JP6327058B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板、接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

ヒートシンク付パワーモジュール用基板、接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、及び、セラミックス部材と、アルミニウム部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合されてなる接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付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。
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、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）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備え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。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌからなる回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、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、を備えた構造とされている。
そして、パワーモジュール用基板の他方の面側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用基板側に伝達された熱を、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層及び金属層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子やヒートシンクを直接接合することができない。
そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、回路層及び金属層の表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成した上で、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。
また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて、回路層と半導体素子、及び、金属層とヒートシンクとを接合する技術が提案されている。
しかしながら、特許文献２に記載されたように、回路層表面及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子及びヒートシンクを接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子及びヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層表面及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
また、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子及び金属層とヒートシンクを接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層表面及び金属層表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。
そこで、特許文献４には、回路層及び金属層を、アルミニウム層と銅層の積層構造としたパワーモジュールが提案されている。このパワーモジュールにおいては、アルミニウム層と銅層とがＴｉ層を介して接合された構造とされており、アルミニウム層とＴｉ層との間には、拡散層が形成されている。この拡散層は、アルミニウム層側から順に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層と、を有している。
特許第３１７１２３４号公報 特開２００４−１７２３７８号公報 特開２００８−２０８４４２号公報 特許第３０１２８３５号公報
ところで、特許文献４に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層及び金属層のうちアルミニウム層とＴｉ層との接合界面に、硬くて脆い金属間化合物層であるＡｌ−Ｔｉ層やＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層が形成されているので、ヒートサイクル等が負荷された際にクラックの起点となるといった問題があった。
さらには、アルミニウム層上にＴｉ箔を介してＣｕ板等を積層し、アルミニウム層とＴｉ箔との界面が溶融する温度にまで加熱する場合、接合界面に液相が生じてコブが生じたり、厚さが変動したりするため、接合信頼性が低下する問題があった。
ここで、特許文献２のＮｉめっきの代替として、特許文献４に記載されたように、Ａｌからなる回路層及び金属層の表面にＴｉ箔を介してＮｉ板を接合してＮｉ層を形成することも考えられる。さらには、特許文献３の酸化銀ペーストを用いる際に、Ａｌからなる回路層及び金属層の表面にＴｉ箔を介してＡｇ板を接合してＡｇ層を形成することも考えられる。
しかしながら、特許文献４に記載された方法で、Ｎｉ層やＡｇ層を形成すると、Ｃｕ層を形成した場合と同様に、アルミニウム層とＴｉ層との接合界面に、Ａｌ−Ｔｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ｎｉ層、Ａｌ−Ｔｉ−Ａｇ層等の硬くて脆い金属間化合物層が形成されたり、接合界面にコブが生じたりすること等によって、接合信頼性が低下するおそれがあった。
さらに、上述のパワーモジュールにおいては、ヒートサイクル等が負荷された際に、セラミックス基板と回路層及び金属層との熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがあった。また、熱応力によってセラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。
最近では、上述のパワーモジュールにおいては、厳しいヒートサイクル条件下で使用されることがあるため、従来にも増してセラミックス基板と回路層及び金属層との接合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、ヒートサイクルが負荷された際にアルミニウム部材と金属部材との接合部におけるクラックの発生を抑制できるとともに、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合界面に負荷される熱応力によって接合信頼性が低下することを抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板、接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付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。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、この金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層がアルミニウムからなるアルミニウム部材とされ、前記ヒートシンクが銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とされており、前記金属層は、前記セラミックス基板に接合された第１アルミニウム層と、前記第ヒートシンクに接合された第２アルミニウム層とを有し、前記第１アルミニウム層は、接合前の状態で純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成され、前記第２アルミニウム層は、接合前の状態でＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成されており、前記第２アルミニウム層と前記ヒートシンクとの接合部には、Ｔｉ層が形成されており、前記ヒートシンクと前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記第２アルミニウム層が、それぞれ固相拡散接合されていることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、金属層が第１アルミニウム層及び第２アルミニウム層を有するアルミニウム部材とされ、セラミックス基板と接合される第１アルミニウム層が、接合前の状態で純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成されており、第１アルミニウム層の変形抵抗が小さくされているので、ヒートサイクルが負荷された際に、第１アルミニウム層が変形することにより熱応力を吸収することができ、セラミックス基板と第１アルミニウム層との接合信頼性を向上させることができる。また、熱応力によってセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
