにより、セラミックス基板５０ａおよび半導体チップ６０ａとのろう付け性が高められる。

図６には、Ｍｏ基材３２ａの表面がすべてＳｎ−Ｃｕ系合金層３３ａによって被覆されたＣｕ−Ｍｏ基板４０ａの例を示しているが、これに限定されない。例えば、Ｍｏ基材３２ａの表面露出領域（上面および側面）にのみＳｎ−Ｃｕ系合金層３３ａが被覆されたＣｕ−Ｍｏ基板を用いることもできる。

第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０とセラミックス基板５０ａとの間、およびセラミックス基板５０ａと第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂとの間は、それぞれ、Ｓｎ−Ｐｂなどのはんだ層５１、および５２で接合されている。一方、第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂと半導体チップ６０ａ、６０ｂとの間は、Ａｇ−Ｃｕなどのはんだ層５３ａ、５３ｂで接合されている。

次に、本実施形態によるパワーモジュール８０の製造方法を説明する。

図６に示すように、本実施形態のパワーモジュール８０は、Ｃｕ基材２１上に設けられた２つの等価な積層構造体を有している。以下では、説明の便宜のため、主に、図６の右半分（図中、Ａ）の構成に着目して説明する。

まず、前述した実施形態１の第１の方法により、第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０、第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａおよび４０ｂを製造する。次いで、無電解めっき法により、それぞれの表面にＮｉめっき層を被覆する。無電解めっき法の詳細は、後記する実施例の欄に記載したとおりである。

次に、第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０とセラミックス基板５０ａを接合する。具体的には、第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０とセラミックス基板５０ａとの間に、例えば、Ｃｕ−Ａｇ系ろう材を載置して加熱溶融する。ろう材の種類は、これに限定されず、Ｃｕ−Ｍｏ基板３０とセラミックス基板５０ａとを接合し得る公知のろう材を用いることができる。加熱温度は、使用するろう材の種類に応じて適宜、決定される。

さらに、第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂと、半導体チップ６０ａ、６０ｂとを、それぞれ、接合する。具体的には、第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂと、半導体チップ６０ａ、６０ｂとの間に、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を載置し、加熱溶融することによって接合する。ろう材の種類は、Ｃｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂと半導体チップ６０ａ、６０ｂとを接合し得る公知のろう材を用いることができる。加熱温度は、使用するろう材の種類に応じて適宜、決定される。

次いで、第１のＣｕ−Ｍｏ基板３０が接合されたセラミックス基板５０ａと、半導体チップ６０ａ、６０ｂが接合された第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂとを接合する。具体的には、上記のセラミックス基板５０ａと、上記の第２のＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂとの間に、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系ろう材を載置して加熱溶融する。ろう材の種類は、これに限定されず、セラミックス基板５０ａとＣｕ−Ｍｏ基板４０ａ、４０ｂとを接合し得る公知のろう材を用いることができる。加熱温度は、使用するろう材の種類に応じて適宜、決定される。

（Ｃｕ−Ｍｏ積層板）
本発明による実施形態のＣｕ−Ｍｏ積層板は、Ｃｕ基材と、Ｍｏ基材と、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層とがこの順序で配置されている。Ｃｕ基材とＭｏ基材との間（接合面）には、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層が配置されていてもよい。

本実施形態のＣｕ−Ｍｏ積層板は、Ｍｏ基材の側面のそれぞれにＳｎ−Ｃｕ系合金層を有していない点で、前述した本実施形態のＣｕ−Ｍｏ基板と相違する。このようなＣｕ−Ｍｏ積層板は、例えば、Ｃｕ−Ｍｏ基板を製造するための材料として有用である。

以下では、下記に示す実験例１から７の方法によって、Ｃｕ−Ｍｏ基板の表面にＮｉめっき層が形成されたＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板を作製し、その外観を比較した。

