JP6645368B2 - 接合体、パワーモジュール用基板、接合体の製造方法、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、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又は銅合金からなる銅部材との接合体、及び、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層とチタン層と銅層とが積層されてなる回路層を備えたパワーモジュール用基板、上述の接合体の製造方法及び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）、Ａｌ_２Ｏ_３（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。

また、特許文献２には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合したパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板に、有機系耐熱性接着剤を用いてアルミニウム製のヒートシンクを接合することで、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が構成されている。

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アルミニウム又はアルミニウム合金で構成した場合には、表面にアルミニウム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といった問題があった。また、アルミニウムは銅に比べて電気伝導性及び熱伝導性に劣るため、導電性及び放熱性が不十分となるおそれがあった。
一方、特許文献２に記載されたパワーモジュールにおいては、回路層が比較的変形抵抗が大きな銅又は銅合金で構成されていることから、ヒートサイクル負荷時における熱応力を緩和することができず、セラミックス基板に割れが生じるおそれがあった。

そこで、特許文献３には、回路層を、アルミニウム層と銅層との積層構造としたパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板においては、アルミニウム層と銅層とがチタン層を介して接合された構造とされている。
この構成のパワーモジュール用基板の場合、銅層によって導電性及び放熱特性が確保されるとともに、セラミックス基板側に形成されたアルミニウム層によって熱応力を緩和させることが可能となる。

特許第３１７１２３４号公報 特開平０４−１６２７５６号公報 特許第５７２５０６０号公報

ところで、特許文献３に記載されたパワーモジュール用基板においては、チタン層となるチタン材と銅層となる銅板とを固相拡散接合している。ここで、チタン材の表面には強固な酸化被膜が生じていることから、チタン材と銅板とを確実に接合するためには、積層方向に高い荷重をかけて長時間保持する必要があり、接合に時間を要するといった問題があった。また、アルミニウム板とチタン材と銅板とを同時に接合する場合には、アルミニウム板の溶融を抑制するために、接合温度を高くすることができず、チタン材と銅板との接合性改善には限界があった。
接合界面に酸化被膜が残存している場合には、例えばＳｉＣ等の高温動作を必要とする素子を搭載して高温条件使用すると、チタンの酸化被膜を起点にしてチタン層と銅層の接合界面に存在する金属間化合物が脆性破壊するおそれがあった。

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、銅層とチタン層との接合性を改善し、高温条件で使用した場合であっても銅層とチタン層との接合界面における剥離等の発生を抑制することができる接合体、パワーモジュール用基板、この接合体の製造方法及び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、本発明の接合体は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又は銅合金からなる銅部材との接合体であって、前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合部においては、前記アルミニウム部材側から順に、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、チタン層と、Ｔｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、が形成されており、前記チタン層の厚さが３μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。

上述の構成の接合体によれば、チタン層と銅層との間に、Ｔｉを含む金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、が形成されており、チタン層と銅層との間に比較的硬いＴｉとＣｕの金属間化合物が形成されておらず、銅層とチタン層との接合界面における剥離の発生を抑制できる。また、上述のＴｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層及びＣｕ−Ｓｎ層は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いて液相接合することによって形成されるものであり、チタン層においては酸化被膜が十分に除去されており、チタン層と銅層との接合性を改善することができる。

また、アルミニウム層とチタン層との間にＡｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されているので、アルミニウム層とチタン層とが十分に接合されている。また、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶されているので、比較的脆いＡｌ_３Ｔｉが必要以上に厚く形成されていない。
さらに、チタン層の厚さが３μｍ以上とされているので、このチタン層が応力緩和層として作用し、銅層とチタン層との接合界面における剥離の発生を抑制することができる。また、チタン層の厚さが１５μｍ以下とされているので、接合体において積層方向の熱抵抗を低く抑制することができる。

本発明のパワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、前記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であって、前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方の面に形成された銅又は銅合金からなる銅層と、を有し前記アルミニウム層と前記銅層との接合部においては、前記アルミニウム層側から順に、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、チタン層と、Ｔｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、が形成されており、前記チタン層の厚さが３μｍ以上１５μｍ以下の範囲内と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よれば、チタン層と銅層との間に比較的硬いＴｉとＣｕの金属間化合物が形成されておらず、銅層とチタン層との接合界面における剥離の発生を抑制できる。また、チタン層と銅層との間にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いて液相接合した際に形成されるＴｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層とＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層とが存在しているので、チタン層の表面の酸化被膜が十分に除去されており、銅層とチタン層とを良好に接合することができる。
さらに、アルミニウム層とチタン層との間にＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層が形成されているので、アルミニウム層とチタン層とが十分に接合されている。
また、チタン層の厚さが３μｍ以上とされているので、このチタン層が応力緩和層として作用し、銅層とチタン層との接合界面における剥離の発生を抑制することができる。一方、チタン層の厚さが１５μｍ以下とされているので、回路層において積層方向の熱抵抗を低く抑制することができ、放熱特性を向上させることができる。

以上のように、本発明のパワーモジュール用基板によれば、ヒートサイクルを負荷した場合であっても、アルミニウム層と銅層とが積層されてなる回路層における剥離の発生を抑制することができる。
さらに、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム層と銅層とが積層されてなる回路層が形成されているので、銅層によって導電性及び放熱特性を向上させることができ、アルミニウム層によってヒートサイクル時の熱応力を緩和してセラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。