また、ヒートシンクが前記金属部材とされており、前記第２アルミニウム層と前記ヒートシンクとの接合部に、Ｔｉ層が形成され、前記ヒートシンクと前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記第２アルミニウム層が、それぞれ固相拡散接合されているので、Ｔｉ層によって第２アルミニウム層のＡｌ原子と、ヒートシンクの金属（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ）原子が相互に拡散することを抑制でき、前記第２アルミニウム層と前記ヒートシンクとの接合部に液相が生じて、硬くて脆い金属間化合物層が厚く形成されることを抑制できる。さらに、第２アルミニウム層が、接合前の状態でＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成されているので、第２アルミニウム層に含有されたＳｉによってＴｉ層中のＴｉ原子が第２アルミニウム層側に必要以上に拡散することを抑制でき、ＡｌとＴｉとの金属間化合物が厚く形成されることを抑制できる。
本発明の接合体の製造方法は、セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合されたアルミニウム部材と、このアルミニウム部材に積層された銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、を備えた接合体の製造方法であって、前記アルミニウム部材は、前記セラミックス部材に接合された第１アルミニウム部材と、前記金属部材に接合された第２アルミニウム部材とを有し、前記セラミックス部材と純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム部材とを接合するセラミックス部材／第１アルミニウム部材接合工程と、前記第１アルミニウム部材とＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム部材とを接合する第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを接合する第２アルミニウム部材／金属部材接合工程と、を有し、前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程では、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記第２アルミニウム部材と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合することを特徴としている。
この構成の接合体の製造方法によれば、前述のように、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム部材と金属部材との接合信頼性に優れた接合体を製造することが可能となる。
ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記セラミックス部材／第１アルミニウム部材接合工程と、前記第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、セラミックス部材、第１アルミニウム部材、第２アルミニウム部材、金属部材を同時に接合することができ、製造工程を簡略化して低コストで接合体を製造することができる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層は、アルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、が積層された構造とされており、前記アルミニウム層は、前記セラミックス基板に接合された第１アルミニウム層と、前記金属部材層に接合された第２アルミニウム層とを有し、
前記セラミックス基板と前記第１アルミニウム層となる純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム板とを接合するセラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、前記第１アルミニウム板と前記第２アルミニウム層となるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム板とを接合する第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、前記第２アルミニウム板と前記金属部材層となる金属板とを接合する第２アルミニウム板／金属板接合工程と、を有し、第２アルミニウム板／金属板接合工程では、前記第２アルミニウム板と前記金属板との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム板と前記金属板とを積層し、積層した前記第２アルミニウム板と前記金属板とを加熱し、前記第２アルミニウム板と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属板とをそれぞれ固相拡散接合することを特徴としている。
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層は、アルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、が積層された構造とされており、前記アルミニウム層は、前記セラミックス基板に接合された第１アルミニウム層と、前記金属部材層に接合された第２アルミニウム層とを有し、前記セラミックス基板と前記第１アルミニウム層となる純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム板とを接合するセラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、前記第１アルミニウム板と前記第２アルミニウム層となるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム板とを接合する第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、前記第２アルミニウム板と前記金属部材層となる金属板とを接合する第２アルミニウム板／金属板接合工程と、を有し、第２アルミニウム板／金属板接合工程では、前記第２アルミニウム板と前記金属板との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム板と前記金属板とを積層し、積層した前記第２アルミニウム板と前記金属板とを加熱し、前記第２アルミニウム板と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属板とをそれぞれ固相拡散接合することを特徴としている。
これらの構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前述のように、セラミックス基板とアルミニウム層との接合信頼性に優れ、かつ、アルミニウム層と金属部材層との接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製造することが可能となる。
ここで、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法においては、前記セラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、前記第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、前記第２アルミニウム板／金属板接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、セラミックス基板、第１アルミニウム板、第２アルミニウム板、金属板を同時に接合することができ、製造工程を簡略化して低コストでパワーモジュール用基板を製造することができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、前述のヒートシンク付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純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム板とを接合するセラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、前記第１アルミニウム板とＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム板とを接合する第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、前記第２アルミニウム板と前記ヒートシンクとを接合する第２アルミニウム板／ヒートシンク接合工程と、を有し、前記第２アルミニウム板／ヒートシンク接合工程では、前記第２アルミニウム板と前記ヒートシンクとの間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム板と前記ヒートシンクとを積層し、積層した前記第２アルミニウム板と前記ヒートシンクとを加熱し、前記第２アルミニウム板と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記ヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合することを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、前述のように、セラミックス基板と金属層との接合信頼性に優れ、かつ、金属層とヒートシンクとの接合信頼性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能となる。
