JP5640571B2 - 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素子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、例えば特許文献１に示すように、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（半導体素子）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。

また、回路層を形成する手段としては、セラミックス基板に金属板を接合した後に、この金属板に回路パターンを形成する方法の他に、例えば特許文献２に開示されているように、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する方法が提案されている。

ここで、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３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２００３−０８６７４４号公報 特開２００８−３１１２９４号公報 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、搭載される半導体素子等の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り、従来にも増して、セラミックス基板と金属板との間の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の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、Ｓｉ及び前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ｓｉ及び前記添加元素を、０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上１０ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で介在させ、前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成し、前記凝固工程において、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のＳｉ及び前記添加元素をさらに前記金属板側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行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、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、Ｓｉ，及び前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程を備えているので、前記金属板と前記セラミックス基板の接合界面には、Ｓｉに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が介在することになる。ここで、Ｓｉ、並びに、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
よって、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、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。

また、加熱工程において、固着層のＳｉと、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素と、を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、ろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、金属板とセラミックス基板とが確実に接合されたパワーモジュール用基板を製造することができる。

このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。

また、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在されるＳｉ及び前記添加元素の固着量を０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上としているので、セラミックス基板と金属板との界面に、溶融金属領域を確実に形成することができ、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。
さらに、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に介在されるＳｉ及び前記添加元素の固着量を１０ｍｇ／ｃｍ^２以下としているので、固着層にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板と金属板との界面に溶融金属領域を確実に形成することができる。さらに、Ｓｉ及び前記添加元素が過剰に金属板側に拡散して界面近傍の金属板の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、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、熱応力を金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れ等を防止できる。

さらに、前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ｓｉ及び前記添加元素を、０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上１０ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で介在させているので、前記金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍におけるＳｉ及び前記添加元素の濃度の合計が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内とされたパワーモジュール用基板を製造することができる。

しかも、金属板及びセラミックス基板に直接固着層を形成しているので、酸化被膜は、金属板の表面にのみ形成されることになる。すると、両面に酸化被膜が形成されたろう材箔を用いた場合に比べて、金属板及びセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。

なお、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に直接Ｓｉ及び前記添加元素を固着させる構成としているが、生産性の観点から、金属板の接合面にＳｉ及び前記添加元素を固着させることが好ましい。
また、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ及び前記添加元素をそれぞれ単独で固着して、Ｓｉ層及び添加元素層を形成してもよい。あるいは、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉ及び前記添加元素を同時に固着させてＳｉと前記添加元素の固着層を形成してもよい。

ここで、前記固着工程では、Ｓｉ及び前記添加元素とともにＡｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、Ｓｉ及び前記添加元素とともにＡｌを固着させているので、形成される固着層がＡｌを含有することになり、加熱工程において、この固着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。また、Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉなどの酸化活性元素の酸化を防止することができる。なお、Ｓｉ及び前記添加元素とともにＡｌを固着させるには、Ｓｉ及び前記添加元素とＡｌとを同時に蒸着してもよいし、Ｓｉ及び前記添加元素と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。さらに、Ｓｉ及び添加元素とＡｌとを積層してもよい。

また、前記固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＳｉ及び前記添加元素を固着させるものとすることが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｓｉ及び前記添加元素が前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、セラミックス基板と金属板との接合界面にＳｉ及び前記添加元素を確実に介在させることが可能となる。また、Ｓｉ及び前記添加元素の固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、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の製造方法を提供することが可能となる。

本発明の第１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。 本発明の第１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Ｓｉ濃度及び添加元素濃度を示す説明図である。 本発明の第１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）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。 本発明の第１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フロー図である。 本発明の第１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５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。 本発明の第２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Ｓｉ濃度及び添加元素濃度を示す説明図である。 本発明の第２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）とセラミックス基板との接合界面の模式図である。 本発明の第２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フロー図である。 本発明の第２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。