本発明の接合体の製造方法は、上述の接合体の製造方法であって、チタン層となるチタン材とアルミニウム部材とを接合してＡｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を形成するチタン／アルミニウム接合工程と、前記チタン材と銅部材とをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いて液相接合し、Ｔｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層とを形成するチタン／銅接合工程と、を備えており、接合前の前記チタン材の厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされてい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、前記チタン材と銅部材とをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いて液相接合し、Ｔｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層とを形成するチタン／銅接合工程を備えているので、チタン材の表面に形成された酸化被膜を除去することができ、チタン材と銅部材を良好に接合することができる。
また、チタン層となるチタン材とアルミニウム部材とを接合してＡｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を形成するチタン／アルミニウム接合工程を備えているので、アルミニウム部材とチタン材とを良好に接合することができる。
さらに、接合前の前記チタン材の厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされているので、接合後のチタン層の厚さを３μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることができる。
以上のように、チタン材を介してアルミニウム部材と銅部材とを良好に接合することができる。

ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記チタン／アルミニウム接合工程と、前記チタン／銅接合工程と、を同時に実施する構成としてもよい。
この構成の接合体の製造方法によれば、前記チタン／アルミニウム接合工程と、前記チタン／銅接合工程と、を同時に実施することにより、接合体を効率良く製造することができる。また、前記チタン／銅接合工程においては、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いて液相接合しているので、前記チタン／アルミニウム接合工程を同時に実施するために低温条件としても、チタン材と銅部材とを良好に接合することができる。

また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、上述の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アルミニウム層となるアルミニウム板とを接合するセラミックス／アルミニウム接合工程と、チタン層となるチタン材と前記アルミニウム板とを接合してＡｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を形成するチタン／アルミニウム接合工程と、前記チタン材と前記銅層となる銅板とをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いて液相接合し、Ｔｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層とを形成するチタン／銅接合工程と、を備えており、接合前の前記チタン材の厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内と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の製造方法によれば、セラミックス／アルミニウム接合工程と、チタン／アルミニウム接合工程と、チタン／銅接合工程とを備えているので、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層と銅層とが積層されてなる回路層を備えたパワーモジュール用基板を製造することができる。
さらに、接合前の前記チタン材の厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされているので、接合後のチタン層の厚さを３μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることができる。

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／アルミニウム接合工程と、前記チタン／アルミニウム接合工程と、を同時に実施し、その後、前記チタン／銅接合工程を実施する構成としてもよい。
この場合、前記セラミックス／アルミニウム接合工程と、前記チタン／アルミニウム接合工程と、を同時に実施しているので、上述のパワーモジュール用基板を効率良く製造することができる。また、前記チタン／銅接合工程を別途独立して実施しているので、接合条件を比較的自由に設定することができる。

さらに、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／アルミニウム接合工程と、前記チタン／アルミニウム接合工程と、前記チタン／銅接合工程と、を同時に実施する構成としてもよい。
この場合、前記セラミックス／アルミニウム接合工程と、前記チタン／アルミニウム接合工程と、前記チタン／銅接合工程と、を同時に実施しているので、上述のパワーモジュール用基板をさらに効率良く製造することができる。

本発明によれば、銅層とチタン層との接合性を改善し、高温条件で使用した場合であっても銅層とチタン層との接合界面における剥離等の発生を抑制することができる接合体、パワーモジュール用基板、この接合体の製造方法及び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。 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におけるアルミニウム層と銅層との接合界面の拡大説明図である。 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の製造方法を説明するフロー図である。 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。 本発明の第二の実施形態に係るパワーモジュール用基板におけるアルミニウム層と銅層との接合界面の拡大写真である。 本発明の第二の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。 本発明の第二の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。 本発明の第三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。 本発明の第三の実施形態に係るパワーモジュール用基板におけるアルミニウム層と銅層との接合界面の拡大写真である。 本発明の第三の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。 本発明の第三の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。

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。

（第一の実施形態）
図１に、本発明の第一の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、図１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（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）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、強度に優れたＳｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）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、０．３２ｍｍ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の一方の面にチタン層２５を介して積層された銅層２２と、を有している。
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０．４ｍｍ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、１．０ｍｍ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の他方の面にチタン層３５を介して積層された銅層３２と、を有している。
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０．４ｍｍ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、１．０ｍｍに設定されている。

ここで、アルミニウム層２１、３１は、図４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、アルミニウム板５１、６１が接合されることにより形成されている。
アルミニウム層２１，３１となるアルミニウム板５１、６１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。すなわち、Ｓｉの含有量が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。

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、チタン層２５、３５を介して銅又は銅合金からなる銅板５２、６２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。

そして、アルミニウム層２１、３１とチタン層２５、３５との接合界面には、図２に示すように、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６が形成されている。
このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６は、アルミニウム層２１、３１のＡｌ原子と、チタン層２５、３５のＴｉ原子とが相互拡散することによって形成されたＡｌ_３Ｔｉに、アルミニウム層２１、３１のＳｉが固溶することにより形成されたものである。
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に示すように、チタン層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と銅層２２、３２との接合部には、チタン層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、上述のようにＡｌ_３Ｔｉ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、後述するようにアルミニウム層２１、３１に拡散された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。

また、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との接合界面には、図２に示すように、チタン層２５、３５側にＴｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層２７、３７が形成されている。また、Ｔｉ含有層２７、３７と銅層２２，３２との間にはＣｕ−Ｓｎ層２８、３８が形成されている。なお、このＣｕ−Ｓｎ層の内部には、Ｃｕ_３Ｐ相が存在することもある。
ここで、本実施形態においては、図４に示すように、チタン層２５、３５（チタン材５５、６５）と銅層２２、３２（銅板５２、６２）との接合にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材からなる第２ろう材５７、６７を用いているので、Ｔｉ含有層２７、３７は、Ｐ−Ｎｉ−Ｔｉ相、Ｐ−Ｔｉ相、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相のいずれか１種以上を有する。

