JP5359953B2 - パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこの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。

半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子としての半導体チップが搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。

従来、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献１に、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満とした技術が開示されている。

特開平３−２３４０４５号公報

しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ_２Ｏ_３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。

特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになるため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。

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、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこの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、本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板には、前記セラミックス基板との接合界面部分においてＣｕが固溶しており、前記接合界面から５０μm以内の範囲におけるＣｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内に設定されてい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においては、金属板にＣｕが固溶しており、接合界面部分（前記接合界面から５０μm以内の範囲）のＣｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内に設定されているので、金属板の接合界面部分が固溶強化することになる。よって、熱サイクル等を負荷した際に、金属板にクラックが発生・進展することが防止され、接合信頼性を向上させることができる。

また、前記金属板の幅方向端部においては、アルミニウム中にＣｕが固溶されたアルミニウム相と、ＡｌとＣｕとの２元共晶組織からなる共晶相と、が形成されていることが好ましい。
この場合、金属板の幅方向端部にＡｌとＣｕとの２元共晶組織からなる共晶相が形成されているので、金属板の幅方向端部をさらに強化することが可能となる。これにより、金属板の幅方向端部からのクラックの発生・進展を防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。

さらに、前記共晶相においては、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出していることが好ましい。
この場合、金属板の幅方向端部に形成された共晶相において、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出しているので、金属板の幅方向端部をさらに析出強化することが可能となる。これにより、金属板の幅方向端部からのクラックの発生・進展を確実に防止することができ、接合信頼性を向上させることができる。

前記金属板には、前記接合界面から積層方向に向けて離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜部が形成されており、この濃度傾斜部の前記セラミックス基板とは反対側に、前記接合界面近傍よりも硬度が低い軟質層が形成されていることが好ましい。
この場合、金属板のうち接合界面近傍は、Ｃｕ濃度が高く設定されていて固溶強化によって硬くなっている。一方、軟質層においては、Ｃｕ濃度が低く設定されていて、硬度が低く変形抵抗が小さくされている。よって、この軟質層により、金属板及びセラミックス基板の熱膨張係数の差によって生じる熱ひずみ（熱応力）を吸収することができ、熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。

本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く構成されているので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。

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表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合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板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融金属層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融金属層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程により、前記金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍において、前記接合界面から５０μm以内の範囲におけるＣｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内となるようにＣｕを固溶させ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、セラミックス基板及び金属板を、Ｃｕ層を介して積層し、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱するので、Ｃｕ層のＣｕと金属板のＡｌとが共晶反応することによって接合界面近傍の融点が降下し、比較的低温でもセラミックス基板及び金属板の界面に溶融金属層を形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを接合することができる。
すなわち、Ａｌ−Ｓｉ合金等からなるろう材を使用することなく、セラミックス基板と金属板とを接合することができるのである。このように、ろう材を使用せずに接合するため、ろう材が回路層表面に滲み出してくることがなく、回路層表面にＮｉめっき層を良好に形成することができる。

ここで、Ｃｕ層の厚さが０．１５μｍ未満であると、セラミックス基板及び金属板の界面に溶融金属層を十分に形成することができないおそれがある。また、Ｃｕ層の厚さが３μｍを超えると、ＣｕとＡｌとの反応物が接合界面に過剰に発生し、金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に割れが発生するおそれがある。このため、Ｃｕ層の厚さは０．１５μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。なお、上述の作用効果を確実に奏功せしめるために、Ｃｕ層の厚さを０．５μｍ以上２．５μｍ以下とすることが好ましい。

前記Ｃｕ層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程によって形成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板及び金属板の接合面にＣｕが固着されているので、セラミックス基板と金属板とを確実にＣｕ層を介して積層することができ、セラミックス基板と金属板とを確実に接合することができる。

ここで、前記Ｃｕ固着工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成されるＣｕ層がＡｌを含有することになり、加熱工程において、このＣｕ層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。

また、前記Ｃｕ固着工程を、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はＣｕペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるものとすることが好ましい。
この場合、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はＣｕペーストの塗布のいずれかから選択される手段によってＣｕ層を確実に形成でき、セラミックス基板と金属板とを接合することができる。

また、前記Ｃｕ層が、前記積層工程において前記セラミックス基板及び前記金属板の間に銅箔を介装することによって形成される構成としてもよい。
この場合、Ｃｕ箔を介装することにより、セラミックス基板及び金属板の接合面にＣｕ層を形成することができる。よって、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。

本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を備えたパワーモジュール及びこの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。

本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。 本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）の幅方向端部を示す説明図である。 本発明の実施形態である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。 図４における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。 実施例における接合信頼性の評価結果を示す図である。 実施例における接合信頼性の評価結果を示す図である。

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パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
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の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４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。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉめっき層（図示なし）が設けられている。

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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）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。なお、本実施形態では、図１に示すように、セラミック基板１１の幅（図１の左右方向長さ）は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。

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金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。

金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板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は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。