ここで、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、前記セラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、第２アルミニウム板／ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことが好ましい。
この場合、セラミックス基板、第１アルミニウム板、第２アルミニウム板、ヒートシンクを同時に接合することができ、製造工程を簡略化して低コストでヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
本発明によれば、ヒートサイクルが負荷された際にアルミニウム部材と金属部材との接合部におけるクラックの発生を抑制できるとともに、セラミックス部材とアルミニウム部材との接合界面に負荷される熱応力によって接合信頼性が低下することを抑制可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板、接合体の製造方法、パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付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。
本発明の第一の実施形態に係るパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 図１における回路層のアルミニウム層（第２アルミニウム層）とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。 図１における金属層のアルミニウム層（第２アルミニウム層）とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。 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を説明するフロー図である。 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の概略説明図である。 本発明の第二の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を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 図６の金属層（第２アルミニウム層）とＴｉ層との接合界面の拡大説明図である。 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を説明するフロー図である。 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。
（第一実施形態）
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、本発明の第一実施形態であるパワーモジュール用基板１０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、パワーモジュール用基板１０と、このパワーモジュール用基板１０の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の下側に第２はんだ層４２を介して接合されたヒートシンク４１と、を備えている。
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。パワーモジュール用基板１０と半導体素子３とを接合する第１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。
ヒートシンク４１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４１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４１とを接合する第２はんだ層４２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。
そして、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成す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２０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３０と、を備えている。
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）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２０は、図１に示すように、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２１と、このアルミニウム層２１の一方の面にＴｉ層２５を介して積層された銅層２２（金属部材層）と、を有している。
また、アルミニウム層２１は、セラミックス基板１１側に位置する第１アルミニウム層２１Ａとこの第１アルミニウム層２１Ａに積層された第２アルミニウム層２１Ｂとを備えている。
ここで、回路層２０におけるアルミニウム層２１の厚さ（第１アルミニウム層２１Ａと第２アルミニウム層２１Ｂとの合計厚さ）は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
また、回路層２０における銅層２２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
金属層３０は、図１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたアルミニウム層３１と、このアルミニウム層３１の他方の面にＴｉ層３５を介して積層された銅層３２（金属部材層）と、を有している。
また、アルミニウム層３１は、セラミックス基板１１側に位置する第１アルミニウム層３１Ａとこの第１アルミニウム層３１Ａに積層された第２アルミニウム層３１Ｂとを備えている。
ここで、金属層３０におけるアルミニウム層３１の厚さ（第１アルミニウム層３１Ａと第２アルミニウム層３１Ｂとの合計厚さ）は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．６ｍｍに設定されている。
また、金属層３０における銅層３２の厚さは、０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
アルミニウム層２１、３１は、図５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、第１アルミニウム板５１Ａ，６１Ａ（第１アルミニウム部材）と第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂ（第２アルミニウム部材）とが接合されることにより形成されている。
ここで、第１アルミニウム層２１Ａ，３１Ａとなる第１アルミニウム板５１Ａ，６１Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構成されている。
また、第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂとなる第２アルミニウム板５１Ｂ，６１Ｂは、Ｓｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成されており、本実施形態では、純度が９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）で構成されている。
銅層２２、３２は、アルミニウム層２１、３１の一方の面及び他方の面に、Ｔｉ層２５、３５を介して銅又は銅合金からなる銅板５２、６２（金属部材）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、銅層２２、３２を構成する銅板５２，６２は、無酸素銅の圧延板とされている。
Ｔｉ層２５、３５は、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂと銅板５２、６２とがチタン箔５５、６５を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。ここで、チタン箔５５、６５の純度は９９ｍａｓｓ％以上とされている。また、チタン箔５５、６５の厚さは３μｍ以上４０μｍ以下に設定されており、本実施形態では、１０μｍに設定されている。
そして、アルミニウム層２１，３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）とＴｉ層２５、３５との接合界面には、図２及び図３に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６が形成されている。