次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。

（積層工程Ｓ０１）
まず、図３及び図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側（図４において上側）に、第１ろう材５６を介してアルミニウム板５１とチタン材５５を積層する。さらに、チタン材５５の一方の面側に、第２ろう材５７を介して銅板５２を積層する。
また、セラミックス基板１１の他方の面側（図４において下側）に、第１ろう材６６を介してアルミニウム板６１とチタン材６５を積層する。さらに、チタン材６５の他方の面側に、第２ろう材６７を介して銅板６２を積層する。
そして、チタン材５５，６５は、その厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。ここで、チタン材５５，６５の純度は９９．４ｍａｓｓ％以上とされており、本実施形態では純度９９．８ｍａｓｓ％以上のチタン材を用いている。

第１ろう材５６、６６は、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされており、本実施形態においては、Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。なお、第１ろう材５６、６６の厚さは、５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。
第２ろう材５７、６７は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材とされている。Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材として、具体的には、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｆｅ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｃｒ系ろう材などが挙げられ、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材の箔材を用いている。なお、第２ろう材５７、６７の厚さは、５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされている。

（接合工程Ｓ０２）
次に、上述のように積層した銅板５２、第２ろう材５７、チタン材５５、アルミニウム板５１、第１ろう材５６、セラミックス基板１１、第１ろう材６６、アルミニウム板６１、チタン材６５、第２ろう材６７、銅板６２を、積層方向に荷重３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．２９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下）で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、真空加熱炉内の圧力は１０^-６Ｐａ以上１０^-３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下、より好ましくは６２０℃以上６４３℃以下、保持時間は１５分以上１２０分以下、より好ましくは３０分以上９０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
これにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板５１，６１を接合する（セラミックス／アルミニウム接合工程Ｓ２１）。また、アルミニウム板５１，６１とチタン材５５，６５とを接合する（チタン／アルミニウム接合工程Ｓ２２）。さらに、チタン材５５，６５と銅板５２，６２を接合する（チタン／銅接合工程Ｓ２３）。

ここで、アルミニウム板５１，６１とチタン材５５，６５とは、固相拡散接合により接合される。このとき、アルミニウム板５１，６１のＡｌとチタン材５５，６５のＴｉとが相互に拡散することでＡｌ_３Ｔｉが形成される。そして、このＡｌ_３Ｔｉにアルミニウム板５１，６１中のＳｉが固溶することにより、上述のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６が形成される。

チタン材５５，６５と銅板５２、６２とは、第２ろう材５７、６７によって液相接合される。このとき、生じた液相によりチタン材５５、６５の表面に形成された酸化被膜が除去される。また、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との間に、Ｔｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層２７、３７と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層２８、３８とが形成される。

以上のような工程によって、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。
また、上述のパワーモジュール用基板１０の金属層３０の銅層３２とヒートシンク４１とをはんだ材を用いて接合するとともに、回路層２０の銅層２２と半導体素子３とをはんだ材を用いて接合する。これにより、図１に示すパワーモジュール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、チタン層２５、３５と銅層２２，３２との間に、Ｔｉを含む金属間化合物からなるＴｉ含有層２７、３７と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層２８、３８と、が形成されており、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との間に比較的硬いＴｉとＣｕの金属間化合物が形成されておらず、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との接合界面における剥離の発生を抑制できる。

また、チタン材５５、６５と銅板５２、６２とが、第２ろう材（Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材）５７、６７を用いて液相接合されているので、チタン材５５、６５の表面に形成された酸化被膜を十分に除去することができ、チタン層２５、３５と銅層２２、３２との接合性を改善することができる。

さらに、アルミニウム層２１、３１とチタン層２５、３５との間にＡｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２６、３６が形成されているので、アルミニウム層２１、３１とチタン層２５、３５とを十分に接合することができる。また、アルミニウム板５１，６１のＡｌとチタン材５５，６５のＴｉとが相互に拡散することで形成されるＡｌ_３Ｔｉにアルミニウム板５１、６１中のＳｉが固溶しているので、比較的脆いＡｌ_３Ｔｉが必要以上に成長することを抑制することができる。

また、チタン層２５，３５の厚さが３μｍ以上とされているので、チタン層２５，３５が応力緩和層として作用し、チタン層２５，３５と銅層２２，３２の接合界面における剥離の発生を抑制することができる。
一方、チタン層２５，３５の厚さが１５μｍ以下とされているので、積層方向の熱抵抗を低く抑制することができる。

さらに、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０によれば、過酷なヒートサイクルを負荷した場合であっても、アルミニウム層２１，３１と銅層２２、３２とが積層されてなる回路層２０及び金属層３０における剥離の発生を抑制することができる。
また、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層２１と銅層２２とが積層されてなる回路層２０が形成されているので、銅層２２によって導電性及び放熱特性を向上させることができ、アルミニウム層２１によってヒートサイクル時の熱応力を緩和してセラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、セラミックス／アルミニウム接合工程Ｓ２１と、チタン／アルミニウム接合工程Ｓ２２と、チタン／銅接合工程Ｓ２３と、を備えているので、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０を製造することができる。
さらに、接合前のチタン材５５、６５の厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされているので、接合後のチタン層２５、３５の厚さを５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることができる。
また、本実施形態では、セラミックス／アルミニウム接合工程Ｓ２１と、チタン／アルミニウム接合工程Ｓ２２と、チタン／銅接合工程Ｓ２３と、を同時に実施する接合工程Ｓ０２を備えているので、上述のパワーモジュール用基板１０を効率良く製造することができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。なお、第一の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５に、本発明の第二の実施形態に係るパワーモジュール用基板１１０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、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の一方の面（図５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、パワーモジュール用基板１１０の下側に接合されたヒートシンク１４１と、を備えている。