（実験例１）
ここでは、Ｃｕ−Ｍｏクラッド材を用い、Ｍｏの表面露出領域（上面および側面）にＳｎ−Ｃｕ系合金層が設けられたＣｕ−Ｍｏ基板を作製した（発明例１）。Ｃｕ−Ｍｏクラッド材は、Ｃｕ基材１とＭｏ基材２とを重ね合わせて熱間圧延を行うことによって作製した（Ｃｕ基材の厚さ０．６３ｍｍ、Ｍｏ基材の厚さ０．６３ｍｍ）。

次に、約２質量％のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金ろう箔（厚さ：２５μｍ）を用意する。Ｓｎ−Ｃｕ系合金ろう箔の融点は、約９５０℃である。

このようにして得られたＳｎ−Ｃｕ系合金ろう箔をＣｕ−Ｍｏクラッド材の上面（厳密には、Ｍｏ基材の上）に載置し、約９９０℃の温度で約３分間加熱した。加熱によってＳｎ−Ｃｕ系合金ろう箔は溶融し、Ｍｏ基材の上面および側面が約２０μｍの厚さのＳｎ−Ｃｕ系合金層によって被覆されたＣｕ−Ｍｏ基板が得られた。Ｓｎ−Ｃｕ系合金層のＳｎ含有量は、おおむね、１．１質量％から２．５質量％の範囲内であった。

次に、下記（１）から（４）の手順に従って、Ｃｕ−Ｍｏ基板の表面に厚さが約３μｍから５μｍのＮｉめっき層を形成した。

（１）エタノールによる脱脂（室温で１分間）
（２）硫酸過酸化水素水（硫酸と過酸化水素水と水とを１０：５：８５の体積比率で混合した液）によるエッチング（３０℃で５分間）
（３）Ｃｕ−Ｍｏ基板への触媒金属の導入
Ｓｎ触媒付与（室温で約５分間）→Ｐｄ−Ｓｎ錯体触媒付与（室温で約５分間）→Ｐｄ触媒付与（室温で約３分間）
（４）Ｎｉめっき層の形成
下記組成の無電解Ｎｉめっき浴（硫酸Ｎｉ：３０ｇ／Ｌ、次亜リン酸ナトリウム：１０ｇ／Ｌ、酢酸ナトリウム：適量、ｐＨ：約４．６）を用い、８０℃で３０分間めっきを行った。

（実験例２）
比較のため、Ｃｕ−Ｍｏ基板に対し、特許文献１に記載の方法と同様にして無電解Ｎｉめっきを行った。

具体的には、実験例１と同じ種類のＣｕ−Ｍｏクラッド材を用意し、実験例１に記載の無電解Ｎｉめっき浴を用いてＮｉめっき層を形成した。

（実験例３）
参考のため、Ｃｕ−Ｍｏ基板に対し、従来のＮｉめっき処理を行った。

具体的には、実験例１と同じ種類のＣｕ−Ｍｏクラッド材を用意し、以下の手順に従ってＮｉめっき層を形成した。

まず、約２００ｇ／Ｌから２５０ｇ／Ｌの赤血カリウムを含有するエッチング液中にＣｕ−Ｍｏクラッド材を浸漬（室温で約１０秒間）し、その表面をエッチングした。

次に、このようにしてエッチングされたＣｕ−Ｍｏクラッド材に、スパッタリング法によって厚さが約０．１μｍのＡｕ皮膜を堆積した。スパッタリングは、真空容器内の圧力を約１０^-1Ｐａに制御し、約１ｋＶから５ｋＶのバイアス電圧下にて約３０分間行った。

次いで、Ａｕ皮膜が堆積されたＣｕ−Ｍｏ基板に、Ｈ₂雰囲気下、約７００℃で１０分間の拡散熱処理を行った。

その後、実験例１に記載の（１）から（４）の手順に従って、Ｎｉめっき層を形成した。

（実験例４）
５質量％のＳｎを含むＳｎーＣｕ系合金ろう箔（融点：約９４０℃）を用いたことを除き、実験例１と同じ手順でＮｉめっき層を形成した。なお、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を形成するための加熱処理の温度は、用いたろう箔の融点よりも約４０℃〜約５０℃高い温度とした。これは下記の実験例５〜７についても同様である。

