JP6127540B2 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が配設されるとともに他方の面に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に関するものである。
各種の半導体素子のうちでも、電気自動車や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素子では、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）などからなるセラミックス基板（絶縁層）の一方の面及び他方の面に金属板を回路層及び金属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。
そして、このようなパワーモジュール用基板は、その回路層上に、はんだ材を介してパワー素子としての半導体素子（電子部品）が搭載され、パワーモジュールとされる。また、金属層の下方にはヒートシンクが接合され、放熱させる構造とされたものが知られている。
上述のパワーモジュール用基板においては、特許文献１，２に示すように、回路層及び金属層を、銅やアルミニウムで構成したものが広く提案されている。例えば、特許文献１には、第一の金属板（回路層）及び第二の金属板（金属層）としてアルミニウム板を用いてなるパワーモジュール用基板が提案されている。また、特許文献２には、第一の金属板（回路層）及び第二の金属板（金属層）を銅板とし、この銅板を、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材を用いた活性金属法によってセラミックス基板に接合してなるパワーモジュール用基板が提案されている。
ところで、回路層及び金属層においては、厚さ、大きさ、形成パターンとが互いに異なっていることがあり、セラミックス基板の一方の面に回路層となる金属板を接合し、セラミックス基板の他方の面に金属層となる金属板を接合して、上述のパワーモジュール用基板を製造する場合、パワーモジュール用基板に反りが生じることがあった。
このパワーモジュール用基板に生じる反りを低減するために、特許文献３では、パワーモジュール用基板を−２０℃以下に保持することが提案されている。また、特許文献４では、パワーモジュール用基板を−１１０℃以下に冷却することが提案されている。
特許第３１７１２３４号公報 特開第３２１１８５６号公報 特許第３４１９６２０号公報 特許第３９２２５３８号公報
しかしながら、特許文献３に示す方法では、回路層及び金属層が同種の金属で構成されたパワーモジュール用基板を−２０℃以下に保持する時間が長すぎるために、生産性が悪化する問題があった。
また、特許文献４に示す方法では、回路層及び金属層が同種の金属で構成されたパワーモジュール用基板の冷却温度が−１１０℃以下とされており、冷却温度が低すぎるために、冷却に必要なコストが過剰に大きくなる問題があった。
また、回路層及び金属層においては、それぞれの要求特性に応じて、種々の金属が選択的に使用され、回路層及び金属層が互いに異なる金属材料で構成されることがある。
例えば、回路層を２Ｎアルミニウムで構成し、金属層を４Ｎアルミニウムで構成したパワーモジュール用基板や、回路層を銅で構成し、金属層をアルミニウムで構成したパワーモジュール用基板が提案されている。
このように回路層及び金属層を異種の金属で構成した場合、回路層及び金属層をセラミックス基板に接合する際に、回路層及び金属層の剛性や熱膨張係数が互いに異なるために、パワーモジュール用基板に反りが生じやすくなる。回路層及び金属層の接合時において、パワーモジュール用基板に反りが発生すると、その後のヒートシンクとの接合が困難となり、パワーモジュール用基板とヒートシンクの接合の信頼性が低下する。また、パワーモジュール用基板に反りがある場合、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に隙間が生じ、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合部の熱抵抗が大きくなり問題となる。
このため、回路層及び金属層を異種の金属で構成した場合であっても、パワーモジュール用基板の反りを十分に低減することができるパワーモジュール用基板の製造方法が望まれていた。
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、絶縁層の一方の面及び他方の面に、異種の金属で構成された回路層及び金属層を接合する際に生じる反りを、比較的短時間かつ低コストで小さくすることができる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、本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、前記絶縁層の他方の面に配設された金属層と、を備えるパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層と前記金属層とは、異種の金属で構成され、前記絶縁層の一方の面及び他方の面に、前記回路層及び前記金属層を接合した後に、積層方向に加圧した状態で常温よりも低い温度にまで冷却し、その後、常温に戻し、加圧を除去す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、絶縁層の一方の面及び他方の面に、異種の金属で構成された金属層と回路層を接合した後に、積層方向に加圧した状態で常温よりも低い温度にまで冷却する構成とされているので、パワーモジュール用基板が加圧によって拘束された状態で常温よりも低い温度にまで冷却されて金属層及び回路層に塑性変形が生じ、金属層及び回路層を接合した際の残留応力が小さくなり、パワーモジュール用基板の反りが低減される。そして、冷却状態から常温に戻す際には、金属層及び回路層を接合した際とは逆側が大きくなるように残留応力が発生し、さらに反りが低減されることになる。
このような反りが小さくされたパワーモジュール用基板を用いると、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを良好に接合することができ、接合信頼性を向上させることが可能となる。また、反りが小さいパワーモジュール用基板を用いることで、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間の隙間を小さくし、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合部における熱抵抗を小さくすることが可能である。
また、加圧しながら常温よりも低い温度にまで冷却を行っているので、パワーモジュール用基板が拘束されており、比較的短時間かつ高温側で回路層及び金属層を塑性変形させ、パワーモジュール用基板の残留応力を小さくすることができる。そのため、高価な冷却装置（冷却器）を必要とせず、低コストでパワーモジュール用基板の残留応力を小さくすることができる。
また、積層方向に９．８×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下で加圧した状態で冷却する構成とされても良い。
また、−７０℃以上−５℃以下の範囲内に冷却する構成とされても良い。
このように条件を設定して加圧した状態で冷却する構成にすることによって、回路層及び金属層を接合した際に発生したパワーモジュール用基板の残留応力を確実に低減し、反りを小さくすることができる。
また、前記回路層は、銅又は銅合金で構成され、前記金属層はアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていても良い。
回路層を銅で構成し、金属層をアルミニウムで構成したパワーモジュール用基板においては、回路層が熱伝導性に優れる銅とされているので、半導体素子からの熱を回路層の面方向に拡げ、効率的に熱を放散することができるとともに、金属層がアルミニウムで構成されていることから、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する歪みを金属層で吸収でき、セラミックス基板の割れを抑制可能となる。