ヒートシンク１４１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１４１は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３合金で構成されている。パワーモジュール用基板１１０とヒートシンク１４１は、ろう付けによって接合されている。

パワーモジュール用基板１１０は、図５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１２０と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された金属層１３０と、を備えている。

回路層１２０は、図５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１２１と、このアルミニウム層１２１の一方の面にチタン層１２５を介して積層された銅層１２２と、を有している。
ここで、回路層１２０におけるアルミニウム層１２１の厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ ｍｍ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１２０における銅層１２２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。

ここで、アルミニウム層１２１は、図８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム板１５１が接合されることにより形成されている。
ここで、アルミニウム層１２１となるアルミニウム板１５１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。なお、Ｓｉの含有量は０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされている。

銅層１２２は、図８に示すように、アルミニウム層１２１の一方の面に、チタン層１２５を介して銅又は銅合金からなる銅板１５２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１２２を構成する銅板１５２は、無酸素銅の圧延板とされている。

そして、アルミニウム層１２１とチタン層１２５との接合界面には、図６に示すように、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１２６が形成されている。このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１２６は、アルミニウム層１２１のＡｌ原子と、チタン層１２５のＴｉ原子とが相互拡散することによってＡｌ_３Ｔｉが形成されるとともに、アルミニウム板１５１のＳｉが、このＡｌ_３Ｔｉに固溶することで形成されている。
なお、図６には開示されていないが、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１２６は、チタン層１２５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、アルミニウム層１２１側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えており、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度が、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも低くなっている。

また、チタン層１２５と銅層１２２との接合界面には、図６に示すように、チタン層１２５側にＴｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層１２７が形成されている。また、Ｔｉ含有層１２７と銅層１２２との間にはＣｕ−Ｓｎ層１２８が形成されている。なお、このＣｕ−Ｓｎ層１２８の内部には、Ｃｕ_３Ｐ相１２９が存在している。
ここで、本実施形態においては、図８に示すように、チタン層１２５と銅層１２２（銅板１５２）との接合にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材からなる第２ろう材１５７を用いているので、Ｔｉ含有層１２７は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相１２７ａとＰ−Ｎｉ−Ｔｉ相１２７ｂを有している。なお、Ｔｉ含有層１２７には、Ｐ−Ｔｉ相が含まれる場合もある。

金属層１３０は、図８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウム板１６１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、金属層１３０を構成するアルミニウム板１６１は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。なお、接合されるアルミニウム板１６１の厚さは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。

次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図７及び図８を参照して説明する。

（積層工程Ｓ１０１）
まず、図８に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側（図８において上側）に、第１ろう材１５６を介してアルミニウム板１５１を積層し、さらにチタン材１５５を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側（図８において下側）に第１ろう材１６６を介してアルミニウム板１６１を積層する。
ここで、本実施形態では、第１ろう材箔１５６，１６６は、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされており、本実施形態においては、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。なお、第１ろう材１５６、１６６の厚さは、５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。
また、チタン材１５５は、その厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。ここで、チタン材１５５の純度は９９．４ｍａｓｓ％以上とされており、本実施形態では純度９９．８ｍａｓｓ％以上のチタン材を用いている。

（接合工程Ｓ１０２）
次いで、上述のように積層したチタン材１５５、アルミニウム板１５１、第１ろう材１５６、セラミックス基板１１、第１ろう材１６６、アルミニウム板１６１を、積層方向に荷重３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．２９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下）で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、真空加熱炉内の圧力は１０^-６Ｐａ以上１０^-３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下、より好ましくは６２０℃以上６４３℃以下、保持時間は１５分以上１２０分以下、より好ましくは３０分以上９０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
これにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板１５１，１６１を接合する（セラミックス／アルミニウム接合工程Ｓ１２１）。また、アルミニウム板１５１とチタン材１５５とを接合する（チタン／アルミニウム接合工程Ｓ１２２）。

ここで、アルミニウム板１５１とチタン材１５５とは、固相拡散接合によって接合される。このとき、アルミニウム板１５１のＡｌとチタン材１５５のＴｉとが相互に拡散することでＡｌ_３Ｔｉが形成される。そして、このＡｌ_３Ｔｉにアルミニウム板１５１中のＳｉが固溶することにより、上述のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層１２６が形成される。

（銅板積層工程Ｓ１０３）
次に、チタン層１２５の一方の面側（図８において上側）に、第２ろう材１５７を介して銅板１５２を積層する。
第２ろう材１５７は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材とされている。Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材として、具体的には、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｆｅ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｃｒ系ろう材などが挙げられ、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材の箔材を用いている。なお、第２ろう材１５７の厚さは、５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされている。

（チタン／銅接合工程Ｓ１０４）
次に、銅板１５２及び第２ろう材１５７の積層方向に荷重３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．２９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下）で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、真空加熱炉内の圧力は１０^-６Ｐａ以上１０^-３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下、より好ましくは６２０℃以上６４３℃以下、保持時間は１５分以上１２０分以下、より好ましくは３０分以上９０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
これにより、チタン層１２５と銅板１５２が接合され、銅層１２２が形成される。

ここで、チタン層１２５と銅板１５２とは、第２ろう材１５７によって液相接合される。このとき、生じた液相によりチタン層１２５の表面に形成された酸化被膜が除去される。また、チタン層１２５と銅層１２２との間に、Ｔｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層１２７と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層１２８とが形成される。