（実験例５）
１３質量％のＳｎを含むＳｎーＣｕ系合金ろう箔（融点：約８１０℃）を用いたことを除き、実験例１と同じ手順でＮｉめっき層を形成した。

（実験例６）
比較のため、１４質量％のＳｎを含むＳｎーＣｕ系合金ろう箔（融点：約８００℃）を用いたことを除き、実験例１と同じ手順でＮｉめっき層を形成した。

（実験例７）
比較のため、０．５質量％のＳｎを含むＳｎーＣｕ系合金ろう箔（融点：約１０００℃）を用いたことを除き、実験例１と同じ手順でＮｉめっき層を形成した。

（評価）
実験例１から７によって得られたＣｕ−Ｍｏ基板の外観を目視観察した。以下では、実験例１から７によって得られたＣｕ−Ｍｏ基板を、それぞれ、発明例１、比較例１、および従来例、発明例２、発明例３、比較例２および比較例３と呼ぶ。

発明例１から３では、Ｍｏ基材の上面および側面が所定のＳｎ−Ｃｕ系合金層で被覆されているため、基板の膨れやＮｉめっき層の剥離は全く見られなかった。また、発明例１および２の断面（約４ｃｍ²）を光学顕微鏡（倍率１０倍）で観察したところ、Ｓｎ−Ｃｕ合金層およびＮｉめっき層にボイドは確認されなかった。発明例３では、Ｓｎ−Ｃｕ合金層およびＮｉめっき層に、Ｓｎの部分酸化あるいはめっき時のＳｎの微量溶出に起因する直径が３０μｍ〜８０μｍの微細なボイドが５個確認されたが、膨れや剥離は確認されなかった。

これに対し、比較例１では、Ｎｉめっき層を密着性良く形成することはできず、また、表面の一部に膨れが見られた。比較例２では、Ｎｉめっき層を密着性良く形成することができたものの、表面の一部に直径が１００μｍ以上の膨れが７個見られた。比較例３では、ろう付け時に基材のＣｕの一部が溶解してしまい、Ｎｉめっき層を密着性良く形成することがでず、Ｍｏ基材に接する面に直径が１００μｍ程度の膨れが５個観察された。

一方、従来例では、Ｍｏ基材の表面にＮｉめっき層を密着性良く形成することはできたが、Ｍｏ基材と接していないＣｕ基材の部分には膨れが生じ、Ｎｉめっき層の剥離が見られた。

（Ｓｎ−Ｃｕ系合金層におけるＳｎの分布）
発明例１について、Ｍｏ基材の上面に形成されたＳｎ−Ｃｕ系合金層の厚さ方向の断面のＳｎの濃度を、ＥＰＭＡ分析法を用いて測定した。詳細には、図７に示すＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板の断面写真において、合計５箇所（図中、１から５の矢印部分）のＳｎ濃度を測定した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、Ｍｏ基材の上面に形成されたＳｎ−Ｃｕ系合金層におけるＳｎは、合金層中に均一に分布しているのではなく、Ｎｉめっき層とＳｎ−Ｃｕ系合金層との界面に最も高い濃度で存在することが分かった。この理由は、前述したとおり、Ｓｎは酸化されやすく、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層の形成過程で、Ｓｎ−Ｃｕ系合金層の表面側に向かって移動するためと推察される。ただし、Ｓｎの濃度は、Ｍｏ基材側からＮｉめっき層側に向かうにつれ、連続的に増加するのではなく、表１に示すように断続的に増加している。

ここでは、Ｎｉめっき層が形成されたＣｕ−Ｍｏ−Ｎｉ基板におけるＳｎ濃度を測定したが、これと同様の傾向は、Ｎｉめっき層が形成される前のＣｕ−Ｍｏ基板についても見られることを、実験によって確認している。

本発明のＣｕ−Ｍｏ基板は、例えば、自動車などに搭載されるパワーモジュール用の放熱用基板として好適に用いられる。

Claims (10)