本発明によれば、前記回路層が銅又は銅合金で構成され、前記金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成された場合であっても、パワーモジュール用基板の反りを、上述のように加圧した状態で冷却することによって小さくすることができる。
また、前記回路層は２Ｎアルミニウムで構成され、前記金属層は４Ｎアルミニウムで構成されていても良い。
回路層を２Ｎアルミニウムで構成し、金属層を４Ｎアルミニウムで構成したパワーモジュール用基板においては、回路層が比較的変形抵抗が大きい２Ｎアルミニウムで構成されていることから半導体素子と回路層との間に介在するはんだ層にクラックが発生することを抑制できるとともに、金属層が比較的変形抵抗が小さい４Ｎアルミニウムで構成されていることから、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する歪みを金属層で吸収でき、セラミックス基板の割れを抑制可能となる。
本発明によれば、前記回路層が２Ｎアルミニウムで構成され、前記金属層が４Ｎアルミニウムで構成された場合であっても、パワーモジュール用基板の反りを、上述のように加圧した状態で冷却することによって小さくすることができる。
また、前記回路層は、前記絶縁層の一方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方側に積層された銅層と、を有する構成とされても良い。
この場合、回路層が銅層を有しており、この銅層の上に半導体素子が搭載された場合には、半導体素子から発生する熱をパワーモジュール用基板側へ伝達する際に、回路層の銅層で面方向に拡げて効率的に放散することができる。
さらに、絶縁層の一方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層が形成されており、ヒートサイクルが負荷された場合に絶縁層と回路層との熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力をアルミニウム層が吸収するので、絶縁層に割れが発生することを抑制でき、接合に対する高い信頼性を得ることができる。
また、アルミニウム層の一方側には、比較的変形抵抗の大きい銅層が形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層の変形を抑制することができる。そのため、パワーサイクルに対する信頼性を得ることができる。
また、前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に積層された銅層と、を有する構成とされても良い。
この場合、金属層が銅層を有しており、この銅層とヒートシンクとが接合された場合に、絶縁層側からの熱をヒートシンク側へ伝達する際に、銅層で面方向に拡げて効率的に放散することができる。
さらに、絶縁層の他方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層が形成されており、ヒートサイクルが負荷された場合に生じる熱応力をアルミニウム層が吸収するので、絶縁層に割れが発生することを抑制できる。
また、アルミニウム層には、比較的変形抵抗の大きい銅層が形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、金属層の変形を抑制することができる。
本発明によれば、絶縁層の一方の面及び他方の面に、異種の金属で構成された回路層及び金属層を接合する際に生じる反りを、比較的短時間かつ低コストで小さくすることができる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。
本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。 本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。 本発明の第一実施形態に係る回路層の接合方法を説明するための図である。 本発明の第一実施形態に係る金属層の接合方法を説明するための図である。 本発明の第一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法で用いられる加圧装置の例を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の概略説明図である。 図６のアルミニウム層と銅層との界面の拡大図である。 図６の拡散層の拡大説明図である。 本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュールの製造方法を説明する図である。 本発明の第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。 第二実施形態に係るパワーモジュール用基板の変形例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るパワーモジュール用基板を示す図である。
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。
まず、本発明の第一実施形態について説明する。図１に、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０を示す。
このヒートシンク付パワーモジュール１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板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）とされており、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と半導体素子３とを接合するものである。
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。本実施形態では、ＩＧＢＴ素子とされている。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板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。
そして、パワーモジュール用基板１０は、図１で示すように、セラミックス基板１１（絶縁層）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）に形成された回路層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、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。
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、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の厚みは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされている。本実施形態においては、無酸素銅の圧延板からなる銅板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おり、回路層１２の厚みは０．６ｍｍに設定されている。
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の厚みは、０．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされている。本実施形態においては、金属層１３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）の圧延板からなるアルミニウム板２３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。
