JP6651924B2 - 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
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Description
この発明は、表面にＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層が形成されたセラミックス部材と、このアルミニウム層に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法、セラミックス基板とこのセラミックス基板の表面に形成されたアルミニウム層とこのアルミニウム層に接合された銅層とを備え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。
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板を接合して金属層が形成したものも提供されている。
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板を接合して金属層が形成したものも提供されている。
回路層を構成する金属としては、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）等が用いられている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム板からなる回路層が接合された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、セラミックス基板の一方の面に銅板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面に、アルミニウム板からなる回路層が接合された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、セラミックス基板の一方の面に銅板からなる回路層が接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
さらに、特許文献３には、回路層又は金属層を、セラミックス基板に接合されたアルミニウム層とこのアルミニウム層に接合された銅層とからなる２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。
回路層又は金属層を、アルミニウム層と銅層との２層構造とすることにより、ヒートサイクル負荷時に発生する熱歪をアルミニウム層で吸収してセラミックス基板の割れを抑制できるとともに、銅層によって熱を面方向に広げることにより放熱特性を向上させることが可能となる。
回路層又は金属層を、アルミニウム層と銅層との２層構造とすることにより、ヒートサイクル負荷時に発生する熱歪をアルミニウム層で吸収してセラミックス基板の割れを抑制できるとともに、銅層によって熱を面方向に広げることにより放熱特性を向上させることが可能となる。
ところで、特許文献３においては、セラミックス基板とアルミニウム層となるアルミニウム板とをろう材を介して積層するとともに、アルミニウム板と銅層となる銅板とをＴｉ箔を介して積層し、積層方向に加圧した状態で６４０℃程度に加熱することにより、セラミックス基板とアルミニウム板をろう材によって接合するとともに、アルミニウム板とＴｉ箔及びＴｉ箔と銅板を固相拡散接合している。これにより、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板とを一括で接合している。
しかしながら、特許文献３においては、アルミニウム板とＴｉ箔及びＴｉ箔と銅板を固相拡散接合する際に、積層方向に対して１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２といった荷重で加圧する必要があった。ここで、加圧荷重が接合面で不均一に作用した場合には、荷重が不足した領域において接合が不十分となるおそれがあった。
加圧荷重を接合面に均一に負荷させるためには、ばね材等を有する加圧治具を用いる必要があった。特許文献３に記載された方法では、上述の加圧治具を加熱炉に装入することになるため、加熱炉内へ装入できるセラミックス基板、アルミニウム板及び銅板の積層体の個数が制限され、パワーモジュール用基板の生産性が低下するといった問題があった。また、加圧治具に配設されたセラミックス基板、アルミニウム板及び銅板のそれぞれの接合面の加熱温度が均一となるように、加熱炉内で長時間保持する必要があった。
加圧荷重を接合面に均一に負荷させるためには、ばね材等を有する加圧治具を用いる必要があった。特許文献３に記載された方法では、上述の加圧治具を加熱炉に装入することになるため、加熱炉内へ装入できるセラミックス基板、アルミニウム板及び銅板の積層体の個数が制限され、パワーモジュール用基板の生産性が低下するといった問題があった。また、加圧治具に配設されたセラミックス基板、アルミニウム板及び銅板のそれぞれの接合面の加熱温度が均一となるように、加熱炉内で長時間保持する必要があった。
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、セラミックス部材の表面に形成されたアルミニウム層に対して銅部材を接合する際に、積層方向に大きな荷重をかけることなく、確実に接合を行うことが可能な接合体の製造方法、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。