ヒートシンク４は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０に接合される天板部５と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６と、を備えている。ヒートシンク４（天板部５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。

そして、図１及び図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０の幅方向中央部（図１のＡ部）においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＣｕが固溶しており、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕの濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されている。ここで、回路層１２及び金属層１３における濃度傾斜層３３の接合界面３０近傍（接合界面３０から５０μmの範囲内）のＣｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内に設定されている。なお、濃度傾斜層３３の接合界面３０近傍のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μm位置での濃度を基準として求めたものである。
また、この濃度傾斜層３３のセラミックス基板１１とは反対側（図２において下側）には、接合界面３０近傍よりもＣｕ濃度が低く、かつ、硬度が低い軟質層３４が形成されている。

また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０の幅方向端部（図１のＢ部）においては、図３に示すように、アルミニウム中にＣｕが固溶したアルミニウム相４１と、ＡｌとＣｕの２元共晶組織からなる共晶相４２と、が形成されている。また、共晶相４２内においては、Ｃｕを含む化合物（例えばＣｕＡｌ_２）からなる析出物粒子が析出している。

このようなパワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。
図４に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の両面に、スパッタリングによってＣｕが固着され、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下とされたＣｕ層２４、２５が形成される（Ｃｕ固着工程）。
そして、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が積層され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が積層される（積層工程）。

このようにして形成された積層体２０をその積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空炉内に装入して加熱する。ここで真空炉内の真空度は、１０^−３Ｐａ〜１０^−５Ｐａとされ、加熱温度は６１０℃〜６５０℃とされている。この加圧・加熱工程によって、図５に示すように、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３の表層とＣｕ層２４、２５とが溶融し、セラミックス基板１１の表面に溶融金属層２６、２７が形成される（溶融工程）。

次に、積層体２０を冷却することによって溶融金属層２６、２７を凝固させる（凝固工程）。この溶融工程と凝固工程によって、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍において、Ｃｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内となるようにＣｕを固溶させる。
このようして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、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。

以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＣｕが固溶しており、セラミックス基板１１との接合界面３０部分のＣｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内に設定されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の接合界面３０部分が固溶強化されることになり、熱サイクル等を負荷した際に、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）部分にクラックが進展することが防止され、このパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１の信頼性を大幅に向上させることができる。

また、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部においては、アルミニウム中にＣｕが固溶されたアルミニウム相４１と、ＡｌとＣｕとの２元共晶組織からなる共晶相４２と、が形成されているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部をさらに強化することが可能となる。これにより、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部からの破断の発生を防止することができ、このパワーモジュール用基板１０の接合信頼性を向上させることができる。

しかも、本実施形態においては、共晶相４２に、Ｃｕを含む化合物（例えばＣｕＡｌ_２）からなる析出物粒子が析出しているので、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部を析出強化することが可能となり、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の幅方向端部からのクラックの進展を確実に防止することができる。

また、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０の幅方向中央部（図１のＡ部）においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＣｕが固溶しており、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕの濃度が低下する濃度傾斜層３３が形成されており、さらに、この濃度傾斜層３３のセラミックス基板１１とは反対側（図２において下側）に、接合界面３０近傍よりもＣｕ濃度が低く、かつ、硬度が低く変形抵抗の小さい軟質層３４が形成されているので、この軟質層３４により、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）及びセラミックス基板１１の熱膨張係数の差によって生じる熱ひずみ（熱応力）を吸収することができ、このパワーモジュール用基板１０の熱サイクル信頼性を大幅に向上させることができる。

本実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板１１と回路層１２となる金属板２２及び金属層１３となる金属板２３を、Ｃｕ層２４、２５を介して積層し、積層されたセラミックス基板１１及び金属板２２、２３を積層方向に加圧するとともに加熱するので、Ｃｕ層２４、２５のＣｕと金属板２２、２３のＡｌとが共晶反応することによって接合界面３０近傍の融点が降下し、比較的低温でもセラミックス基板１１及び金属板２２、２３の界面に溶融金属層２６、２７を形成することが可能となり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを接合することができる。

このように、Ａｌ−Ｓｉ合金等からなるろう材を使用することなく、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを接合することができるので、ろう材が回路層１２の表面に染み出すおそれがなく、回路層１２表面に形成したＮｉめっきの剥がれ等を防止することができる。これにより、回路層12の上にＮｉめっきを介してはんだ層２を良好に形成することができる。

また、Ｃｕ層２４、２５の厚さが０．１５μｍ以上３μｍ以下に設定されているので、セラミックス基板１１及び金属板２２、２３の界面に溶融金属層２６、２７を確実に形成してセラミックス基板１１と金属板２２、２３とを接合することができるとともに、接合界面３０近傍にＣｕとＡｌとの反応物が過剰に発生することを防止でき、熱サイクル負荷時にセラミックス基板１１に割れが発生することを防止できる。

さらに、Ｃｕ層２４、２５が、セラミックス基板１１の接合面にスパッタリングよってＣｕを固着させるＣｕ固着工程によって形成されているので、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを確実にＣｕ層２４、２５を介して積層することができ、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを確実に接合して、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０を製出することができる。