そして、回路層１２と金属層１３の厚みの比は、０．０１以上０．９以下とされており、本実施形態においては、その比は０．３７５とされている。
ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板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、熱伝導性が良好な金属で構成されており、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。このヒートシンク３１の内部には、冷却用の流体が流れるための流路３２が設けられている。
本実施形態においては、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１とは、はんだを介して接合されている。
次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０、パワーモジュール用基板１０の製造方法について、図２から図５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、活性ロウ材２５を塗布し、さらにセラミックス基板１１の一方の面に無酸素銅の銅板２２を積層し、積層体Ｓ１とする。本実施形態では、活性ロウ材としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のロウ材を用いている。そして、この積層体Ｓ１を、図５で示す加圧装置４０に設置する。なお、図５では、加圧装置４０には、パワーモジュール用基板１０が設置されている場合について示している。
加圧装置４０は、ベース板４１と、このベース板４１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト４２と、これらガイドポスト４２の上端部に配置された固定板４３と、ベース板４１と固定板４３との間で上下移動自在にガイドポスト４２に支持された押圧板４４と、固定板４３と押圧板４４との間に設けられて押圧板４４を下方に付勢するばね等の付勢手段４５と、固定板４３を上下させる調整ネジ４６と、を備えている。
固定板４３及び押圧板４４は、ベース板４１に対して平行に配置されており、ベース板４１と押圧板４４との間に、カーボンシート４７を介して、前述の積層体Ｓ１が配置される。そして、調整ネジ４６の位置を調節することによって固定板４３を上下させて、付勢手段４５により押圧板４４を押し込んで、積層体Ｓ１に加圧されるようになっている。
上述のような加圧装置４０を用いて積層体Ｓ１に９．８×１０４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下の範囲で加圧する。そして、加圧装置４０に積層体Ｓ１を設置した状態で、加熱炉内に配置し、真空雰囲気中で８５０℃に加熱してろう付けを行うことによって、セラミックス基板１１と銅板２２を接合し、回路層１２を形成する（回路層接合工程Ｓ１１）。
次に、図４に示すようにセラミックス基板の他方の面に、ろう材箔２６を介してアルミニウム板２３を積層し、積層体Ｓ２とする。本実施形態では、ろう材としてＡｌ−Ｓｉ箔を用いている。そして、この積層体Ｓ２を加圧装置４０に設置する。そして、積層体Ｓ２に９．８×１０４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下の範囲で加圧する。そして、加圧装置４０に積層体Ｓ２を設置した状態で、加熱炉内に配置し、真空雰囲気中で６４０〜６５０℃に加熱してろう付けを行うことによって、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３を接合し、金属層１３を形成する（金属層接合工程Ｓ１２）。
こうして、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１０が得られる。
本実施形態では、さらに、パワーモジュール用基板１０を加圧したままの状態で、冷却をする（冷却工程Ｓ１３）。
具体的には、９．８×１０４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下の範囲で加圧したままの状態で、加圧装置４０ごと冷却器に配置し、−７０℃以上−５℃以下の範囲まで冷却すれば良い。そして、常温に戻し、加圧装置４０から取り外し、パワーモジュール用基板１０への加圧を除去する。なお、より好ましい冷却温度としては、−２０℃以上−１０℃以下とされている。また、冷却の保持時間は、所定の冷却温度まで冷却するために、冷却器へ設置後、５分程度放置すると良い。より好ましくは、所定の冷却温度で１０分間の冷却を行うと良い。
次に、パワーモジュール用基板１０の他方側にヒートシンク３１を配置し、はんだを介して金属層１３とヒートシンク３１とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１４）。
このようにして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が得られる。
そして、回路層１２の一方側（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ１５）。
このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１が製出される。
以上のような構成とされ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、セラミックス基板１１の一方の面に無酸素銅の圧延板で構成された回路層１２を接合した後に、４Ｎアルミニウムの圧延板で構成された金属層１３を接合している。この場合、４Ｎアルミニウムは、無酸素銅よりも熱膨張係数が大きいので、接合時の冷却過程においてパワーモジュール用基板１０の他方側に一方側と比べて大きい圧縮の残留応力が発生する。また、本実施形態においては、金属層１３の方が回路層１２よりも厚みが厚い構成とされているので、金属層１３の方が回路層１２よりも剛性が大きくなっており、接合時の冷却過程においてパワーモジュール用基板１０の他方側に一方側と比べて大きい圧縮の残留応力が発生する。このような残留応力を有する場合、パワーモジュール用基板１０には、パワーモジュール用基板１０の一方側を凸とする反りが生じることになる。
そして、このパワーモジュール用基板１０を常温以下の低温まで冷却をすると、さらに熱収縮が生じてパワーモジュール用基板１０の他方側に一方側と比べてさらに大きな残留応力が生じることになる。しかしながら、本実施形態では、パワーモジュール用基板１０を加圧した状態で冷却しており、パワーモジュール用基板１０が拘束をされている状態となっているので、残留応力が大きくなり、この残留応力が回路層１２及び金属層１３の弾性限を超えると、回路層１２及び金属層１３が塑性変形し、残留応力が小さくなる。そして、低温から常温に戻る際には、回路層１２及び金属層１３は熱膨張し、冷却過程とは逆に、パワーモジュール用基板１０の他方側に一方側と比べて大きい引張の応力が生じ、接合時に生じた残留応力と打ち消し合うことになる。したがって、冷却前の常温時の残留応力よりも、冷却後に常温まで戻した時の残留応力の方が小さくなり、パワーモジュール用基板１０の反りを小さくすることができる。
そして、パワーモジュール用基板１０をヒートシンク３１と接合する際に、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１を良好に接合することができ、接合信頼性を向上させることが可能となる。また、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との隙間を小さくすることができるので、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク３１との接合部における熱抵抗を小さくすることが可能である。