このような課題を解決して前記目的を達成するために、本発明者ら鋭意検討した結果、被接合体を固相拡散接合する際に積層方向に加圧した場合、接合の初期段階において被接合体同士が確実に密着してこれらの接触面積が増加し、加熱時における原子の拡散が促進されていることを見出した。よって、被接合体同士の接触面積を十分に確保した状態で加熱することができれば、積層方向への加圧を無荷重又は低荷重としても被接合体を固相拡散接合可能であるとの知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、本発明の接合体の製造方法は、表面にＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層が形成されたセラミックス部材と、このアルミニウム層に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、前記セラミックス部材の表面に前記アルミニウム層形成するアルミニウム層形成工程と、前記アルミニウム層の表面に、Ｔｉ材を介して、前記銅部材を積層するＴｉ材及び銅部材積層工程と、積層されたアルミニウム層、Ｔｉ材及び銅部材に対して、積層方向に０．３９ＭＰａ以上０．５９ＭＰａ以下の荷重をかけて超音波を付与し、前記アルミニウム層と前記Ｔｉ材、前記Ｔｉ材と前記銅部材をそれぞれ接合する超音波接合工程と、超音波接合されたアルミニウム層、Ｔｉ材及び銅部材に対して、積層方向への加圧荷重を無荷重（自重）、あるいは、０．０９ＭＰａ以下の低荷重として、加熱処理を行い、前記アルミニウム層と前記Ｔｉ材、前記Ｔｉ材と前記銅部材をそれぞれ固相拡散接合する固相拡散接合工程と、を備え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、積層されたアルミニウム層、Ｔｉ材及び銅部材に対して、超音波を付与し、前記アルミニウム層と前記Ｔｉ材、前記Ｔｉ材と前記銅部材をそれぞれ接合する超音波接合工程を備えているので、アルミニウム層とＴｉ材、Ｔｉ材と銅部材とが、それぞれ十分に密着することになり、これらの接触面積が十分に確保されることになる。よって、その後に加熱処理を行う際に、積層方向に大きな荷重で加圧することなく、アルミニウム層とＴｉ材、Ｔｉ材と銅部材をそれぞれ固相拡散接合することができる。
よって、加圧治具を使用する必要がなくなり、加熱炉内への装入個数を多くすることができ、接合体を効率良く製造することが可能となる。
よって、加圧治具を使用する必要がなくなり、加熱炉内への装入個数を多くすることができ、接合体を効率良く製造することが可能となる。
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層を、上述の接合体の製造方法によって形成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、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層を、上述の接合体の製造方法によって形成することを特徴としている。
さらに、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一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層及び前記金属層を、上述の接合体の製造方法によって形成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、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層、及び、セラミックス基板の他方の面に形成された金属層が、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層された構造とされており、アルミニウム層と銅層とを固相拡散接合する際に積層方向に加圧する必要がないため、パワーモジュール用基板の製造効率が大幅に向上することになる。
本発明によれば、セラミックス部材の表面に形成されたアルミニウム層に対して銅部材を接合する際に、積層方向に大きな荷重をかけることなく、確実に接合を行うことが可能な接合体の製造方法、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。
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。
本実施形態において製造対象となる接合体は、セラミックス部材としてセラミックス基板１１、アルミニウム部材としてアルミニウム板２２Ａ及び銅部材として銅板２２Ｂが接合されてなる回路層１２、アルミニウム部材としてアルミニウム板２３Ａ及び銅部材として銅板２３Ｂが接合されてなる金属層１３を備えたパワーモジュール用基板１０とされている。
本実施形態において製造対象となる接合体は、セラミックス部材としてセラミックス基板１１、アルミニウム部材としてアルミニウム板２２Ａ及び銅部材として銅板２２Ｂが接合されてなる回路層１２、アルミニウム部材としてアルミニウム板２３Ａ及び銅部材として銅板２３Ｂが接合されてなる金属層１３を備えたパワーモジュール用基板１０とされている。
図１に、本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板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、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１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、金属層１３の他方の面（図１において下面）に接合されたヒートシンク４０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、Ｎｉめっき層（図示なし）が設けられている。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１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、金属層１３の他方の面（図１において下面）に接合されたヒートシンク４０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、Ｎｉめっき層（図示なし）が設けられている。