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６は、アルミニウム層２１，３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）のＡｌ原子と、Ｔｉ層２５，３５のＴｉ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。Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６の厚さは、０．５μｍ以上１０μｍ以下に設定されており、本実施形態においては３μｍとされている。
このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６は、図２及び図３に示すように、Ｔｉ層２５、３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６Ａと、アルミニウム層２１，３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂと、を備えている。すなわち、アルミニウム層２１、３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）と銅層２２、３２との接合部には、Ｔｉ層２５、３５と、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６Ａと、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂとが形成されているのである。
これら、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６Ａと第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂは、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ相からなり、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６ＢのＳｉ濃度が、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６ＡのＳｉ濃度よりも低くなっている。なお、本実施形態において、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６Ａ及び第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂに含まれるＳｉは、第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂに含有されるＳｉがＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６中に拡散し、濃化したものである。
第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ、３６ＡのＳｉ濃度は、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされており、本実施形態では２０ａｔ％とされている。第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６ＢのＳｉ濃度は、１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされており、本実施形態では３ａｔ％とされている。
次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法及びパワーモジュール１の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
（アルミニウム板及び銅板積層工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図５において上面）に、ろう材箔５６を介して、第１アルミニウム層２１Ａとなる第１アルミニウム板５１Ａを積層し、さらに、この第１アルミニウム板５１Ａに第２アルミニウム層２１Ｂとなる第２アルミニウム板５１Ｂを積層し、そして、この第２アルミニウム板５１Ｂに、チタン箔５５を介して銅層２２となる銅板５２を積層する。
また、セラミックス基板１１の他方の面（図５において下面）に、ろう材箔６６を介して、第１アルミニウム層３１Ａとなる第１アルミニウム板６１Ａを積層し、さらに、この第１アルミニウム板６１Ａに第２アルミニウム層３１Ｂとなる第２アルミニウム板６１Ｂを積層し、そして、この第２アルミニウム板６１Ｂに、チタン箔６５を介して銅層３２となる銅板６２を積層する。
（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）
次いで、積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱する。
これにより、第１アルミニウム板５１Ａとセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板６１Ａを接合する（セラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程）。
また、第１アルミニウム板５１Ａと第２アルミニウム板５１Ｂ及び第１アルミニウム板６１Ａと第２アルミニウム板６１Ｂを接合する（第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程）。
さらに、第２アルミニウム板５１Ｂと銅板５２及び第２アルミニウム板６１Ｂと銅板６２を接合する（第２アルミニウム板／金属板接合工程）。
ここで、第１アルミニウム板５１Ａとセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板６１Ａは、ろう材箔５６、６６によって接合される。
また、第１アルミニウム板５１Ａと第２アルミニウム板５１Ｂ及び第１アルミニウム板６１Ａと第２アルミニウム板６１Ｂは、アルミニウム同士の拡散（固相拡散接合）によって接合される。
そして、第２アルミニウム板５１Ｂと銅板５２及び第２アルミニウム板６１Ｂと銅板６２は、第２アルミニウム板５１Ｂとチタン箔５５及び第２アルミニウム板６１Ｂとチタン箔６５とが固相拡散接合されるとともに、チタン箔５５と銅板５２及びチタン箔６５と銅板６２とが固相拡散接合されることによって接合される。
なお、回路層及び金属層形成工程Ｓ０２における真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６４３℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。また、より好ましい加熱温度は、６３０℃以上６４３℃以下の範囲内とされている。本実施形態においては、積層方向に１２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を負荷し、加熱温度６４０℃、保持時間６０分の条件で実施した。
なお、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ、チタン箔５５、６５、及び銅板５２、６２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。
上記のようにして、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。
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層３０に、はんだ材を介してヒートシンク４１を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、回路層２０の一方の面（表面）に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
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に係るパワーモジュール用基板１０によれば、第１アルミニウム層２１Ａ，３１Ａが、接合前の状態で純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムからなる第１アルミニウム板５１Ａ、６１Ａをセラミックス基板１１に接合することで形成されているので、第１アルミニウム層２１Ａ，３１Ａの変形抵抗が小さくなり、ヒートサイクルが負荷された際に、第１アルミニウム層２１Ａ，３１Ａが変形することにより熱応力を吸収することができ、セラミックス基板１１と第１アルミニウム層２１Ａ，３１Ａとの接合信頼性を向上させることができる。また、熱応力によってセラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
また、第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂと銅層２２，３２との接合部に、Ｔｉ層２５，３５が形成されており、第２アルミニウム層２１Ｂ，３１ＢとＴｉ層２５，３５、Ｔｉ層２５，３５と銅層２２，３２が、それぞれ固相拡散接合されているので、Ｔｉ層２５，３５によって第２アルミニウム層２１Ｂ，３１ＢのＡｌ原子と、銅層２２、３２のＣｕ原子が相互に拡散することを抑制でき、第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂと銅層２２，３２との接合部に液相が生じて、硬くて脆い金属間化合物層が厚く形成されることを抑制できる。さらに、第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂが、接合前の状態でＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成されているので、第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂに含有されたＳｉによってＴｉ層２５，３５のＴｉ原子が第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ側に必要以上に拡散することを抑制でき、ＡｌとＴｉとの金属間化合物が厚く形成されることを抑制できる。