また、加圧しながら冷却を行うことによって、比較的短時間かつ高温側でパワーモジュール用基板１０の残留応力を小さくすることができ、高価な冷却装置（冷却器）を必要とせず、低コストでパワーモジュール用基板の残留応力を小さくすることができる。
また、本実施形態においては、パワーモジュール用基板１０に対して、９．８×１０４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下の荷重を負荷した状態で、−７０℃以上−５℃以下に冷却する構成とされているので、パワーモジュール用基板１０の残留応力を確実に小さくし、パワーモジュール用基板の反りを小さくすることが可能である。
パワーモジュール用基板１０を冷却する際の加圧の圧力が９．８×１０４Ｐａ未満の場合は、パワーモジュール用基板１０に対する拘束が弱いため、回路層１２と金属層１３に塑性変形が生じ難くなるので、パワーモジュール用基板１０の残留応力を小さくすることが困難となる。また、３４３×１０４Ｐａを超える場合は、加圧が高すぎるためセラミックス基板１１に割れが発生することがある。このような理由により、冷却の際の加圧は、上記の範囲に設定されている。
冷却の温度が−７０℃未満の場合には、冷却温度が低いので高価な冷却設備（冷却器）が必要となり冷却を実施するためのコストが増加する。また、冷却温度が低すぎるために接合後の反りと逆方向の反りが発生するので問題が生じることがある。冷却の温度が−５℃超の場合は、冷却が不十分なために回路層１２と金属層１３に塑性変形が生じず残留応力を小さくすることが困難となる。このような理由により、冷却の際の温度は、上記の範囲に設定されている。
（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、上記した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、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１０１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０、パワーモジュール用基板１１０を示す。
このパワーモジュール１０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の一方側（図６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。
また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０は、パワーモジュール用基板１１０と、パワーモジュール用基板１１０の他方側（図６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。
そして、パワーモジュール用基板１１０は、図６に示すように、セラミックス基板１１（絶縁層）と、このセラミックス基板１１の一方の面（図６において上面）に形成された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図６において下面）に形成された金属層１３と、を備えている。
回路層１１２は、図６で示すように、セラミックス基板１１の一方の面に配設されたアルミニウム層１１２Ａと、このアルミニウム層１１２Ａの一方側（図６において上側）に積層された銅層１１２Ｂと、を有している。
アルミニウム層１１２Ａは、アルミニウム板１２２Ａ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いる。本実施形態においては、アルミニウム層１１２Ａ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）の圧延板からなるアルミニウム板１２２Ａ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。
銅層１１２Ｂは、アルミニウム層１１２Ａの一方側（図６において上側）に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、銅層１１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板１２２Ｂがアルミニウム層１１２Ａに固相拡散接合されることにより形成されている。この銅板１２２Ｂの厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。
そして、これらのアルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの界面には、図７に示すように、拡散層１１２Ｃが形成されている。
拡散層１１２Ｃは、アルミニウム層１１２Ａのアルミニウム原子と、銅層１１２Ｂの銅原子とが相互拡散することによって形成されるものである。この拡散層１１２Ｃにおいては、アルミニウム層１１２Ａから銅層１１２Ｂに向かうにしたがい、漸次アルミニウム原子の濃度が低くなり、かつ銅原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
図８に、拡散層１１２Ｃの拡大説明図を示す。この拡散層１１２Ｃは、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、この拡散層１１２Ｃの厚さｔは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、図８に示すように、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、アルミニウム層１１２Ａ側から銅層１１２Ｂ側に向けて順に、θ相１１６、η２相１１７、ζ２相１１８とされている。
拡散層１１２Ｃと銅層１１２Ｂとの接合界面には、酸化物１１９が、接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物１１９は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。また、酸化物１１９は、拡散層１１２Ｃと銅層１１２Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、拡散層１１２Ｃと銅層１１２Ｂとが直接接触している領域も存在している。
さらに、本実施形態では、銅層１１２Ｂの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされ、アルミニウム層１１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされている。
また、第二実施形態においては、図６に示すように、パワーモジュール用基板１１０の金属層１３とヒートシンク３１とが、接合層１３３を介して接合されている。
接合層１３３は、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク３１とを接合するものである。本実施形態においては、無酸素銅の圧延板からなる銅板１４３が、アルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる金属層１３と、アルミニウム合金（Ａ６０６３）からなるヒートシンク３１との間に配置され、金属層１３と銅板１４３、及びヒートシンク３１と銅板１４３が固相拡散接合されることによって、金属層１３とヒートシンク３１とが接合層１３３を介して接合されている。この接合層１３３の金属層１３との接合界面、及びヒートシンク３１との接合界面には、相互拡散によるアルミニウムと銅の濃度勾配が形成されている。
次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール１０１、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０、パワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図９から図１１を用いて説明する。
まず、図１０に示すように、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２７を介してアルミニウム板１２２Ａ、２３を積層し、積層体Ｓ３とする。