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、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。
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、本実施形態では、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、図１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１２Ａと、このアルミニウム層１２Ａの一方側（図１において上側）に積層された銅層１２Ｂと、を有している。また、アルミニウム層１２Ａと銅層１２Ｂとの間には、Ｔｉ層１２Ｃが形成されている。
この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
アルミニウム層１２Ａは、図３に示すように、アルミニウム板２２Ａ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１２Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％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２２Ａ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。ここで、接合されるアルミニウム板２２Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
本実施形態においては、アルミニウム層１２Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％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２２Ａ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。ここで、接合されるアルミニウム板２２Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
銅層１２Ｂは、図３に示すように、銅板２２Ｂがアルミニウム層１２Ａの一方側（図１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１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２Ｂが、アルミニウム層１２Ａの一方側に固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板２２Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
本実施形態においては、銅層１２Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板２２Ｂが、アルミニウム層１２Ａの一方側に固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板２２Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
Ｔｉ層１２Ｃは、図３に示すように、Ｔｉ材２２Ｃが、アルミニウム層１２Ａ及び銅層１２Ｂとそれぞれ固相拡散接合されることによって形成されている。
本実施形態では、Ｔｉ材２２Ｃは、純度が９９ｍａｓｓ％以上のＴｉからなり、その厚さが３μｍ以上４０μｍ以下とされている。
本実施形態では、Ｔｉ材２２Ｃは、純度が９９ｍａｓｓ％以上のＴｉからなり、その厚さが３μｍ以上４０μｍ以下とされている。
金属層１３は、図１で示すように、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１３Ａと、このアルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）に積層された銅層１３Ｂと、を有している。また、アルミニウム層１３Ａと銅層１３Ｂとの間には、Ｔｉ層１３Ｃが形成されている。
アルミニウム層１３Ａは、図３に示すように、アルミニウム板２３Ａ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１３Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％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２３Ａ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。ここで、接合されるアルミニウム板２３Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
本実施形態においては、アルミニウム層１３Ａは、純度が９９．９９ｍａｓｓ％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２３Ａ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。ここで、接合されるアルミニウム板２３Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
銅層１３Ｂは、図３に示すように、銅板２３Ｂがアルミニウム層１３Ａの他方側（図１において下側）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１３Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板２３Ｂが、アルミニウム層１３Ａの他方側に固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板２３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