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に本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
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メッキ層（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、図５に示すように、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、図５に示すように、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と接合される天板部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の幅方向中央部においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＳｉに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍には、接合界面３０から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｓｉ濃度及び前記添加元素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、この濃度傾斜層３３の接合界面３０側（回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍）のＳｉ及び前記添加元素の濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍のＳｉ及び前記添加元素の濃度は、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。

ここで、本実施形態では、Ｇｅを添加元素として用いており、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍のＧｅ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下、Ｓｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下の範囲内に設定されている。

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を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図３に示すように、接合界面３０にＳｉが濃縮したＳｉ高濃度部３２が形成されている。このＳｉ高濃度部３２においては、Ｓｉ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＳｉ濃度よりも５倍以上高くなっている。なお、このＳｉ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
ここで、観察する接合界面３０は、図３に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。

（固着工程Ｓ１）
まず、図５及び図６に示すように、金属板２２、２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによってＳｉと、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素と、を固着し、固着層２４、２５を形成する。
ここで、本実施形態では、Ｇｅを添加元素として用いており、固着層２４、２５におけるＳｉ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｇｅ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上２．５ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。

（積層工程Ｓ２）
次に、図５に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。このとき、図５及び図６に示すように、金属板２２、２３のうち固着層２４、２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように積層する。すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ固着層２４、２５（Ｓｉ及び前記添加元素）を介在させているのである。このようにして積層体２０を形成する。

（加熱工程Ｓ３）
次に、積層工程Ｓ２において形成された積層体２０を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、図６に示すように、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域２６、２７を形成する。この溶融金属領域２６、２７は、図６に示すように、固着層２４、２５のＳｉ及び前記添加元素が金属板２２、２３側に拡散することによって、金属板２２、２３の固着層２４、２５近傍のＳｉ濃度及び前記添加元素の濃度（本実施形態では、Ｇｅ濃度）が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ^２未満の場合には、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ^２を超えた場合には、金属板２２，２３が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０^−３〜１０^−６Ｐａの範囲内に、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。

（凝固工程Ｓ４）
次に、溶融金属領域２６、２７が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域２６、２７中のＳｉ及び添加元素（本実施形態では、Ｇｅ）が、さらに金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域２６、２７であった部分のＳｉ濃度及び前記添加元素の濃度（本実施形態では、Ｇｅ濃度）が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。

このようにして、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、金属板２２、２３の接合面にＳｉ及び前記添加元素（本実施形態では、Ｇｅ）を固着させる固着工程Ｓ１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面３０には、Ｓｉ及び前記添加元素とが介在することになる。ここで、Ｓｉ、並びに、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。

さらに、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）とが、金属板２２、２３の接合面に形成されたＳｉ及び前記添加元素を含有する固着層２４、２５のＳｉ及び前記添加元素を金属板２２、２３側に拡散させることによって溶融金属領域２６、２７を形成し、この溶融金属領域２６、２７中のＳｉ及び前記添加元素を金属板２２、２３へ拡散させることによって凝固させて接合しているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。

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の幅方向中央部においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）にＳｉ及び前記添加元素が固溶しており、回路層１２及び金属層１３のそれぞれの接合界面３０側のＳｉ及び前記添加元素の濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｇｅを添加元素として用いており、回路層１２及び金属層１３の接合界面３０近傍のＧｅ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下、Ｓｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下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側の部分が固溶強化し、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）における亀裂の発生を防止することができる。
また、加熱工程Ｓ３においてＳｉ及び前記添加元素が十分に金属板２２、２３側に拡散しており、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが強固に接合されていることになる。

さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌＮで構成されており、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との接合界面３０に、Ｓｉ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＳｉ濃度の５倍以上とされたＳｉ高濃度部３２が形成されているので、接合界面３０に存在するＳｉによってセラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合強度の向上を図ることができる。