次いで、積層体Ｓ３を加圧装置４０に設置し、９．８×１０４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下の範囲で加圧する。そして、加圧装置４０に積層体Ｓ３を設置した状態で、加熱炉内に配置し、真空雰囲気中で６４０〜６５０℃に加熱してろう付けを行うことによって、セラミックス基板１１とアルミニウム板１２２Ａ、２３を接合し、アルミニウム層１１２Ａ及び金属層１３を形成する（アルミニウム層及び金属層接合工程Ｓ２１）。
次に、アルミニウム層１１２Ａの一方側に銅板１２２Ｂを積層して、積層体Ｓ４とする。そして、積層体Ｓ４を加圧装置４０に設置し、９．８×１０４Ｐａ（１ｋｇｆ／ｃｍ２）以上３４３×１０４Ｐａ（３５ｋｇｆ／ｃｍ２）以下の範囲で加圧する。加圧装置４０に積層体Ｓ４を設置した状態で、加熱炉内に配置し、真空雰囲気において加熱温度を４００℃以上５４８℃未満、保持時間を５分以上２４０分以下として、固相拡散接合を行い、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂを接合して銅層１１２Ｂを形成する（銅層接合工程Ｓ２２）。本実施形態においては、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂの接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
なお、真空加熱の好ましい温度は、ＡｌとＣｕの共晶温度より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とされている。
こうして、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成されたパワーモジュール用基板１１０が得られる。
第二実施形態では、さらに、パワーモジュール用基板１１０を加圧したままの状態で、冷却をする（冷却工程Ｓ２３）。この冷却工程Ｓ２３は、第一実施形態の冷却工程Ｓ１３と同様にして行えば良い。
次に、図１１に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方側に銅板１４３を介在させてヒートシンク３１を積層し、積層体Ｓ５とする。そして、積層体Ｓ５を加圧装置４０に配置し、加圧しながら加熱炉内に配置し、固相拡散接合を行い、金属層１３とヒートシンク３１とを接合層１３３を介して接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ２４）。なお、このときの固相拡散接合の条件は、上述の銅層接合工程Ｓ２２における条件と同様である。また、真空加熱の好ましい温度は、Ａ６０６３とＣｕの共晶温度より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とされている。また、金属層１３と銅板１４３、ヒートシンク３１と銅板１４３の接合されるそれぞれの面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されている。
このようにして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０が得られる。
そして、回路層１１２の一方側（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を載置し、還元炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ２５）。
このようにして、第二実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール１０１が製出される。
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１１０の製造方法においては、セラミックス基板１１の一方の面に４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム層１１２Ａと無酸素銅からなる銅層１１２Ｂとを有する回路層１１２が形成され、セラミックス基板１１の他方の面に４Ｎアルミニウムからなる金属層１３が形成されている。すなわち、回路層１１２と金属層１３とが異種金属で構成されているのである。この場合、４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と、銅層１１２Ｂ及びアルミニウム層１１２Ａからなる回路層１１２に圧縮の残留応力の差が生じるため、接合時の冷却過程においてパワーモジュール用基板１１０に反りが生じることになる。
さらに、このパワーモジュール用基板１１０を第一実施形態と同様に、加圧した状態で常温以下の低温まで冷却し、常温まで戻すと上述の残留応力の差が低減し、パワーモジュール用基板１１０の反りを小さくすることができる。
本実施形態では、パワーモジュール用基板１１０をヒートシンク３１と接合する際に、固相拡散接合しているので、低い温度で接合できる。また、上述のようにパワーモジュール用基板１１０の反りを小さくできるため、接合層１３３を介してパワーモジュール用基板１１０とヒートシンク３１とを良好に固相拡散接合することができ、接合信頼性を向上させることが可能となる。
また、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０、及びパワーモジュール用基板１１０によれば、回路層１１２が銅層１１２Ｂを有し、銅層１１２Ｂの上に半導体素子３が搭載されるので、半導体素子３から発生する熱を回路層１１２の銅層１１２Ｂで面方向に拡げ、効率的にパワーモジュール用基板１０側へ放散することができる。
さらに、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に比較的変形抵抗の小さいアルミニウムで構成されたアルミニウム層１１２Ａ及び金属層１１３が形成されており、ヒートサイクルが負荷された場合に、セラミックス基板１１と回路層１１２及び金属層１３との熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力をアルミニウム層１１２Ａ及び金属層１３が吸収するので、ヒートサイクルに対する高い信頼性を得ることができる。
また、アルミニウム層１１２Ａの一方側には、比較的変形抵抗の大きい銅層１１２Ｂが形成されており、パワーサイクルが負荷された場合に、回路層１１２の変形を抑制することができるため熱抵抗の上昇を抑制でき、パワーサイクルに対する高い信頼性を得ることができる。
また、本実施形態では、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの間に、ＣｕとＡｌの拡散層からなる拡散層１１２Ｃが形成されているので、アルミニウム層１１２Ａ中のＡｌが銅層１１２Ｂ側へ、銅層１１２Ｂ中のＣｕがアルミニウム層１１２Ａ側へと十分に相互拡散し、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとが確実に固相拡散接合されており、接合強度を確保することができる。
また、銅層１１２Ｂと拡散層１１２Ｃとの接合界面に、酸化物１１９が接合界面に沿って層状に分散しているので、アルミニウム層１１２Ａに形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、銅層１１２Ｂと拡散層１１２Ｃとが確実に接合されている。
また、本実施形態では、拡散層１１２Ｃは、複数の金属間化合物が前記接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、銅層１１２Ｂ中のＣｕとアルミニウム層１１２Ａ中のＡｌとが相互拡散することにより、銅層１１２Ｂ側からアルミニウム層１１２Ａ側に向けてそれぞれの組成に適した金属間化合物が層状に形成されていることから、接合界面の特性を安定させることができる。