以上のような工程によって、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
また、上述のパワーモジュール用基板１１０の金属層１３０とヒートシンク１４１とをろう材を用いて接合するとともに、回路層１２０の銅層１２２と半導体素子３とをはんだ材を用いて接合する。これにより、図５に示すパワーモジュール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パワーモジュール用基板１１０によれば、第一の実施形態と同様に、過酷なヒートサイクルを負荷した場合であっても、アルミニウム層１２１と銅層１２２とが積層されてなる回路層１２０における剥離の発生を抑制することができる。
また、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層１２１と銅層１２２とが積層されてなる回路層１２０が形成されているので、銅層１２２によって導電性及び放熱特性を向上させることができ、アルミニウム層１２１によってヒートサイクル時の熱応力を緩和してセラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。

また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、セラミックス／アルミニウム接合工程Ｓ１２１と、チタン／アルミニウム接合工程Ｓ１２２とを同時に実施する接合工程Ｓ１０２を備えているので、上述のパワーモジュール用基板１１０を効率良く製造することができる。
さらに、チタン／銅接合工程Ｓ１０４を上述の接合工程Ｓ１０２と独立して実施しているので、接合条件を比較的自由に設定することができる。

（第三の実施形態）
次に、本発明の第三の実施形態について説明する。なお、第一の実施形態及び第二の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９に、本発明の第三の実施形態に係るパワーモジュール用基板２１０を備えたパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール２０１は、パワーモジュール用基板２１０と、このパワーモジュール用基板２１０の一方の面（図９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、パワーモジュール用基板２１０の下側に接合されたヒートシンク２４１と、を備えている。

ヒートシンク２４１は、パワーモジュール用基板２１０側の熱を放散するためのものである。ヒートシンク２４１は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３合金で構成されている。本実施形態では、パワーモジュール用基板２１０とヒートシンク２４１は、固相拡散接合によって接合されている。

パワーモジュール用基板２１０は、図９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２２０と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された金属層２３０と、を備えている。

回路層２２０は、図９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２２１と、このアルミニウム層２２１の一方の面にチタン層２２５を介して積層された銅層２２２と、を有している。
ここで、回路層２２０におけるアルミニウム層２２１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０．５ｍｍに設定されている。
また、回路層２２０における銅層２２２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、０．８ｍｍに設定されている。

金属層２３０は、図９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２３１と、このアルミニウム層２３１の他方の面にチタン層２３５を介して積層された銅層２３２と、を有している。
ここで、金属層２３０におけるアルミニウム層２３１の厚さは、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０．５ｍｍに設定されている。
また、金属層２３０における銅層２３２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、１.２ｍｍに設定されている。

ここで、アルミニウム層２２１、２３１は、図１２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、アルミニウム板２５１、２６１が接合されることにより形成されている。
アルミニウム層２２１，２３１となるアルミニウム板２５１、２６１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。

銅層２２２、２３２は、アルミニウム層２２１、２３１の一方の面及び他方の面に、チタン層２２５、２３５を介して銅又は銅合金からなる銅板２５２、２６２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２２２、２３２を構成する銅板２５２、２６２は、無酸素銅の圧延板とされている。

そして、アルミニウム層２２１、２３１とチタン層２２５、２３５との接合界面には、図１０に示すように、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２２６、２３６が形成されている。
このＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２２６、２３６は、アルミニウム層２２１、２３１のＡｌ原子と、チタン層２２５、２３５のＴｉ原子とが相互拡散することによって形成されたＡｌ_３Ｔｉに、アルミニウム層２２１、２３１のＳｉが固溶することにより形成されたものである。
なお、図１０には開示されていないが、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２２６は、チタン層２２５側に形成された第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、アルミニウム層２２１側に形成された第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、を備えており、第２Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度が、第１Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層のＳｉ濃度よりも低くなっている。

また、チタン層２２５、２３５と銅層２２２、２３２との接合界面には、図１０に示すように、チタン層２２５、２３５側にＴｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層２２７、２３７が形成されている。また、Ｔｉ含有層２２７、２３７と銅層２２２，２３２との間にはＣｕ−Ｓｎ層２２８、２３８が形成されている。なお、このＣｕ−Ｓｎ層２２８、２３８の内部には、Ｃｕ_３Ｐ相２２９，２３９が存在している。
ここで、本実施形態においては、図１２に示すように、チタン層２２５、２３５と銅層２２２（銅板２５２、２６２）との接合にＣｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材からなる第２ろう材２５７、２６７を用いているので、Ｔｉ含有層２２７、２３７は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｔｉ相２２７ａ、２３７ａとＰ−Ｎｉ−Ｔｉ相２２７ｂ、２３７ｂを有している。

次に、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０の製造方法について、図１１及び図１２を参照して説明する。

（積層工程Ｓ２０１）
まず、図１２に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側（図１２において上側）に、第１ろう材２５６を介してアルミニウム板２５１を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側（図１２において下側）に第１ろう材２６６を介してアルミニウム板２６１を積層する。
ここで、本実施形態では、第１ろう材２５６，２６６は、例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされており、本実施形態においては、Ａｌ−８ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。なお、第１ろう材２５６、２６６の厚さは、５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。

（セラミックス／アルミニウム接合工程Ｓ２０２）
次いで、上述のように積層したアルミニウム板２５１、第１ろう材２５６、セラミックス基板１１、第１ろう材２６６、アルミニウム板２６１を、積層方向に荷重３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．２９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下）で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、真空加熱炉内の圧力は１０^-６Ｐａ以上１０^-３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下、より好ましくは６２０℃以上６４３℃以下、保持時間は１５分以上１２０分以下、より好ましくは３０分以上９０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
これにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２５１，２６１を接合し、アルミニウム層２２１、２３１を形成する。