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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板と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、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。

また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、又はアルミニウムを含む複合材等で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。

また、セラミックス基板と金属板との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ_２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。

また、セラミックス基板の表面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程を有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、金属板の接合面にＣｕを固着させてもよい。
さらに、積層工程において、セラミックス基板と金属板との間に銅箔を介装させることによってＣｕ層を形成してもよい。
また、スパッタによってＣｕ層を形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く、蒸着、ＣＶＤ、めっき、ペーストの塗布等によってＣｕを固着させてもよい。

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。
４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、このセラミックス基板の両面に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板をそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ^２で加圧した状態で、真空炉（真空度１０^−３Ｐａ〜１０^−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。

同様に、厚さ０．６mmの４Ｎアルミニウムからなる金属板を２枚準備し、この金属板の片面に真空蒸着によってＣｕを固着させ、これら２枚の金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、それぞれ蒸着面がＡｌＮ側を向くようにして積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２で加圧した状態で真空炉（真空度１０^−３Ｐａ〜１０^−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。

ここで、真空蒸着によるＣｕの固着量（Ｃｕ厚さ）を、０．１μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍの５水準とし、加熱温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とし、計３０種類のパワーモジュール用基板を成形した。

このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、ＡｌＳｉＣからなり、厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
この試験片を、−４０℃−１０５℃の熱サイクルを３０００回負荷し、その際の接合面積比率を求めた。セラミックス基板側に蒸着を行ったパワーモジュール用基板の評価結果を図６に示す。また、金属板側に蒸着を行ったパワーモジュール用基板の評価結果を図７に示す。なお、図６及び図７においては、熱サイクルを３０００回負荷後の接合比率が８５％以上のものを○、熱サイクルを３０００回負荷後の接合比率が７０％以上８５％未満のものを△、熱サイクルを３０００回負荷後の接合比率が７０％未満のものを×とした。

図６及び図７に示すように、加熱温度が高いほど接合信頼性が向上する傾向が認められる。また、Ｃｕ層厚さが１．０μm〜２．０μm程度の場合には、加熱温度が低温でも接合信頼性が向上していることが確認される。さらに、図６及び図７は、同様の傾向を示しており、Ｃｕの蒸着をセラミックス基板側に行った場合と、金属板側に行った場合とで差は認められない。

また、上述のように、セラミックス基板の両面に金属板を接合し、回路層（金属層）のうちセラミックス基板と回路層（金属層）との接合界面から５０μｍの位置におけるＣｕ濃度が異なるパワーモジュール用基板を作製した。
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、ＡｌＳｉＣからなり、厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
この試験片を、−４０℃−１０５℃の熱サイクルを３０００回負荷し、その際の接合率を求めた。評価結果を表１に示す。なお、接合率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積

表１に示すように、接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）におけるＣｕ濃度が０．０５未満の比較例１及びＣｕ濃度が５％を超えた比較例２では、接合率が６７％未満であり、接合信頼性に劣ることが確認された。
これに対して、Ｃｕ濃度が０．０５ｗｔ％以上５ｗｔ％以下とされた本発明例１−３においては、接合率が７１％以上であり、接合信頼性が向上することが確認された。

１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２２、２３ 金属板
２４、２５ Ｃｕ層
２６、２７ 溶融金属層
３０ 接合界面
３３ 濃度傾斜層（濃度傾斜部）
３４ 軟質層
４１ アルミニウム相
４２ 共晶相

Claims (10)

1. セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、
   前記金属板には、前記セラミックス基板との接合界面においてＣｕが固溶しており、前記接合界面から５０μm以内の範囲におけるＣｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内に設定されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
2. 前記金属板の幅方向端部においては、アルミニウム中にＣｕが固溶されたアルミニウム相と、ＡｌとＣｕとの２元共晶組織からなる共晶相と、が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
3. 前記共晶相においては、Ｃｕを含む化合物からなる析出粒子が析出していることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
4. 前記金属板には、前記接合界面から積層方向に向けて離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜部が形成されており、この濃度傾斜部の前記セラミックス基板とは反対側に、前記接合界面近傍よりも硬度が低い軟質層が形成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パワーモジュール用基板。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
6. セラミックス基板の表面に、アルミニウムからなる金属板が積層されて接合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板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融金属層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融金属層を凝固させる凝固工程と、を有し、
   前記溶融工程及び前記凝固工程により、前記金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍において、前記接合界面から５０μm以内の範囲におけるＣｕ濃度が０．０５〜５ｗｔ％の範囲内となるようにＣｕを固溶させ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。
7. 前記Ｃｕ層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程によって形成されていることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
8. 前記Ｃｕ固着工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
9. 前記Ｃｕ固着工程は、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はＣｕペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
10. 前記Ｃｕ層が、前記積層工程において前記セラミックス基板及び前記金属板の間に銅箔を介装することによって形成されていることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。