本実施形態においては、銅層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板からなる銅板２３Ｂが、アルミニウム層１３Ａの他方側に固相拡散接合されることにより形成されている。ここで、接合される銅板２３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
Ｔｉ層１３Ｃは、図３に示すように、Ｔｉ材２３Ｃが、アルミニウム層１３Ａ及び銅層１３Ｂとそれぞれ固相拡散接合されることによって形成されている。
本実施形態では、Ｔｉ材２３Ｃは、純度が９９ｍａｓｓ％以上のＴｉからなり、その厚さが３μｍ以上４０μｍ以下とされている。
本実施形態では、Ｔｉ材２３Ｃは、純度が９９ｍａｓｓ％以上のＴｉからなり、その厚さが３μｍ以上４０μｍ以下とされている。
ヒートシンク４０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。本実施形態では、ヒートシンク４０は、銅又は銅合金で構成されており、具体的には無酸素銅で構成されている。また、このヒートシンク４０には、冷却用の流体が流れるための流路４１が設けられている。
本実施形態においては、ヒートシンク４０と金属層１３の銅層１３Ｂとが、はんだ層３２を介して接合されている。このはんだ層３２は、例えばＳｎ−Ｓｂ系、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。
本実施形態においては、ヒートシンク４０と金属層１３の銅層１３Ｂとが、はんだ層３２を介して接合されている。このはんだ層３２は、例えばＳｎ−Ｓｂ系、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。
次に、上述した本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法及びパワーモジュール１の製造方法について、図２から図５を参照して説明する。
（アルミニウム層形成工程Ｓ０１）
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、ろう材２６を介してアルミニウム層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、ろう材２７を介してアルミニウム層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａを積層する。
ここで、ろう材２６，２７としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いることができる。なお、ろう材箔２６，２７の厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合時の加熱温度は、６４０℃〜６５０℃とすることが好ましい。
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、ろう材２６を介してアルミニウム層１２Ａとなるアルミニウム板２２Ａを積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、ろう材２７を介してアルミニウム層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａを積層する。
ここで、ろう材２６，２７としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いることができる。なお、ろう材箔２６，２７の厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合時の加熱温度は、６４０℃〜６５０℃とすることが好ましい。
（Ｔｉ材及び銅板積層工程Ｓ０２）
次に、アルミニウム層１２Ａの一方の面に、Ｔｉ材２２Ｃを介して、Ｃｕ層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。
なお、アルミニウム層１２ＡとＴｉ材２２Ｃと銅板２２Ｂ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ている。
次に、アルミニウム層１２Ａの一方の面に、Ｔｉ材２２Ｃを介して、Ｃｕ層１２Ｂとなる銅板２２Ｂを積層する。
なお、アルミニウム層１２ＡとＴｉ材２２Ｃと銅板２２Ｂ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ている。
（超音波接合工程Ｓ０３）
次に、アルミニウム層１２ＡとＴｉ材２２Ｃと銅板２２Ｂに対して超音波を付与して、これらを超音波接合する。
本実施形態では、積層方向の荷重を４ｋｇｆ／ｃｍ２以上６ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．３９ＭＰａ以上０．５９ＭＰａ以下）の範囲内、付与する超音波の周波数を１５ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の範囲内、出力を８０Ｗ／ｃｍ２以上１２０Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内、接合時間を２０ｓｅｃ以上４０ｓｅｃ以下の範囲内に設定している。
次に、アルミニウム層１２ＡとＴｉ材２２Ｃと銅板２２Ｂに対して超音波を付与して、これらを超音波接合する。
本実施形態では、積層方向の荷重を４ｋｇｆ／ｃｍ２以上６ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．３９ＭＰａ以上０．５９ＭＰａ以下）の範囲内、付与する超音波の周波数を１５ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の範囲内、出力を８０Ｗ／ｃｍ２以上１２０Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内、接合時間を２０ｓｅｃ以上４０ｓｅｃ以下の範囲内に設定している。