また、金属板の接合面にＳｉ及び前記添加元素を固着させて固着層２４、２５を形成する固着工程Ｓ１を備えており、加熱工程Ｓ３において、固着層２４、２５のＳｉ及び前記添加元素を金属板２２、２３側に拡散させることにより、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に溶融金属領域２６、２７を形成する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔を用いる必要がなく、低コストで、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが確実に接合されたパワーモジュール用基板１０を製造することが可能となる。

また、本実施形態では、固着工程Ｓ１において、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に介在されるＳｉ量及びＧｅ量を、Ｓｉ；０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上、Ｇｅ；０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上としているので、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に、溶融金属領域２６、２７を確実に形成することができ、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。

さらに、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に介在されるＳｉ量及びＧｅ量を、Ｓｉ；１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下、Ｇｅ；２．５ｍｇ／ｃｍ^２以下としているので、固着層２４、２５にクラックが発生することを防止することができ、セラミックス基板１１と金属板２２，２３との界面に溶融金属領域２６，２７を確実に形成することができる。さらに、Ｓｉ及び前記添加元素が過剰に金属板２２，２３側に拡散して界面近傍の金属板２２，２３の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層１２、金属層１３（金属板２２，２３）で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れ等を防止できる。

また、ろう材箔を使用せずに、金属板２２、２３の接合面に直接固着層２４、２５を形成しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実にセラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合することができる。よって、このパワーモジュール用基板１０を効率良く製出することが可能となる。
しかも、金属板２２、２３の接合面に固着層２４、２５を形成しているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面に介在する酸化被膜は、金属板２２、２３の表面にのみ存在することになるため、初期接合の歩留りを向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１０を参照して説明する。
この第２の実施形態であるパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板１１１がＳｉ_３Ｎ_４で構成されている。

セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０の幅方向中央部においては、図７に示すように、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）にＳｉに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。ここで、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍のＳｉ及び前記添加元素の濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍のＳｉ及び前記添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図７のグラフは、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）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。

ここで、本実施形態では、Ａｇを添加元素として用いており、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍のＡｇ濃度が０．０５質量％以上１．５質量％以下、Ｓｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、の範囲内に設定されている。

また、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図８に示すように、接合界面１３０に酸素が濃縮した酸素高濃度部１３２が形成されている。この酸素高濃度部１３２においては、酸素濃度が、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）中の酸素濃度よりも高くなっている。なお、この酸素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図８に示すように、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。

以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板の製造方法について、図９及び図１０を参照して説明する。なお、本実施形態では、固着工程が、Ｓｉ固着工程Ｓ１０と添加元素固着工程Ｓ１１とに分離されている。

（Ｓｉ固着工程Ｓ１０）
まず、図１０に示すように、金属板１２２、１２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによってＳｉを固着し、Ｓｉ層１２４Ａ、１２５Ａを形成する。ここで、Ｓｉ層１２４Ａ、１２５ＡのＳｉ量は、０．００２ｍｇ／ｃｍ^２以上１．２ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。また、Ｓｉ層１２４Ａ、１２５Ａの厚さは、０．０１μｍ以上５μｍ以下の範囲内に設定することが好ましい。

（添加元素固着工程Ｓ１１）
次に、前述のＳｉ層１２４Ａ、１２５Ａの上に、スパッタリングによってＺｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、添加元素層１２４Ｂ、１２５Ｂを形成する。ここで、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いており、添加元素層１２４Ｂ、１２５ＢにおけるＡｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ^２以上５．４ｍｇ／ｃｍ^２以下に設定されている。また、添加元素層１２４Ｂ、１２５Ｂの厚さは、０．０１μｍ以上５μｍ以下の範囲内に設定することが好ましい。