具体的には、拡散層１１２Ｃは、アルミニウム層１１２Ａ側から銅層１１２Ｂ側に向けて順に、θ相１１６、η２相１１７、ζ２相１１８の３種の金属間化合物が積層しているので、拡散層１１２Ｃ内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられることになる。
さらに、本実施形態においては、アルミニウム層１１２Ａの平均結晶粒径が５００μｍ以上とされ、銅層１１２Ｂの平均結晶粒径が５０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内とされており、アルミニウム層１１２Ａ及び銅層１１２Ｂの平均結晶粒径が比較的大きく設定されている。よって、アルミニウム層１１２Ａ及び銅層１１２Ｂに過剰な歪み等が蓄積されておらず、疲労特性が向上することになる。したがって、ヒートサイクル負荷において、パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク３１との間に生じる熱応力に対する接合信頼性が向上する。
さらに、本実施形態においては、拡散層１１２Ｃの平均厚みが１μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内とされているので、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行しており、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとを強固に接合できるとともに、アルミニウム層１１２Ａ及び銅層１１２Ｂに比べて脆い金属間化合物が必要以上に成長することが抑えられており、接合界面の特性が安定することになる。
ここで、銅板１２２Ｂの好ましい厚さは０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされている。
銅板１２２Ｂを０．１ｍｍ以上とすることで、半導体素子３からの熱を銅層１１２Ｂで拡げてより効率的に熱を伝達し、パワーサイクル負荷時の初期の熱抵抗を低減することができるので、パワーサイクルに対する信頼性をより高くすることが可能である。また、銅板１２２Ｂを６．０ｍｍ以下とすることで、回路層１１２の剛性を低減させ、ヒートサイクル負荷時においてセラミックス基板１１に割れが生じることを抑制できる。
上述のようなパワーモジュール用基板１１０、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０を用いたパワーモジュール１０１においては、半導体素子３から発生する熱を効率的に放散することができる。そして、半導体素子３の温度上昇を抑制して、所定の温度で半導体素子３を動作させることができ、動作の安定性を向上させることが可能となる。
また、固相拡散接合は、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、アルミニウム層１１２Ａ及び金属層１３を形成し、アルミニウム層１１２Ａの一方側に銅板１２２Ｂを配置した後に、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂに対して、１ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下の荷重が負荷された状態で、４００℃以上５４８℃未満で保持する構成とされている。このような構成にすることによって、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂが十分に密着した状態で、アルミニウム層１１２Ａ中に銅板１２２Ｂの銅原子を固相拡散させ、銅板１２２Ｂ中にアルミニウム層１１２Ａのアルミニウム原子を固相拡散させて固相拡散接合し、アルミニウム層１１２Ａの一方側に銅層１１２Ｂを確実に形成することができる。
さらに、このように固相拡散接合を行うことで、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの間に隙間が生じることを抑制してアルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとを接合することができるので、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの接合界面における熱伝導性及び導電性を良好にし、半導体素子３から生じる熱をセラミックス基板１１側に効率的に放散することが可能である。さらには、固相拡散接合されたアルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの界面には、拡散層１１２Ｃが形成されている。この拡散層１１２Ｃは、固相拡散によって形成されているので、接合強度が高い。そのため、ヒートサイクル及びパワーサイクルが負荷された際に、界面の剥離が生じ難く良好な接合状態を保つことができ、熱伝導性及び導電性を維持することが可能である。
また、第二実施形態においては、金属層１３と銅板１４３、ヒートシンク３１と銅板１４３がそれぞれ固相拡散接合され、接合層１３３を介して金属層１３とヒートシンク３１とが接合されているので、金属層１３とヒートシンク３１との間に隙間が生じることを抑制し、金属層１３とヒートシンク３１との間における熱伝導性を良好にすることができる。また、金属層１３とヒートシンク３１とは、接合層１３３によって強固に接合されており、ヒートサイクル及びパワーサイクルが負荷された際に、金属層１３と接合層１３３、ヒートシンク３１と接合層１３３との界面の剥離が生じ難く良好な接合状態を保つことができ、熱伝導性を維持することが可能である。
固相拡散接合する際にアルミニウム層１１２Ａ及び銅板１２２Ｂに対して負荷される荷重が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂとを十分に接合させることが困難となり、アルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとの間に隙間が生じる場合がある。また、３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超える場合には、負荷される荷重が高すぎるために、セラミックス基板１１に割れが発生することがある。このような理由により、固相拡散接合の際に負荷される荷重は、上記の範囲に設定されている。
固相拡散接合する際の温度が４００℃以上の場合には、アルミニウム原子と銅原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、５４８℃未満の場合には、アルミニウムと銅との間で液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。そのため、固相拡散接合の好ましい温度は、４００℃以上５４８℃未満の範囲に設定されている。
また、固相拡散接合時におけるより望ましい加熱温度は、ＡｌとＣｕの共晶温度より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とされている。このような温度範囲を選択したときには、液相が形成されずアルミニウムと銅の化合物が生成されないので、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できるため上記のように設定されている。
また、固相拡散接合する際に、接合される面に傷がある場合、固相拡散接合時に隙間が生じる場合があるが、アルミニウム層１１２Ａと銅板１２２Ｂ、金属層１３と銅板１４３、ヒートシンク３１と銅板１４３、の接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、固相拡散接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。
また、半導体素子３がはんだ層２を介して銅層１１２Ｂに接合される構成とされているので、アルミニウムのみで構成された回路層に接合される場合と比べて、はんだ付けを良好に行うことが可能である。