さらに、本実施形態では、回路層２０及び金属層３０において、アルミニウム層２１，３１（第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ）と銅層２２，３２との接合部には、Ｔｉ層２５、３５と、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６とが形成された構成とされており、硬いＡｌ−Ｔｉ−Ｃｕ層やＡｌ−Ｔｉ層が形成されていないので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層２０及び金属層３０にクラックが発生することを抑制することができる。
さらに、Ｔｉ層２５、３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ，３６ＡのＳｉ濃度が、アルミニウム層２１、３１（第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂ）側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６ＢのＳｉ濃度よりも高いので、Ｓｉ濃度が高い第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ，３６ＡによってＴｉ原子が第２アルミニウム層２１Ｂ、３１Ｂ側に拡散することが抑制され、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６の厚さを薄くすることができる。そして、このようにＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６の厚さを薄くすることで、ヒートサイクルが負荷された際にアルミニウム層２１、３１（第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂ）と銅層２２，３２との接合部に割れが発生することを抑制可能となる。
また、アルミニウム層２１、３１（第２アルミニウム層２１Ｂ，３１Ｂ）側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂに含まれるＳｉ濃度が１ａｔ％以上１０ａｔ％以下とされているので、Ａｌ原子がＴｉ層２５，３５側に過剰に拡散することが抑制され、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ｂ、３６Ｂの厚さを薄くすることができる。
さらには、Ｔｉ層２５、３５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ，３６Ａに含まれるＳｉ濃度が１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下とされているので、Ｔｉ原子がアルミニウム層２１、３１側に過剰に拡散することが抑制され、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６Ａ，３６Ａの厚さを薄くすることができる。
また、本実施形態では、第１アルミニウム板５１Ａとセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板６１Ａの接合（セラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程）と、第１アルミニウム板５１Ａと第２アルミニウム板５１Ｂ及び第１アルミニウム板６１Ａと第２アルミニウム板６１Ｂの接合（第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程）と、第２アルミニウム板５１Ｂと銅板５２及び第２アルミニウム板６１Ｂと銅板６２の接合（第２アルミニウム板／金属板接合工程）と、を同時に実施しているので、パワーモジュール用基板１０の製造コストを大幅に低減することが可能となる。
さらに、本実施形態では、回路層２０及び金属層３０の表面に、比較的変形抵抗の大きい銅層２２，３２が形成されているので、ヒートサイクルが負荷された際に回路層２０及び金属層３０の表面の変形が抑制され、半導体素子３と回路層２０を接合する第１はんだ層２及びヒートシンク４１と金属層３０を接合する第２はんだ層４２にクラック等が生じることを抑制でき、接合信頼性を向上できる。
また、熱伝導率の良好な銅層２２，３２が回路層２０及び金属層３０の表面に形成されているので、半導体素子３からの熱を面方向に拡げて効率的にヒートシンク４１側に伝達することができる。
また、本実施形態においては、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂとチタン箔５５、６５、及び銅板５２、６２とチタン箔５５、６５との固相拡散接合は、積層方向へ１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけられた状態で６００℃以上６４３℃以下に保持することで行われる構成とされているので、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂと銅板５２，６２の界面で液相を生成させることなく、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ及び銅板５２、６２中にＴｉ原子を固相拡散させ、チタン箔５５，６５中にＡｌ原子及びＣｕ原子を固相拡散させて、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ、チタン箔５５、６５、銅板５２、６２を確実に接合することができる。
ここで、固相拡散接合する際に積層方向にかかる圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合は、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ、チタン箔５５，６５、銅板５２，６２の接合界面に隙間が生じるおそれがある。また、上記圧力が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に割れが発生するおそれがある。このような理由により、固相拡散接合の際にかかる圧力は、上記の範囲に設定されている。
また、固相拡散接合する際の温度が６００℃以上の場合には、Ａｌ原子、Ｔｉ原子、及びＣｕ原子の拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、６４３℃以下の場合には、アルミニウムの溶融による液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚さ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範囲は、上記の範囲に設定されている。
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、本実施形態では、第２アルミニウム板５１Ｂ、６１Ｂ、銅板５２，６２、及びチタン箔５５，６５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。
（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、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用基板１３０を備えたパワーモジュール１０１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の一方の面（図６において上面）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。
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、このパワーモジュール用基板１１０の他方の面（図６において下面）側にＴｉ層１１５を介して積層されたヒートシンク１３１（金属部材）と、を備えている。
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と、このセラミックス基板１１の一方の面に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された金属層１１３と、を備えている。
回路層１１２は、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有するアルミニウム板１２２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、回路層１１２は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板を接合することで形成されている。なお、接合されるアルミニウム板１２２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