（チタン材積層工程Ｓ２０３）
次に、アルミニウム層２２１の一方の面側（図１２において上側）に、Ｓｉ含有ろう材２５８を介してチタン材２５５を積層する。また、アルミニウム層２３１の他方の面側（図１２において下側）に、Ｓｉ含有ろう材２６８を介してチタン材２６５を積層する。なお、Ｓｉ含有ろう材２５８、２６８のＳｉ含有量は１．０ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされており、その厚さは、５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされている。
また、チタン材２５５，２５６は、その厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされている。ここで、チタン材２５５，２６５の純度は９９．４ｍａｓｓ％以上とされており、本実施形態では純度９９．８ｍａｓｓ％以上のチタン材を用いている。

（チタン／アルミニウム接合工程Ｓ２０４）
次いで、上述のように積層したチタン材２５５、Ｓｉ含有ろう材２５８、アルミニウム層２２１、セラミックス基板１１、アルミニウム層２３１、Ｓｉ含有ろう材２６８、チタン材２６５を、積層方向に荷重３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．２９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下）で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、真空加熱炉内の圧力は１０^-６Ｐａ以上１０^-３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下、より好ましくは６２０℃以上６４３℃以下、保持時間は１５分以上１２０分以下、より好ましくは３０分以上９０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
これにより、アルミニウム層２２１，２３１とチタン材２５５、２６５を接合し、チタン層２２５、２３５を形成する。

ここで、アルミニウム層２２１、２３１とチタン材２５５、２６５とは、Ｓｉ含有ろう材２５８，２６８を用いた液相接合によって接合される。このとき、アルミニウム層２２１、２３１のＡｌとチタン材２５５、２６５のＴｉとが相互に拡散することでＡｌ_３Ｔｉが形成される。そして、このＡｌ_３ＴｉにＳｉ含有ろう材２５８，２６８のＳｉが固溶することにより、上述のＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２２６、２３６が形成される。なお、上述のように、アルミニウム層２２１、２３１とチタン材２５５、２６５とを液相接合していることから、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層２２６、２３６の厚さは固相拡散接合に比べて厚くなる傾向となる。

（銅板積層工程Ｓ２０５）
次に、チタン層２２５の一方の面側（図１２において上側）に、第２ろう材２５７を介して銅板２５２を積層する。また、チタン層２３５の他方の面側（図１２において下側）に、第２ろう材２６７を介して銅板２６２を積層する。
第２ろう材２５７、２６７は、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材とされている。Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材として、具体的には、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｆｅ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｍｎ系ろう材、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｃｒ系ろう材などが挙げられ、本実施形態では、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ−Ｎｉろう材の箔材を用いている。なお、第２ろう材２５７、２６７の厚さは、５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされている。

（チタン／銅接合工程Ｓ２０６）
次に、銅板２５２、第２ろう材２５７、チタン層２２５、アルミニウム層２２１、セラミックス基板１１、アルミニウム層２３１、チタン層２３５、第２ろう材２６７、銅板２６２を積層方向に荷重３ｋｇｆ／ｃｍ^２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下（０．２９ＭＰａ以上１．９６ＭＰａ以下）で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する。このとき、真空加熱炉内の圧力は１０^-６Ｐａ以上１０^-３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下、より好ましくは６２０℃以上６４３℃以下、保持時間は１５分以上１２０分以下、より好ましくは３０分以上９０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
これにより、チタン層２２５、２３５と銅板２５２、２６２が接合され、銅層２２２、２３２が形成される。

ここで、チタン層２２５、２３５と銅板２５２、２６２とは、第２ろう材２５７、２６７によって液相接合される。このとき、生じた液相によりチタン層２２５、２３５の表面に形成された酸化被膜が除去される。また、チタン層２２５、２３５と銅層２２２、２３２との間に、Ｔｉを含有する金属間化合物からなるＴｉ含有層２２７と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層２２８とが形成される。

以上のような工程によって、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製造される。
また、上述のパワーモジュール用基板２１０の金属層２３０とヒートシンク２４１とを固相拡散接合するとともに、回路層２２０の銅層２２２と半導体素子３とをはんだ材を用いて接合する。これにより、図９に示すパワーモジュール２０１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２１０によれば、第一の実施形態及び第二の実施形態と同様に、過酷なヒートサイクルを負荷した場合であっても、アルミニウム層２２１、２３１と銅層２２２、２３２とが積層されてなる回路層２２０及び金属層２３０における剥離の発生を抑制することができる。
また、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム層２２１と銅層２２２とが積層されてなる回路層２２０が形成されているので、銅層２２２によって導電性及び放熱特性を向上させることができ、アルミニウム層２２１によってヒートサイクル時の熱応力を緩和してセラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。

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、第一の実施形態及び第二の実施形態では、アルミニウム層となるアルミニウム板として、純度が９９ｍａｓｓ％以上の２ＮアルミニウムであってＳｉ含有量が０．０３ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲内のものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他のアルミニウム材を用いてもよい。

ここで、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム等のようにＳｉを含有しないアルミニウム材を用いる場合には、第三の実施形態で示したように、チタン層が形成される表面に、Ｓｉを１．０ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含有するＳｉ含有ろう材を配設して、液相接合することが好ましい。これにより、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を確実に形成することができる。
また、事前に、アルミニウム材のうちチタン層が形成される表面のＳｉ濃度を０．０３ｍａｓｓ％〜１．０ｍａｓｓ％に調整してもよい。ここで、Ｓｉ濃度は、チタン層が形成される表面をＥＰＭＡの定量分析で５点測定し、その平均値とした。なお、Ｓｉ濃度はＡｌとＳｉの合計量を１００とした時の濃度とした。

また、本実施形態では、板状のヒートシンクを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、冷却媒体の流路を備えた構造のヒートシンクでもよいし、冷却フィンを備えた構造のヒートシンクであってもよい。
上記実施形態ではＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材として箔材を用いたが、これに限らずＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材粉末、及び、Ｃｕ−Ｐ−Ｓｎ系のろう材粉末のペーストを用いることもできる。