1. Ｃｕを主成分として含有するＣｕ基材と、
   対向する第１および第２の主面を有し、Ｍｏを主成分として含有するＭｏ基材であって、前記Ｍｏ基材の前記第２の主面は、前記Ｃｕ基材の主面の上に配置されたＭｏ基材と、
   前記Ｍｏ基材の前記第１の主面および側面を覆う１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層とを備え、
   前記Ｃｕ基材の表面の少なくとも一部と、前記Ｍｏ基材を覆う前記第１のＳｎ−Ｃｕ合金層とを覆うＮｉめっき層を更に備える、Ｃｕ−Ｍｏ基板。
2. 前記Ｃｕ基材の主面と前記Ｍｏ基材の前記第２の主面との間に設けられた１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む第２のＳｎ−Ｃｕ系合金層を更に備える、請求項１に記載のＣｕ−Ｍｏ基板。
3. 前記第１のＳｎ−Ｃｕ系合金層は、前記Ｍｏ基材の前記第１の主面と接する第１面と、前記第１面と対向する第２面とを有し、前記第２面におけるＳｎの濃度は、前記第１面におけるＳｎの濃度よりも高い、請求項１または２に記載のＣｕ−Ｍｏ基板。
4. 半導体素子と、前記半導体素子の熱を外部に伝達する機能を果たす放熱用基板とを備えたパワーモジュールであって、
   前記放熱用基板は、請求項１から３のいずれかに記載のＣｕ−Ｍｏ基板から構成されているパワーモジュール。
5. 前記半導体素子はＩＧＢＴである請求項４に記載のパワーモジュール。
6. 請求項１または２に記載のＣｕ−Ｍｏ基板を製造する方法であって、
   前記Ｃｕ基材と、前記Ｍｏ基材と、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層とを用意する工程（ａ）と、
   前記Ｃｕ基材の主面の上に前記Ｍｏ基材と前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層とをこの順で配置した状態で、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を溶融する工程（ｂ）と、
   を含むＣｕ−Ｍｏ基板の製造方法。
7. 前記工程（ａ）は、前記Ｃｕ基材と前記Ｍｏ基材とが接合されたクラッド材を用意する工程（ａ１）を含む、請求項６に記載のＣｕ−Ｍｏ基板の製造方法。
8. 前記工程（ａ）は、前記Ｍｏ基材の前記第１の主面の上に１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層が接合され、且つ、前記第２の主面の下に１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層が接合されたクラッド材を用意する工程（ａ２）を含み、
   前記工程（ｂ）は、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層および前記更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層を溶融する工程（ｂ１）を含む、請求項６に記載のＣｕ−Ｍｏ基板の製造方法。
9. 前記工程（ａ）は、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含む更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層を更に用意する工程（ａ３）を含み、
   前記工程（ｂ）は、前記Ｃｕ基材の主面の上に前記更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層と前記Ｍｏ基材と前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層とをこの順で配置した状態で、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層および前記更なるＳｎ−Ｃｕ系合金層を溶融する工程（ｂ２）を含む、請求項６に記載のＣｕ−Ｍｏ基板の製造方法。
10. 請求項１または２に記載のＣｕ−Ｍｏ基板を製造する方法であって、
    前記Ｃｕ基材と、前記Ｍｏ基材と、１質量％以上１３質量％以下のＳｎを含むＳｎ−Ｃｕ系合金層とを用意する工程（ａ）と、
    前記Ｍｏ基材の前記第１の主面の上に前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を配置した状態で、前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層を溶融することによって、前記Ｍｏ基材の前記第１の主面および側面を覆うＳｎ−Ｃｕ系合金層を形成する工程（ｂ）と、
    前記Ｓｎ−Ｃｕ系合金層が形成された前記Ｍｏ基材の前記第２の主面を前記Ｃｕ基材の主面と接合する工程（ｃ）と、
    を含むＣｕ−Ｍｏ基板の製造方法。