金属層１１３は、図６に示すように、セラミックス基板１１側に形成された第１アルミニウム層１１３Ａと、この第１アルミニウム層１１３Ａに積層された第２アルミニウム層１１３Ｂと、を備えている。
ここで、第１アルミニウム層１１３Ａは、図９に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる第１アルミニウム板１２３Ａが接合されることによって形成されている。
また、第２アルミニウム層１１３Ｂは、第１アルミニウム板１２３Ａの他方の面に、Ｓｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムからなる第２アルミニウム板１２３Ｂが接合されることによって形成されている。
なお、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂの合計厚さは、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
ヒートシンク１３１は、パワーモジュール用基板１１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク１３１は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では無酸素銅で構成されている。
そして、金属層１１３（アルミニウム部材）とヒートシンク１３１（金属部材）とが、Ｔｉ層１１５を介して接合されている。
Ｔｉ層１１５は、アルミニウムからなる金属層１１３（第２アルミニウム層１１３Ｂ）と、銅からなるヒートシンク１３１とがチタン箔１２５を介して積層され、固相拡散接合されることにより形成されるものである。
そして、金属層１１３（第２アルミニウム層１１３Ｂ）とＴｉ層１１５との接合界面には、図７に示すように、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６が形成されている。
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６は、第一の実施形態におけるＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６と同様の構成とされ、Ｔｉ層１１５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ａと、金属層１１３（第２アルミニウム層１１３Ｂ）側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１１６Ｂとを備えている。
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用基板１３０の製造方法について、図８、図９を参照して説明する。
（アルミニウム板及びヒートシンク積層工程Ｓ１０１）
まず、図９に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１２６を介して、回路層１１２となるアルミニウム板１２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面に、ろう材箔１２６を介して第１アルミニウム板１２３Ａを積層し、さらに、ろう材箔１２６を介して第２アルミニウム板１２３Ｂを積層する。
そして、第２アルミニウム板１２３Ｂの他方の面側に、チタン箔１２５を介してヒートシンク１３１を積層する。
（アルミニウム板及びヒートシンク接合工程Ｓ１０２）
次いで、アルミニウム板１２２、セラミックス基板１１、第１アルミニウム板１２３Ａ、第２アルミニウム板１２３Ｂ及びヒートシンク１３１の積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に配置し加熱する。
これにより、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板１２３Ａを接合する（セラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程）。
また、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂを接合する（第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程）。
さらに、第２アルミニウム板１２３Ｂとヒートシンク１３１を接合する（第２アルミニウム板／ヒートシンク接合工程）。
ここで、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１及びセラミックス基板１１と第１アルミニウム板１２３Ａは、ろう材箔１２６によって接合される。
ここで、ろう材箔１２６としてはＡｌ−Ｓｉ系の合金箔を用いることができる。この場合、Ｓｉの含有量は１．０ｍａｓｓ％〜１２ｍａｓｓ％、厚さは５μｍ〜３０μｍの箔材とするがよい。
また、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂは、ろう材箔１２６によって液相を生じさせ、互いに液相拡散させることにより接合される。
そして、第２アルミニウム板１２３Ｂとヒートシンク１３１は、第２アルミニウム板１２３Ｂとチタン箔１２５とが固相拡散接合されるとともに、チタン箔１２５とヒートシンク１３１とが固相拡散接合されることによって接合される。
（半導体素子接合工程Ｓ１０３）
次に、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０（回路層１１２）の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製造される。
以上のような構成とされた本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１３０によれば、金属層１１３を構成する第１アルミニウム層１１３Ａが、セラミックス基板１１の他方の面に純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムからなる第１アルミニウム板１２３Ａを接合することによって形成されているので、第１アルミニウム層１１３Ａの変形抵抗が小さくなり、ヒートサイクルが負荷された際に、第１アルミニウム層１１３Ａが変形することにより熱応力を吸収することができ、セラミックス基板１１と第１アルミニウム層１１３Ａとの接合信頼性を向上させることができる。また、熱応力によってセラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
また、第２アルミニウム層１１３Ｂとヒートシンク１３１との接合部に、Ｔｉ層１１５が形成され、ヒートシンク１３１とＴｉ層１１５及びＴｉ層１１５と第２アルミニウム層１１３Ｂが、それぞれ固相拡散接合されているので、Ｔｉ層１１５によって第２アルミニウム層１１３ＢのＡｌ原子と、ヒートシンク１３１のＣｕ原子が相互に拡散することを抑制でき、第２アルミニウム層１１３Ｂとヒートシンク１３１との接合部に液相が生じて、硬くて脆い金属間化合物層が厚く形成されることを抑制できる。
さらに、第２アルミニウム層１１３Ｂが、Ｓｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムからなる第２アルミニウム板１２３Ｂを接合することによって形成されているので、第２アルミニウム板１２３Ｂに含有されたＳｉによってＴｉ層１１５中のＴｉ原子が第２アルミニウム層１１３Ｂ側に必要以上に拡散することを抑制でき、ＡｌとＴｉとの金属間化合物が厚く形成されることを抑制できる。
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と第１アルミニウム板１２３Ａの接合（セラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程）と、第１アルミニウム板１２３Ａと第２アルミニウム板１２３Ｂの接合（第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程）と、第２アルミニウム板１２３Ｂとヒートシンク１３１の接合（第２アルミニウム板／ヒートシンク接合工程）と、を同時に実施しているので、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１３０の製造コストを大幅に低減することが可能となる。
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、上記実施の形態では、アルミニウム層と、金属部材層として銅からなる銅層とが接合される場合について説明したが、銅層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるニッケル層、もしくは銀又は銀合金からなる銀層が接合されても良い。