また、本実施形態においては、金属層１３とヒートシンク３１とが接合層１３３を介して固相拡散接合によって接合されており、金属層１３とヒートシンク３１との間に、アルミニウムや銅と比較して熱伝導性が劣るはんだやグリースを介在させていないので、金属層１３とヒートシンク３１との間の熱伝導性を向上させることができる。
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。
なお、第一実施形態においては、回路層が無酸素銅の圧延板で構成され、金属層が純度９９．９９％の４Ｎアルミニウムの圧延板で構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば回路層が銅又は銅合金で構成され、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されても良い。また、回路層が２Ｎアルミニウムで構成され、金属層が４Ｎアルミニウムで構成されても良い。さらに、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、金属層が銅又は銅合金で構成されていても良い。つまり、回路層と金属層が異種の金属で構成されていれば良い。
また、第一実施形態においては、セラミックス基板の一方の面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の活性ロウ材を介して無酸素銅で構成された銅板を接合し、回路層を形成する場合について説明したが、活性ロウ材としてＡｇ−Ｔｉ系のロウ材を用いても良い。また、セラミックス基板の一方の面に、無酸素銅で構成された銅板を直接接合法（ＤＢＣ法）により接合しても良い。
また、第一実施形態においては、回路層と金属層の厚みの比が０．１〜０．９の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、回路層と金属層の厚みが同一でも良いし、回路層の方が金属層より厚くても良い。
また、第一実施形態においては、パワーモジュール用基板とヒートシンクをはんだで接合する場合について説明したが、グリースを介してネジ留めによって接合する構成とされても良い。
また、アルミニウム層と銅層とが固相拡散接合によって接合されている場合について説明したが、固相拡散接合に限定されるものではなく、例えば図１２に示すように、ニッケル又はニッケル合金の板からなるニッケル層２１２Ｄを介して、アルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとが接合されていても良い。ニッケル層２１２Ｄを介するアルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとの接合方法としては、例えば熱間圧延法や表面活性化による接合方法を採用することができる。
この場合には、パワーモジュール用基板２１０とヒートシンク３１とを、ろう付け温度まで加熱してろう付けしても、ニッケル層２１２Ｄがバリア層として作用するのでアルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとの反応を防ぐことができる。
なお、ニッケル層２１２Ｄの厚みは、０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下とされていることが好ましい。ニッケル層２１２Ｄの厚みが０．０８ｍｍ未満の場合は、厚みが薄いためにバリア層として十分に作用できず、アルミニウム層２１２Ａと銅層２１２Ｂとが反応するおそれがある。また、ニッケル層２１２Ｄの厚みが０．２５ｍｍを超える場合、ニッケル層２１２Ｄは剛性が高いために、ニッケル層２１２Ｄの厚みによりろう付け時の荷重が不均一となりやすくなり、ろう付けの初期接合率が低下するおそれがある。このような理由により、ニッケル層２１２Ｄの厚みの好ましい範囲は上記のように設定されている。
また、第二実施形態においては、回路層１１２がアルミニウム層１１２Ａと銅層１１２Ｂとを有している場合について説明したが、図１３に示すように、金属層３１３がセラミックス基板１１（絶縁層）の他方の面に配設されたアルミニウム層３１３Ａと、このアルミニウム層３１３Ａのうちセラミックス基板１１が配設された面と反対側の面に積層された銅層３１３Ｂとを有する構成とされても良い。このアルミニウム層３１３Ａと銅層３１３Ｂとは、上述した方法と同様にして、固相拡散接合やニッケル層を介した接合によって接合できる。
この場合、金属層３１３が銅層３１３Ｂを有しており、この銅層３１３Ｂとヒートシンク３１とが接合されているので、セラミックス基板１１側からの熱をヒートシンク３１側へ伝達する際に、銅層３１３Ｂで面方向に拡げて効率的に放散することができる。
さらに、セラミックス基板１１の他方の面に、比較的変形抵抗の小さいアルミニウム層３１３Ａが形成されており、ヒートサイクルが負荷された場合に生じる熱応力をアルミニウム層３１３Ａが吸収するので、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、アルミニウム層３１３Ａには、比較的変形抵抗の大きい銅層３１３Ｂが形成されているので、パワーサイクルが負荷された場合に、金属層３１３の変形を抑制することができる。
また、上記の実施形態においては、セラミックス基板の他方の面に、４Ｎアルミニウムで構成された圧延板を、ろう付けに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、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ）を適用しても良い。
また、上記の実施形態においては、絶縁層としてＡｌＮからなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３等からなるセラミックス基板を用いても良いし、絶縁樹脂によって絶縁層を構成しても良い。
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。
本実施例では、回路層がアルミニウムで構成される場合と、銅で構成される場合と、銅とアルミニウムとの積層体で構成される場合の３種類のパワーモジュール用基板を製造した。まず、回路層が銅で構成される場合のパワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
（発明例１〜５、比較例１〜１０）
まず、ＡｌＮで構成された厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の一方の面に活性ロウ材であるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを塗布し、さらにセラミックス基板の一方の面側に、２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの無酸素銅の圧延板を積層した。そして、５３．９×１０４Ｐａ（５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧し、８５０℃で加熱後、常温まで冷却し、セラミックス基板の一方の面に無酸素銅で構成された回路層を接合した。次に、セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ−Ｓｉ箔を介して、２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの４Ｎアルミニウムの圧延板を積層した。そして、積層方向に５３．９×１０４Ｐａ（５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧し、６５０℃で加熱後、常温まで冷却し、セラミックス基板の他方の面に金属層を接合し、パワーモジュール用基板を作製した。次いで、このパワーモジュール用基板に対して、平面度を改善するために、以下のような工程を施した。
発明例１〜５については、回路層及び金属層を接合後に、５３．９×１０４Ｐａで加圧し、この加圧状態で−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻し、加圧を除去した。