（積層工程Ｓ１２）
次に、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、図１０に示すように、金属板１２２、１２３のうちＳｉ層１２４Ａ、１２５Ａ及び添加元素層１２４Ｂ、１２５Ｂが形成された面がセラミックス基板１１１を向くように積層する。すなわち、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間にそれぞれＳｉ層１２４Ａ、１２５Ａ及び添加元素層１２４Ｂ、１２５Ｂを介在させているのである。このようにして積層体を形成する。

（加熱工程Ｓ１３）
次に、積層工程Ｓ１２において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、図１０に示すように、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ溶融金属領域１２６、１２７を形成する。この溶融金属領域１２６、１２７は、図１０に示すように、Ｓｉ層１２４Ａ、１２５Ａ及び添加元素層１２４Ｂ、１２５ＢのＳｉ及び添加元素（本実施形態ではＡｇ）が金属板１２２、１２３側に拡散することによって、金属板１２２、１２３のＳｉ層１２４Ａ、１２５Ａ及び添加元素層１２４Ｂ、１２５Ｂ近傍のＳｉ濃度及び添加元素の濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０^−３〜１０^−６Ｐａの範囲内に、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。

（凝固工程Ｓ１５）
次に、溶融金属領域１２６、１２７が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域１２６、１２７中のＳｉ及び添加元素がさらに金属板１２２、１２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域１２６、１２７であった部分のＳｉ濃度及び添加元素の濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。

このようにして、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１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が製造されることになる。

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においては、金属板1２２、1２３の接合面にＳｉを固着させるＳｉ固着工程Ｓ１０と、前記添加元素（本実施形態ではＡｇ）を固着させる添加元素固着工程Ｓ１１と、を備えているので、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１の接合界面１３０には、Ｓｉ及び前記添加元素が介在することになる。ここで、Ｓｉ、並びに、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下するものであることから、低温条件での接合が可能となる。

さらに、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）とが、金属板１２２、１２３の接合面に形成されたＳｉ層１２４Ａ、１２５Ａと添加元素層１２４Ｂ、１２５ＢのＳｉ及び添加元素を金属板１２２、１２３側に拡散させることによって溶融金属領域１２６、１２７を形成し、この溶融金属領域１２６、１２７中のＳｉ及び添加元素を金属板１２２、１２３へ拡散させることによって凝固させて接合しているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とを強固に接合することが可能となる。

また、本実施形態では、セラミックス基板１１１がＳｉ_３Ｎ_４で構成されており、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０に、酸素濃度が回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３中の酸素濃度よりも高くされた酸素高濃度部１３２が生成されているので、この酸素によってセラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３との接合強度の向上を図ることができる。また、この酸素高濃度部１３２の厚さが４ｎｍ以下とされているので、熱サイクルを負荷した際の応力によって酸素高濃度部１３２にクラックが発生することが抑制される。

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、固着工程において、金属板の接合面にＳｉ及び前記添加元素を固着させる構成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、セラミックス基板の接合面にＳｉ及び前記添加元素を固着させてもよいし、セラミックス基板の接合面及び金属板の接合面に、それぞれＳｉ及び前記添加元素を固着させてもよい。
また、固着工程において、Ｓｉ及び前記添加元素とともにＡｌを固着させてもよい。
さらに、固着工程において、スパッタによってＳｉ及び前記添加元素を固着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、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｓｉ及び前記添加元素を固着させてもよい。

また、第２の実施形態において、固着工程を、Ｓｉ固着工程Ｓ１０の後に添加元素固着工程Ｓ１１を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、添加元素固着工程の後にＳｉ固着工程を行ってもよい。
さらに、添加元素とＳｉ等の合金を用いて、Ｓｉと添加元素の合金層を形成してもよい。
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、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く、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。

また、セラミックス基板をＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ_２Ｏ_３等の他のセラミックスで構成されていてもよい。

本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
ここで、回路層及び金属層となるアルミニウム板（４Ｎアルミニウム）の接合面に、Ｓｉ及び添加元素を固着して固着層を形成し、金属板とセラミックス基板とを積層して加圧加熱し、金属板とセラミックス基板とを接合した。