銅層に代えてニッケル層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、半導体素子やヒートシンクとの接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってニッケル層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、ニッケル層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。ニッケル層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子やヒートシンクとの接合信頼性の向上の効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはニッケル層が熱抵抗体となり効率的に熱を伝達できなくなるおそれがある。また、固相拡散接合によってニッケル層を形成する場合、固相拡散接合は、前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。
銅層に代えて銀層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて半導体素子やヒートシンクを接合する際に、酸化銀が還元された銀と銀層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。さらには、熱伝導率の良好な銀層が形成されるので、熱を面方向に拡げて効率的に伝達することができる。この場合、銀層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。銀層の厚さが１μｍ未満の場合には半導体素子やヒートシンクとの接合信頼性を向上の効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。また、固相拡散接合によって銀層を形成する場合、固相拡散接合は、前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。
さらに、上記実施の形態では、セラミックス基板１１の一方の面に、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔を介して、アルミニウム層となるアルミニウム板を積層し、さらにその上にチタン箔を介して銅層となる銅板を積層し、加圧加熱することで接合体を形成したが、チタン箔及び銅板の代わりにＴｉ／Ｃｕからなるクラッド材を用いることができる。また、アルミニウム板、チタン箔及び銅板の代わりに、Ａｌ−Ｓｉ／Ｔｉ／Ｃｕの３層からなるクラッド材を用いることもできる。
また、銅層に代えてニッケル層を形成する場合、Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材やＡｌ−Ｓｉ／Ｔｉ／Ｎｉからなるクラッド材を用いることができる。
さらに、銅層に代えて銀層を形成する場合、Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材やＡｌ−Ｓｉ／Ｔｉ／Ａｇからなるクラッド材を用いることができる。
また、第１アルミニウム層及び第２アルミニウム層を、固相拡散接合又は液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、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム板とＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム板とのクラッド材を用いてもよい。
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。
（本発明例１〜９、比較例１〜２）
表１記載のセラミックス基板の一方の面に、第１アルミニウム層となる第１アルミニウム板（厚さ０．５ｍｍ）を積層し、さらに第２アルミニウム層となる第２アルミニウム板（厚さ０．１ｍｍ）を積層し、さらにその上にチタン箔を介して表１記載の金属板（金属部材を積層した。また、セラミックス基板の他方の面には、金属層となる純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム板（厚さ０．６ｍｍ）を積層した。ここで、アルミニウム板とセラミックス基板との間には、Ａｌ−７ｍａｓｓ％Ｓｉのろう材箔（厚さ１５μｍ）を介して積層した。
次いで、表１に示す条件で加熱処理を行い、セラミックス基板の一方の面に第１アルミニウム層、第２アルミニウム層及び金属板からなる回路層を形成した。また、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成した。
回路層の一方の面にはんだ材を介して半導体素子を接合し、本発明例１〜９及び比較例１〜２のパワーモジュールを得た。
ここで、表１に示すように、本発明例１〜５及び比較例２では、第１アルミニウム板と第２アルミニウム板との間にＡｌ−５ｍａｓｓ％Ｓｉのろう材箔（厚さ１０μｍ）を介在させ、第１アルミニウム板と第２アルミニウム板とを液相拡散接合した。
また、本発明例６〜９及び比較例１では、第１アルミニウム板と第２アルミニウム板とを直接積層し、第１アルミニウム板と第２アルミニウム板とを固相拡散接合した。
このようにして製造されたパワーモジュールの回路層におけるアルミニウム層（第２アルミニウム層）と金属部材層との接合部を断面観察し、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層の有無を確認した。さらに、パワーモジュールに対して、ヒートサイクル試験を行い、試験前後の接合率を測定した。評価の具体的手順を以下に示す。
（断面観察）
回路層の断面をクロスセクションポリッシャ（日本電子株式会社製ＳＭ−０９０１０）を用いて、イオン加速電圧：５ｋＶ、加工時間：１４時間、遮蔽板からの突出量：１００μｍでイオンエッチングした後に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてアルミニウム層（アルミニウム部材）と金属部材層（金属部材）との接合部の観察を行った。また、ＥＰＭＡ分析装置を用いて、接合部の組成分析を行い、Ｔｉ層とアルミニウム層との間の接合界面に、Ａｌ３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されているかどうかを確認した。
（ヒートサイクル試験）
ヒートサイクル試験は、パワーモジュールに対して、−４０℃←→１２５℃のヒートサイクルを負荷することにより行う。本実施例では、このヒートサイクルを４０００回実施した。
（アルミニウム層と金属部材層との接合部の接合率評価）
ヒートサイクル試験前後のパワーモジュールに対して、アルミニウム層（第２アルミニウム層）と金属部材層との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価し、以下の式から算出した。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、すなわちアルミニウム層の面積とした。超音波探傷像において剥離は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（％）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
（第１アルミニウム層と第２アルミニウム層との接合部の接合率評価）
ヒートサイクル試験前後の本発明例１〜９、比較例１，２のパワーモジュールに対して、第１アルミニウム層と第２アルミニウム層との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価した。評価方法は、上述の第２アルミニウム層と金属部材層との接合部の接合率評価と同等とした。
（セラミックス基板とアルミニウム層との接合部の接合率評価）
ヒートサイクル試験前後のパワーモジュールに対して、セラミックス基板とアルミニウム層（第１アルミニウム層）との接合部の接合率について超音波探傷装置を用いて評価した。評価方法は、上述の第２アルミニウム層と金属部材層との接合部の接合率評価と同等とした。
以上の評価の結果を表２に示す。
Figure 0006327058
Figure 0006327058
４Ｎアルミニウムを用いた比較例１においては、第２アルミニウム層と金属部材層との接合界面にＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されておらず、ヒートサイクル試験後に、第２アルミニウム層と金属部材層との接合部における接合率が大幅に低下した。
一方、第２アルミニウム板としてＡｌ−５．０ｍａｓｓ％Ｓｉ合金板を用いた比較例２においては、ヒートサイクル試験後に、第２アルミニウム層と金属部材層との接合部における接合率が低下した。
これに対して、本発明例１〜９では、初期接合率は９８％以上と高く、ヒートサイクル試験後の接合率も高いままであり、接合信頼性の高いパワーモジュールであることが確認された。また、第１アルミニウム層と第２アルミニウム層との接合部の接合率も良好であった。
１０ パワーモジュール用基板（接合体）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
２０ 回路層
３０ 金属層
２１、３１ アルミニウム層（アルミニウム部材）
２１Ａ、３１Ａ 第１アルミニウム層（第１アルミニウム部材）
２１Ｂ、３１Ｂ 第２アルミニウム層（第２アルミニウム部材）
２２、３２ 銅層（金属部材）
２５、３５ Ｔｉ層
４５、５５ チタン箔（Ｔｉ材）
１３０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板（接合体）
１１３ 金属層（アルミニウム部材）
１１３Ａ 第１アルミニウム層（第１アルミニウム部材）
１１３Ｂ 第２アルミニウム層（第２アルミニウム部材）
１３１ ヒートシンク（金属部材）

Claims (8)