比較例１〜５については、回路層及び金属層を接合後に、５３．９×１０４Ｐａで加圧し、常温で２０分間保持した後に、加圧を除去した。
比較例６〜１０については、回路層及び金属層を接合後に、加圧を除去した状態で、−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻し、加圧を除去した。
（発明例６〜１０、比較例１１〜２０）
２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの２Ｎアルミニウムの圧延板、及び２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの４Ｎアルミニウムの圧延板を、ＡｌＮで構成された厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌ−Ｓｉ箔を介在させて積層した。そして、積層方向に５３．９×１０４Ｐａ（５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧し、６５０℃で加熱後、常温まで冷却し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を接合し、パワーモジュール用基板を作製した。そして、このパワーモジュール用基板に対して、平面度を改善するために、以下のような工程を施した。
発明例６〜１０については、回路層及び金属層を接合後に、５３．９×１０４Ｐａで加圧し、この加圧状態で−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻し、加圧を除去した。
比較例１１〜１５については、回路層及び金属層を接合後に、５３．９×１０４Ｐａで加圧し、常温で２０分間保持した後に、加圧を除去した。
比較例１６〜２０については、回路層及び金属層を接合後に、加圧を除去した状態で、−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻し、加圧を除去した。
（発明例１１〜１５、比較例２１〜３０）
アルミニウム層となる２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムの圧延板及び金属層となる２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの４Ｎアルミニウムの圧延板を、ＡｌＮで構成された厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌ−Ｓｉ箔を介在させて積層した。そして、積層方向に５３．９×１０４Ｐａ（５．５ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧し、６５０℃で加熱後、常温まで冷却した。さらにアルミニウム層の上に２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの無酸素銅の圧延板を積層し、積層方向に１１．８×１０５Ｐａ（１２．０ｋｇｆ／ｃｍ２）で加圧し、５４０℃で加熱後、常温まで冷却しセラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層が接合された、パワーモジュール用基板を作製した。そして、このパワーモジュール用基板に対して、平面度を改善するために、以下のような工程を施した。
発明例１１〜１５については、回路層及び金属層を接合後に、５３．９×１０４Ｐａで加圧し、この加圧状態で−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻し、加圧を除去した。
比較例２１〜２５については、回路層及び金属層を接合後に、５３．９×１０４Ｐａで加圧し、常温で２０分間保持した後に、加圧を除去した。
比較例２６〜３０については、回路層及び金属層を接合後に、加圧を除去した状態で、−４０℃まで冷却し、−４０℃で２０分間保持した後に、常温まで戻し、加圧を除去した。
上述のようにして作製したパワーモジュール用基板について、セラミックス基板に回路層及び金属層を接合した後の平面度と、平面度の改善を行った後の平面度を評価した。
平面度は、パワーモジュール用基板を定盤上に載置し、レーザー変位計を用いて一方側（上方側）から測定した。なお、平面度が正の値の場合は回路層側が凸となる反りが発生し、平面度が負の値の場合は金属層側が凸となる反りが発生したことを示す。また、平面度変化率は、回路層と金属層を接合後の平面度をＸとし、平面度の改善を行った後の平面度をＹとした場合に、Ｚ＝（Ｘ−Ｙ）／Ｘ×１００（％）により算出される値である。
この評価結果を、表１、表２及び表３に示す。
Figure 0006127540
Figure 0006127540
Figure 0006127540
表１、表２及び表３に示すように、発明例１〜１５においては、パワーモジュール用基板を加圧した状態で常温よりも低い温度にまで冷却しているので、平面度が大幅に改善された。
一方、比較例１〜５、比較例１１〜１５及び比較例２１〜２５においては、パワーモジュール用基板を加圧しているのみなので、平面度の改善効果が小さかった。また、比較例６〜１０、比較例１６〜２０及び比較例２６〜３０においては、パワーモジュール用基板に加圧せずに冷却しているのみなので、本発明例と比較して平面度の改善効果が小さかった。
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２、１１２、２１２ 回路層
１１２Ａ、２１２Ａ、３１３Ａ アルミニウム層
１１２Ｂ、２１２Ｂ、３１３Ｂ 銅層
１３、３１３ 金属層

Claims (7)

  1. 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された回路層と、前記絶縁層の他方の面に配設された金属層と、を備えるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
    前記回路層と前記金属層とは、異種の金属で構成され、
    前記絶縁層の一方の面及び他方の面に、前記回路層及び前記金属層を接合した後に、積層方向に加圧した状態で常温よりも低い温度にまで冷却し、その後、常温に戻し、加圧を除去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。
  2. 積層方向に９．８×１０４Ｐａ以上３４３×１０４Ｐａ以下で加圧した状態で冷却す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. −７０℃以上−５℃以下の範囲内に冷却することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  4. 前記回路層は銅又は銅合金で構成され、前記金属層はアルミニウム又はアルミニウム合金で構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の製造方法。
  5. 前記回路層は２Ｎアルミニウムで構成され、前記金属層は４Ｎアルミニウムで構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の製造方法。
  6. 前記回路層は、前記絶縁層の一方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方側に積層された銅層と、を有する請求項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の製造方法。
  7. 前記金属層は、前記絶縁層の他方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に積層された銅層と、を有する請求項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の製造方法。
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