（Ｔｉ材及び銅板積層工程Ｓ０２）
次に、アルミニウム層１３Ａの他方の面に、Ｔｉ材２３Ｃを介して、Ｃｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。
なお、アルミニウム層１３ＡとＴｉ材２３Ｃと銅板２３Ｂ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ている。
次に、アルミニウム層１３Ａの他方の面に、Ｔｉ材２３Ｃを介して、Ｃｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。
なお、アルミニウム層１３ＡとＴｉ材２３Ｃと銅板２３Ｂ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ている。
（超音波接合工程Ｓ０３）
次に、アルミニウム層１３ＡとＴｉ材２３Ｃと銅板２３Ｂに対して超音波を付与して、これらを超音波接合する。
本実施形態では、積層方向の荷重を４ｋｇｆ／ｃｍ２以上６ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．３９ＭＰａ以上０．５９ＭＰａ以下）の範囲内、付与する超音波の周波数を１５ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の範囲内、出力を８０Ｗ／ｃｍ２以上１２０Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内、接合時間を２０ｓｅｃ以上４０ｓｅｃ以下の範囲内に設定している。
次に、アルミニウム層１３ＡとＴｉ材２３Ｃと銅板２３Ｂに対して超音波を付与して、これらを超音波接合する。
本実施形態では、積層方向の荷重を４ｋｇｆ／ｃｍ２以上６ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．３９ＭＰａ以上０．５９ＭＰａ以下）の範囲内、付与する超音波の周波数を１５ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下の範囲内、出力を８０Ｗ／ｃｍ２以上１２０Ｗ／ｃｍ２以下の範囲内、接合時間を２０ｓｅｃ以上４０ｓｅｃ以下の範囲内に設定している。
本実施形態では、上述のように、セラミックス基板１１の一方の面に形成されたアルミニウム層１２Ａの上にＴｉ材２２Ｃ及び銅板２２Ｂを積層して超音波接合した後、セラミックス基板１１の他方の面に形成されたアルミニウム層１３Ａの上にＴｉ材２３Ｃ及び銅板２３Ｂを積層して超音波接合している。すなわち、Ｔｉ材及び銅板積層工程Ｓ０２と超音波接合工程Ｓ０３とを２回実施しているのである。
（固相拡散接合工程Ｓ０４）
次に、図４に示すように、超音波接合された銅板２２Ｂ、Ｔｉ材２２Ｃ、アルミニウム層１２Ａ、セラミックス基板１１、アルミニウム層１３Ａ、Ｔｉ材２３Ｃ、銅板２３Ｂを、真空加熱炉（真空度１０−５Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下）内に配置して加熱し、アルミニウム層１２ＡとＴｉ材２２Ｃ、Ｔｉ材２２Ｃと銅板２２Ｂ、及び、アルミニウム層１３ＡとＴｉ材２３Ｃ、Ｔｉ材２３Ｃと銅板２３Ｂを、それぞれ固相拡散接合する。
次に、図４に示すように、超音波接合された銅板２２Ｂ、Ｔｉ材２２Ｃ、アルミニウム層１２Ａ、セラミックス基板１１、アルミニウム層１３Ａ、Ｔｉ材２３Ｃ、銅板２３Ｂを、真空加熱炉（真空度１０−５Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下）内に配置して加熱し、アルミニウム層１２ＡとＴｉ材２２Ｃ、Ｔｉ材２２Ｃと銅板２２Ｂ、及び、アルミニウム層１３ＡとＴｉ材２３Ｃ、Ｔｉ材２３Ｃと銅板２３Ｂを、それぞれ固相拡散接合する。
ここで、固相拡散接合工程Ｓ０４においては、積層方向への加圧荷重を無荷重（自重）、あるいは、０．０９ＭＰａ以下の低荷重で接合することが好ましい。
また、固相拡散接合工程Ｓ０４における保持温度は、５３０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。なお、上述の保持温度での保持時間は３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
また、固相拡散接合工程Ｓ０４における保持温度は、５３０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。なお、上述の保持温度での保持時間は３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
以上のような工程により、本実施形態におけ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Ｓ０５）
次に、図５に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方側（図４において下側）に、はんだ材３２を介してヒートシンク４０を積層し、還元炉内において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを接合する。
次に、図５に示すように、パワーモジュール用基板１０の他方側（図４において下側）に、はんだ材３２を介してヒートシンク４０を積層し、還元炉内において、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク４０とを接合する。
（半導体素子接合工程Ｓ０６）
次に、図５に示すように、パワーモジュール用基板１０の回路層１２（銅層１２Ｂ）の一方の面に、はんだ材２を介して半導体素子３を積層し、還元炉内において、パワーモジュール用基板１０の回路層１２（銅層１２Ｂ）と半導体素子３とを接合する。
以上のようにして、図１に示すパワーモジュール１が製造される。
次に、図５に示すように、パワーモジュール用基板１０の回路層１２（銅層１２Ｂ）の一方の面に、はんだ材２を介して半導体素子３を積層し、還元炉内において、パワーモジュール用基板１０の回路層１２（銅層１２Ｂ）と半導体素子３とを接合する。