  1. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、この金属層に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記金属層がアルミニウムからなるアルミニウム部材とされ、前記ヒートシンクが銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とされており、
    前記金属層は、前記セラミックス基板に接合された第１アルミニウム層と、前記第ヒートシンクに接合された第２アルミニウム層とを有し、
    前記第１アルミニウム層は、接合前の状態で純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成され、前記第２アルミニウム層は、接合前の状態でＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成されており、
    前記第２アルミニウム層と前記ヒートシンクとの接合部には、Ｔｉ層が形成されており、前記ヒートシンクと前記Ｔｉ層、及び、前記Ｔｉ層と前記第２アルミニウム層が、それぞれ固相拡散接合されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  2. セラミックス部材と、このセラミックス部材に接合されたアルミニウム部材と、このアルミニウム部材に積層された銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材と、を備えた接合体の製造方法であって、
    前記アルミニウム部材は、前記セラミックス部材に接合された第１アルミニウム部材と、前記金属部材に接合された第２アルミニウム部材とを有し、
    前記セラミックス部材と純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム部材とを接合するセラミックス部材／第１アルミニウム部材接合工程と、前記第１アルミニウム部材とＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム部材とを接合する第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを接合する第２アルミニウム部材／金属部材接合工程と、を有し、
    前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程では、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを積層し、積層した前記第２アルミニウム部材と前記金属部材とを加熱し、前記第２アルミニウム部材と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属部材とをそれぞれ固相拡散接合することを特徴とする接合体の製造方法。
  3. 前記セラミックス部材／第１アルミニウム部材接合工程と、前記第１アルミニウム部材／第２アルミニウム部材接合工程と、前記第２アルミニウム部材／金属部材接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項２に記載の接合体の製造方法。
  4. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
    前記回路層は、アルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、が積層された構造とされており、前記アルミニウム層は、前記セラミックス基板に接合された第１アルミニウム層と、前記金属部材層に接合された第２アルミニウム層とを有し、
    前記セラミックス基板と前記第１アルミニウム層となる純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム板とを接合するセラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、前記第１アルミニウム板と前記第２アルミニウム層となるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム板とを接合する第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、前記第２アルミニウム板と前記金属部材層となる金属板とを接合する第２アルミニウム板／金属板接合工程と、を有し、
    第２アルミニウム板／金属板接合工程では、前記第２アルミニウム板と前記金属板との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム板と前記金属板とを積層し、積層した前記第２アルミニウム板と前記金属板とを加熱し、前記第２アルミニウム板と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属板とをそれぞれ固相拡散接合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。
  5. セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、前記セラミックス基板の他方の面に形成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
    前記金属層は、アルミニウム層と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材層と、が積層された構造とされており、前記アルミニウム層は、前記セラミックス基板に接合された第１アルミニウム層と、前記金属部材層に接合された第２アルミニウム層とを有し、
    前記セラミックス基板と前記第１アルミニウム層となる純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム板とを接合するセラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、前記第１アルミニウム板と前記第２アルミニウム層となるＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム板とを接合する第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、前記第２アルミニウム板と前記金属部材層となる金属板とを接合する第２アルミニウム板／金属板接合工程と、を有し、
    第２アルミニウム板／金属板接合工程では、前記第２アルミニウム板と前記金属板との間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム板と前記金属板とを積層し、積層した前記第２アルミニウム板と前記金属板とを加熱し、前記第２アルミニウム板と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記金属板とをそれぞれ固相拡散接合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。
  6. 前記セラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、前記第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、前記第２アルミニウム板／金属板接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  7. 請求項１に記載のヒートシンク付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純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウムで構成された第１アルミニウム板とを接合するセラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、前記第１アルミニウム板とＳｉ濃度が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウムで構成された第２アルミニウム板とを接合する第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、前記第２アルミニウム板と前記ヒートシンクとを接合する第２アルミニウム板／ヒートシンク接合工程と、を有し、
    前記第２アルミニウム板／ヒートシンク接合工程では、前記第２アルミニウム板と前記ヒートシンクとの間にＴｉ材を介在させ、前記第２アルミニウム板と前記ヒートシンクとを積層し、積層した前記第２アルミニウム板と前記ヒートシンクとを加熱し、前記第２アルミニウム板と前記Ｔｉ材、及び、前記Ｔｉ材と前記ヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  8. 前記セラミックス基板／第１アルミニウム板接合工程と、第１アルミニウム板／第２アルミニウム板接合工程と、第２アルミニウム板／ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項７に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
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