（実施例１）
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例１）の結果について説明する。

ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−７ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ１０μｍ）を介して表１に示すアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．６ｍｍｔ）、表１に示す厚さのチタン材（３７ｍｍ×３７ｍｍ）、表１に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材、無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を順に積層した。なお、アルミニウム板として純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムを用いた本発明例１−８においては、アルミニウム板とチタン材の間にＡｌ−５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ５μｍ）を配設した。

そして、積層方向に積層方向に荷重１０ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．９８ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルニウム層と銅層とが積層された回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度は６４０℃、加熱時間は４５ｍｉｎとした。このようにして本発明例１−１〜１−８及び比較例１−１〜１−４のパワーモジュール用基板を得た。

また、従来例１−１として、本発明例１−１と同様の条件においてＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いず、チタン材とＣｕ板を固相拡散接合したパワーモジュール用基板を作製した。

上述のようにして得られたパワーモジュール用基板の接合界面をＥＰＭＡ観察し、各元素のマッピング像を取得し、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ｔｉ含有層、Ｃｕ−Ｓｎ層の有無を確認した。
Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層は、マッピング像からＡｌとＴｉとＳｉの各元素が共存する領域が観察された場合、「有」と評価した。
Ｔｉ含有層は、マッピング像からＴｉとＰの各元素が共存する領域が観察された場合、「有」と評価した。
Ｃｕ−Ｓｎ層は、マッピング像からＣｕとＳｎの各元素が共存する領域が観察された場合、「有」と評価した。
また、以下に示す方法により、チタン層の厚さを測定するとともに、ヒートサイクル試験、積層方向の熱抵抗を評価した。

（チタン層の厚さ）
上述のパワーモジュール用基板の回路層のアルミニウム板／銅板の接合界面のＥＰＭＡから、倍率１００００倍の視野（縦３０μｍ、横４０μｍ）において、接合界面に形成されたチタン層の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して求め、５視野の平均をチタン層の厚さとした。評価結果を表２に示す。

（ヒートサイクル試験）
上述のパワーモジュール用基板において、ヒートサイクル試験を実施した。冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、試験片（ヒートシンク付パワーモジュール）に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１７５℃×５分のヒートサイクルを８００回実施した。そして、ヒートサイクル試験後において、銅層とチタン層の剥離の有無を確認した。
なお、銅層とチタン層の剥離は、超音波探傷装置を用い、以下の式から算出した。
ここで、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。
（剥離率（％））＝（剥離面積／チタン層の面積×１００）
剥離率が１５％以上の場合を剥離有と評価した。
評価結果を表２に示す。

また、ヒートサイクル試験前におけるパワーモジュール用基板の積層方向の熱抵抗、及び、ヒートサイクル試験後におけるパワーモジュール用基板の積層方向の熱抵抗を以下のようにして評価した。

（熱抵抗試験）
ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を回路層の表面に半田付けし、金属層を冷却器に積層した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
なお、本発明例１−５のヒートサイクル前の熱抵抗を基準として１とし、この基準との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表２に示す。

チタン材の厚さが薄い比較例１−１、１−２では、接合後に応力緩和効果を有するチタン層が確認されなかった。そのため、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面に剥離が生じ、また、熱抵抗も上昇した。チタン材の厚さが厚い比較例１−３、１−４では、熱抵抗の大きいパワーモジュール用基板となった。銅層とチタン層を固相拡散接合した従来例１−１では、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面で剥離が生じた。これは、チタン材の表面に酸化物が残留していたため、接合性が悪いことが原因と思われる。
一方、本発明例１−１〜１−８では、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面に剥離が生じることが無く、また、熱抵抗の上昇も小さいパワーモジュール用基板が得られることが分かった。

（実施例２）
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例２）の結果について説明する。

ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ１２μｍ）を介して表３に示すアルミニウム板、表３に示す厚さのチタン材を順に積層した。なお、アルミニウム板として４Ｎアルミニウムを用いた本発明例２−９、２−１０においては、アルミニウム板とチタン材の間にＡｌ−５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ１５μｍ）を配設した。

次に、積層方向に荷重５ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．４９ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルニウム層及びチタン層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度は６３０℃、加熱時間は３０ｍｉｎとした。

次に、チタン層のアルミニウム層とは反対側の面に、表３に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介して無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層した。
そして、積層方向に荷重７ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．６９ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルニウム層と銅層とが積層された回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度は６４０℃、加熱時間は８０ｍｉｎとした。このようにして本発明例２−１〜２−８及び比較例２−１〜２−４のパワーモジュール用基板を得た。

また、従来例２−１として、本発明例２−１と同様の条件においてＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いず、チタン材とＣｕ板を固相拡散接合したパワーモジュール用基板を作製した。

上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、実施例１と同様の手順により、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ｔｉ含有層、Ｃｕ−Ｓｎ層の有無を確認し、チタン層の厚さを測定するとともに、ヒートサイクル試験、積層方向の熱抵抗を評価した。なお、熱抵抗の評価は、本発明例２−５のヒートサイクル前の熱抵抗を基準として１とし、この基準との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表４に示す。

チタン材の厚さが薄い比較例２−１、２−２では、接合後に応力緩和効果を有するチタン層が確認されなかった。そのため、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面に剥離が生じ、また、熱抵抗も上昇した。チタン材の厚さが厚い比較例２−３、２−４では、熱抵抗の大きいパワーモジュール用基板となった。銅層とチタン層を固相拡散接合した従来例２−１では、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面で剥離が生じた。これは、チタン材の表面に酸化物が残留していたため、接合性が悪いことが原因と思われる。
一方、本発明例２−１〜２−８では、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面に剥離が生じることが無く、また、熱抵抗の上昇も小さいパワーモジュール用基板が得られることが分かった。