以上のようにして、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であるパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、積層されたアルミニウム層１２Ａ、１３Ａ、Ｔｉ材２２Ｃ、２３Ｃ及び銅板２２Ｂ、２３Ｂに対して、超音波を付与し、アルミニウム層１２Ａ、１３ＡとＴｉ材２２Ｃ、２３Ｃ、Ｔｉ材２２Ｃ、２３Ｃと銅板２２Ｂ、２３Ｂをそれぞれ接合する超音波接合工程Ｓ０３を備えているので、アルミニウム層１２Ａ、１３ＡとＴｉ材２２Ｃ、２３Ｃ、Ｔｉ材２２Ｃ、２３Ｃと銅板２２Ｂ、２３Ｂとが、それぞれ十分に密着することになり、これらの接触面積が十分に確保されることになる。よって、その後の固相拡散接合工程Ｓ０４において、積層方向に大きな荷重で加圧することなく、アルミニウム層１２Ａ、１３ＡとＴｉ材２２Ｃ、２３Ｃ、Ｔｉ材２２Ｃ、２３Ｃと銅板２２Ｂ、２３Ｂをそれぞれ固相拡散接合することができる。
よって、加圧治具を使用する必要がなくなり、加熱炉内への装入個数を多くすることができ、パワーモジュール用基板１０の生産性を大幅に向上させることができる。
よって、加圧治具を使用する必要がなくなり、加熱炉内への装入個数を多くすることができ、パワーモジュール用基板１０の生産性を大幅に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。
例えば、本実施形態では、パワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス部材と、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を接合した構造の接合体であればよい。
例えば、本実施形態では、パワーモジュール用基板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス部材と、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を接合した構造の接合体であればよい。
また、本実施形態では、回路層及び金属層を、それぞれアルミニウム層と銅層との２層構造を有するものとして説明したが、回路層又は金属層の少なくとも一方が、アルミニウム層と銅層との２層構造を有するものとされていればよい。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１として、窒化アルミ（ＡｌＮ）を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックスで構成されたものであってもよい。
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
また、ヒートシンクは、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面に形成されたアルミニウム層１２Ａの上にＴｉ材２２Ｃ及び銅板２２Ｂを積層して超音波接合した後、セラミックス基板１１の他方の面に形成されたアルミニウム層１３Ａの上にＴｉ材２３Ｃ及び銅板２３Ｂを積層して超音波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、セラミックス基板１１の一方の面に形成されたアルミニウム層１２Ａの上にＴｉ材２２Ｃ及び銅板２２Ｂを積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に形成されたアルミニウム層１３Ａの上にＴｉ材２３Ｃ及び銅板２３Ｂを積層し、これらを超音波接合してもよい。ただし、付与する超音波の出力を低く抑えるためには、本実施形態のように、Ｔｉ材及び銅板積層工程Ｓ０２と超音波接合工程Ｓ０３とを２回に分けて実施することが好ましい。
また、本実施形態では、セラミックス基板にアルミニウム板をろう材を用いて接合することによりアルミニウム層を形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の接合方法によってセラミックス基板にアルミニウム板を接合することでアルミニウム層を形成してもよい。また、セラミックス基板の表面に蒸着等によってアルミニウム層を成膜してもよい。
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
表１に示すセラミックス基板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）と、表１に示す組成のアルミニウムの圧延板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）、表１に示す組成の銅の圧延板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）、純度９９ｍａｓｓ％以上のＴｉ材（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ２０μｍ）を準備した。
表１に示すセラミックス基板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）と、表１に示す組成のアルミニウムの圧延板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）、表１に示す組成の銅の圧延板（４６ｍｍ×５６ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）、純度９９ｍａｓｓ％以上のＴｉ材（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ２０μｍ）を準備した。