そして、固着する添加元素を変更した種々の試験片を製出し、これらの試験片を用いて接合信頼性の評価を行った。接合信頼性の評価としては、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率を比較した。結果を表１から表３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

また、これらの試験片について、金属板のうちセラミックス基板の接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）のＳｉ及び添加元素の濃度を、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した。Ｓｉ及び添加元素の合計濃度を表１−３に併せて示す。

固着層のＳｉ量が０．０１ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算０．０４３μｍ）、及び添加元素（Ｌｉ）の固着量が０．０５ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算０．９３５μｍ）とされ、固着量の合計が０．０６ｍｇ／ｃｍ^２とされた比較例１では、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率が５０．６％と非常に低い値を示した。これは、界面に介在するＳｉ量及び添加元素（Ｌｉ）量が少なく、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を十分に形成することができなかったためと判断される。

固着層のＳｉ量が１．２ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算５．１５μｍ）、及び添加元素（Ｚｎ）の固着量が１．２ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算１．６８μｍ）、添加元素（Ｇｅ）の固着量が２．４ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算４．５１μｍ）、添加元素（Ａｇ）の固着量が５．３ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算５．０５μｍ）とされ、固着量の合計が１０．１ｍｇ／ｃｍ^２とされた比較例２では、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率が６３．８％であった。これは、Ｓｉ及び添加元素（Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｇ）の量が多く金属板が硬くなり過ぎて、冷熱サイクルによる熱応力が接合界面に負荷されたためと推測される。

これに対して、本発明例１−６３においては、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率が全て９３％以上であった。
また、固着層のＳｉ量が０．０１ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算０．０４３μｍ）、及び添加元素（Ｌｉ）の固着量が０．０９ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算１．６８μｍ）とされ、固着量の合計が０．１ｍｇ／ｃｍ^２とされた本発明例６４や固着層のＳｉ量が１．１ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算４．７２μｍ）、及び添加元素（Ｚｎ）の固着量が１．２ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算１．６８μｍ）、添加元素（Ｇｅ）の固着量が２．２ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算４．１３μｍ）、添加元素（Ａｇ）の固着量が５．１ｍｇ／ｃｍ^２（厚さ換算４．８６μｍ）とされ、固着量の合計が９．６ｍｇ／ｃｍ^２とされた本発明例６５においても、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後の接合率が７０％を超えていた。
この結果から、本発明例によれば、Ｓｉ及び各種添加元素の拡散によって、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、金属板とセラミックス基板とを強固に接合できたと判断される。

また、本発明例１−６５においては、金属板のうちセラミックス基板の接合界面近傍（接合界面から５０μｍ）のＳｉ及び各種添加元素の合計濃度が０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内にな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、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２２、２３、１２２、１２３ 金属板
２４、２５ 固着層
２６、２７、１２６、１２７ 溶融金属領域
３０、１３０ 接合界面
１２４Ａ、１２５Ａ Ｓｉ層
１２４Ｂ、１２５Ｂ 添加元素層

Claims (3)

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の製造方法であって、
   前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉに加えて、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、Ｓｉ及び前記添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
   前記固着層を介して前記セラミックス基板と前記金属板と積層する積層工程と、
   積層された前記セラミックス基板と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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
   この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
   前記固着工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、Ｓｉ及び前記添加元素を、０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上１０ｍｇ／ｃｍ^２以下の範囲内で介在させ、
   前記加熱工程において、前記固着層の元素を前記金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と前記金属板との界面に、前記溶融金属領域を形成し、
   前記凝固工程において、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のＳｉ及び前記添加元素をさらに前記金属板側に拡散させることにより、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行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。
2. 前記固着工程では、Ｓｉ及び前記添加元素とともに、Ａｌを固着させ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の製造方法。
3. 前記固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、前記セラミックス基板の接合面及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方に、Ｓｉと、Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素と、を固着させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。

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