（実施例３）
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験（実施例３）の結果について説明する。

ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−１０ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ５μｍ）を介して表５に示すアルミニウム板を積層した。
次に、積層方向に荷重１５ｋｇｆ／ｃｍ^２（１．４７ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルニウム層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度は６４０℃、加熱時間は６０ｍｉｎとした。

次に、アルミニウム層のセラミックス基板とは反対側の面に、表５に示す厚さのチタン材を順に積層した。なお、アルミニウム板として４Ｎアルミニウムを用いた本発明例３−８においては、アルミニウム板とチタン材の間にＡｌ−７ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ１０μｍ）を配設した。
積層方向に荷重２０ｋｇｆ／ｃｍ^２（１．９６ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってアルミニウム層に積層されたチタン層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度は６３０℃、加熱時間は９０ｍｉｎとした。

次に、チタン層のアルミニウム層とは反対側の面に、表５に示すＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を介して無酸素銅からなるＣｕ板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層した。
そして、積層方向に荷重８ｋｇｆ／ｃｍ^２（０．７８ＭＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルニウム層と銅層とが積層された回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０^−６Ｐａ以上、１０^−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度は６４０℃、加熱時間は３０ｍｉｎとした。このようにして本発明例３−１〜３−８及び比較例３−１〜３−４のパワーモジュール用基板を得た。

また、従来例３−１として、本発明例２−１と同様の条件においてＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いず、チタン材とＣｕ板を固相拡散接合したパワーモジュール用基板を作製した。

上述のようにして得られたパワーモジュール用基板に対して、実施例１と同様の手順により、Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層、Ｔｉ含有層、Ｃｕ−Ｓｎ層の有無を確認し、チタン層の厚さを測定するとともに、ヒートサイクル試験、積層方向の熱抵抗を評価した。なお、熱抵抗の評価は、本発明例３−５のヒートサイクル前の熱抵抗を基準として１とし、この基準との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表６に示す。

チタン材の厚さが薄い比較例３−１、３−２では、接合後に応力緩和効果を有するチタン層が確認されなかった。そのため、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面に剥離が生じ、また、熱抵抗も上昇した。チタン材の厚さが厚い比較例３−３、３−４では、熱抵抗の大きいパワーモジュール用基板となった。銅層とチタン層を固相拡散接合した従来例３−１では、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面で剥離が生じた。これは、チタン材の表面に酸化物が残留していたため、接合性が悪いことが原因と思われる。
一方、本発明例３−１〜３−８では、冷熱サイクル後に銅層とチタン層の接合界面に剥離が生じることが無く、また、熱抵抗の上昇も小さいパワーモジュール用基板が得られることが分かった。

１０、１１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
２０、１２０、２２０ 回路層
３０，１３０、２３０ 金属層
２１、１２１、２２１ アルミニウム層
２２、１２２、２２２ 銅層
２５、１２５、２２５ チタン層
２６、１２６、２２６ Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層
２７、１２７、２２７ Ｔｉ含有層
２８、１２８，２２８ Ｃｕ−Ｓｎ層
５１、１５１、２５１ アルミニウム板
５２、１５２、２５２ 銅板
５５、１５５、２５５ チタン材

Claims (7)

1. アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム部材と、銅又は銅合金からなる銅部材との接合体であって、
   前記アルミニウム部材と前記銅部材との接合部においては、前記アルミニウム部材側から順に、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、チタン層と、Ｔｉを含む金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、が形成されており、
   前記チタン層の厚さが３μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体。
2. セラミックス基板と、前記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であって、
   前記回路層は、前記セラミックス基板の一方の面に形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、このアルミニウム層の一方の面に形成された銅又は銅合金からなる銅層と、を有し、
   前記アルミニウム層と前記銅層との接合部においては、前記アルミニウム層側から順に、Ａｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層と、チタン層と、Ｔｉを含む金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層と、が形成されており、
   前記チタン層の厚さが３μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
3. 請求項１に記載の接合体の製造方法であって、
   チタン層となるチタン材とアルミニウム部材とを接合してＡｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を形成するチタン／アルミニウム接合工程と、
   前記チタン材と銅部材とをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いて液相接合し、Ｔｉを含む金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層とを形成するチタン／銅接合工程と、
   を備えており、
   接合前の前記チタン材の厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体の製造方法。
4. 前記チタン／アルミニウム接合工程と、前記チタン／銅接合工程と、を同時に実施することを特徴とする請求項３に記載の接合体の製造方法。
5. 請求項２に記載の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アルミニウム層となるアルミニウム板とを接合するセラミックス／アルミニウム接合工程と、
   チタン層となるチタン材と前記アルミニウム板とを接合してＡｌ_３ＴｉにＳｉが固溶したＡｌ−Ｔｉ−Ｓｉ層を形成するチタン／アルミニウム接合工程と、
   前記チタン材と前記銅層となる銅板とをＣｕ−Ｐ−Ｓｎ系ろう材を用いて液相接合し、Ｔｉを含む金属間化合物からなるＴｉ含有層と、ＣｕにＳｎが固溶したＣｕ−Ｓｎ層とを形成するチタン／銅接合工程と、
   を備えており、
   接合前の前記チタン材の厚さが８μｍ以上２０μｍ以下の範囲内とされてい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／アルミニウム接合工程と、前記チタン／アルミニウム接合工程と、を同時に実施し、その後、前記チタン／銅接合工程を実施することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
7. 前記セラミックス／アルミニウム接合工程と、前記チタン／アルミニウム接合工程と、前記チタン／銅接合工程と、を同時に実施することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。