次に、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金ろう材（厚さ１７μｍ）を介してアルミニウム板を積層し、積層方向に加圧（０．３ＭＰａ）して、６４０℃で４０ｍｉｎ保持し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム層を形成した。
次に、本発明例においては、アルミニウム層の上にＴｉ材及び銅板を積層し、表１に示す条件で超音波を付与し、アルミニウム層とＴｉ材、Ｔｉ材と銅板を超音波接合した。なお、従来例では、超音波接合を実施しなかった。
そして、アルミニウム層を形成したセラミックス基板、Ｔｉ材、銅板を、真空炉（１０−４Ｐａ）内に装入し、表１に示す荷重で積層方向に加圧し、表１に示す保持温度及び保持時間で加熱して、アルミニウム層、Ｔｉ材、銅板を固相拡散接合し、評価用試料を作成した。
（初期接合率）
得られた評価用試料を用いて、アルミニウム層とＴｉ材、Ｔｉ材と銅板との接合率をそれぞれ評価した。なお、接合率は、セラミックス基板の一方の面側と他方の面側の両方で行い、その平均値を算出した。
具体的には、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦＩＮＥＳＡＴ）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、すなわち回路層（金属層）の面積（４６ｍｍ×５６ｍｍ）とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の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。評価結果を表１に示す。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
得られた評価用試料を用いて、アルミニウム層とＴｉ材、Ｔｉ材と銅板との接合率をそれぞれ評価した。なお、接合率は、セラミックス基板の一方の面側と他方の面側の両方で行い、その平均値を算出した。
具体的には、超音波探傷装置（日立パワーソリューションズ社製ＦＩＮＥＳＡＴ）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、すなわち回路層（金属層）の面積（４６ｍｍ×５６ｍｍ）とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の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。評価結果を表１に示す。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
アルミニウム層とＴｉ材、Ｔｉ材と銅板を超音波接合した後、固相拡散接合した本発明例は、接合率が高かった。
一方、超音波接合をせず、低荷重で接合した従来例では接合率が低かった。
一方、超音波接合をせず、低荷重で接合した従来例では接合率が低かった。
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）
１２ 回路層
１３ 金属層
２２Ａ アルミニウム板（アルミニウム部材）
２３Ａ アルミニウム板（アルミニウム部材）
２２Ｂ 銅板（銅部材）
２３Ｂ 銅板（銅部材）
２２Ｃ Ｔｉ材
２３Ｃ Ｔｉ材
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ 回路層
１３ 金属層
２２Ａ アルミニウム板（アルミニウム部材）
２３Ａ アルミニウム板（アルミニウム部材）
２２Ｂ 銅板（銅部材）
２３Ｂ 銅板（銅部材）
２２Ｃ Ｔｉ材
２３Ｃ Ｔｉ材
Claims (4)
- 表面にＡｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層が形成されたセラミックス部材と、このアルミニウム層に接合されたＣｕ又はＣｕ合金からなる銅部材と、を備えた接合体の製造方法であって、
前記セラミックス部材の表面に前記アルミニウム層形成するアルミニウム層形成工程と、
前記アルミニウム層の表面に、Ｔｉ材を介して、前記銅部材を積層するＴｉ材及び銅部材積層工程と、
積層されたアルミニウム層、Ｔｉ材及び銅部材に対して、積層方向に０．３９ＭＰａ以上０．５９ＭＰａ以下の荷重をかけて超音波を付与し、前記アルミニウム層と前記Ｔｉ材、前記Ｔｉ材と前記銅部材をそれぞれ接合する超音波接合工程と、
超音波接合されたアルミニウム層、Ｔｉ材及び銅部材に対して、積層方向への加圧荷重を無荷重（自重）、あるいは、０．０９ＭＰａ以下の低荷重として、加熱処理を行い、前記アルミニウム層と前記Ｔｉ材、前記Ｔｉ材と前記銅部材をそれぞれ固相拡散接合する固相拡散接合工程と、
を備えていることを特徴とする接合体の製造方法。 - セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層を、請求項１に記載の接合体の製造方法によって形成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。 - セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記金属層を、請求項１に記載の接合体の製造方法によって形成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。 - セラミックス基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる回路層、前記セラミックス基板の他方の面に、Ａｌ又はＡｌ合金からなるアルミニウム層とＣｕ又はＣｕ合金からなる銅層とが積層されてなる金属層が形成されたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層及び前記金属層を、請求項１に記載の接合体の製造方法によって形成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。
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