JP6717238B2 - ヒートシンク付パワーモジュール用基板 - Google Patents

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Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板に関する。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板として、例えば特許文献１又は特許文献２に記載されるように、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に銅等からなる回路層が形成され、セラミックス基板の他方の面に銅等からなる金属層が形成され、この金属層のセラミックス基板とは反対側の面にアルミニウムや銅等からなるヒートシンク（放熱板）が接合された構成のものが知られている。そして、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層の表面（上面）に、半導体素子等の電子部品がはんだ付け（実装）されることにより、パワーモジュールが製造される。
しかし、アルミニウムや銅からなるヒートシンクは、パワーモジュール用基板との線膨張差が大きいことから、電子部品の実装工程で加熱されたり、パワーモジュールの使用環境における温度変化にさらされることにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じる。例えば、電子部品の実装工程でヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じると、電子部品の位置ずれが発生したり、はんだ接合部に歪みやクラック等が生じて、接合信頼性が損なわれるおそれがある。また、パワーモジュールの使用環境においてヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じると、ヒートシンクと冷却器との間に介在する熱導電性グリースがポンプアウト現象により流れ出すことにより、ヒートシンクと冷却器との密着性が損なわれ、熱抵抗の増加を招くことがある。さらには、このように繰り返してヒートシンク付パワーモジュール用基板に反りが生じることにより、セラミックス基板にクラックが生じるおそれがある。
そこで、この種のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、アルミニウムや銅に替えて、低熱膨張で高熱伝導率のアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体によりヒートシンクを形成することにより、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの線膨張差に起因する反りを低減する試みがなされている。
アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、特許文献３又は特許文献４に記載されるように、主に炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体中にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が含浸されるとともに、その多孔質体の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金の被覆層が形成された、アルミニウムと炭化珪素の複合体である。
特開平１０‐２７０５９６号公報 特開２０１６‐５１７７８号公報 特開２０１４‐１４３３５１号公報 特開２００３‐３０６７３０号公報
特許文献３又は特許文献４に記載されるように、従前は、ヒートシンクを低熱膨張で高熱伝導率のアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により形成することで、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの線膨張差を小さくし、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りの低減を図っていた。しかし、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反り量の低減は十分とは言えず、さらなる改善が求められている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板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、セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、前記金属層に接合されたアルミニウムからなるアルミニウム層と、前記アルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、前記銅層に接合され、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクとを備え、前記金属層と前記アルミニウム層との間、前記アルミニウム層と前記銅層との間、前記銅層と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に、アルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層が形成されており、前記回路層の耐力をσ１（ＭＰａ）、前記回路層の厚みをｔ１（ｍｍ）、前記回路層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、前記金属層の耐力をσ２（ＭＰａ）、前記金属層の厚みをｔ２（ｍｍ）、前記金属層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とし、前記アルミニウム層の耐力をσ３（ＭＰａ）、前記アルミニウム層の厚みをｔ３（ｍｍ）、前記金属層と前記アルミニウム層との接合面積をＡ３（ｍｍ２）とし、前記銅層の耐力をσ４（ＭＰａ）、前記銅層の厚みをｔ４（ｍｍ）、前記アルミニウム層と前記銅層との接合面積をＡ４（ｍｍ２）としたときに、前記厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、前記厚みｔ２が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、前記厚みｔ３が３．０ｍｍ以下に形成され、前記厚みｔ４が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に形成されており、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内とされている。
ヒートシンクを形成するアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体は、セラミックス基板に近い線膨張率を有しているが、わずかながら線膨張率に差がある。このため、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合時に、セラミックス基板とヒートシンクとの接合面間に線膨張率差に起因する反りが生じ、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合不良が生じるおそれがある。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間にアルミニウム層と銅層とを設け、銅又は銅合金からなる金属層と、アルミニウムからなるアルミニウム層、銅又は銅合金からなる銅層、アルミニウム又はアルミニウム合金が含浸して形成させたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクとを順に積層し、銅とアルミニウムとを交互に積層した構造としており、これらの相互に接合された各層の間は、その表面に接合された部材中の金属原子、すなわち、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層を介して固相拡散接合されている。そして、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを固相拡散接合により、アルミニウム層と銅層とを介して接合することにより、各部材を互いに密着させて強固に接合するとともに、各部材を所定の厚みの範囲内で形成し、各部材の関係を比率（［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内）に調整することにより、接合時の反りを生じさせることなくヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成されている。
また、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に、応力緩衝効果の高いアルミニウム層を配設することにより、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの熱伸縮差に起因する熱応力をアルミニウム層で吸収でき、パワーモジュール用基板に対する冷熱サイクル時の負荷を緩和できる。また、剛性が高く、かつ線膨張係数がアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体やセラミックスよりも大きな銅層を配設することにより、セラミックス基板とヒートシンクとの線膨張差に起因する反りを低減でき、例えば半導体素子の接合等にヒートシンク付パワーモジュール用基板を加熱した際の熱伸縮によるセラミックス基板の割れ（クラック）の発生を抑制できる。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板を形成できる。
なお、回路層、金属層、アルミニウム層及び銅層の各厚みｔ１〜ｔ４は、拡散層を除いた厚みとされる。そして、回路層の厚みｔ１及び金属層の厚みｔ２が０．１ｍｍ未満では、セラミックス基板と回路層、セラミックス基板と金属層のそれぞれの接合に用いた接合材が加熱時に回路層の表面に染み出すおそれがあり、厚みｔ１及び厚みｔ２が３．０ｍｍを超えると、例えば、半導体素子を接合する際など、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加熱した場合に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがある。
また、アルミニウム層の厚みｔ３が３．０ｍｍを超えると、厚みｔ３を大きく（厚く）したことにより、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りが大きくなる。また、厚みｔ３を増したことによる熱抵抗が大きくなり、冷却性能を低下させる。
また、銅層の厚みｔ４が０．１ｍｍ未満では、銅層を設けたことによるヒートシンク付パワーモジュール用基板に生じる反りの低減の効果を十分に発揮できない。そして、厚みｔ４が５．０ｍｍを超えると、高剛性かつ高線膨張率である銅層からの大きな応力がセラミックス基板にかかるため、例えば、半導体素子を接合する際など、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を加熱した場合に、セラミックス基板に割れが生じるおそれがある。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記ヒートシンクの下面において、前記ヒートシンクと前記銅層との接合面の中心位置を測定範囲の中心として、該測定範囲の最大長さをＬ（ｍｍ）とし、前記ヒートシンクの変形量をＺ（ｍｍ）とし、２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）をＸとし、前記２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）をＹとしたときに、前記反りＸと前記反りＹとの差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされる。ここで、変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正、ヒートシンク下面側に凸の変形を負とする。
このように、２８５℃加熱時における反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘと、その加熱後に２８５℃から３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｙとの差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、低温時（３０℃）と高温時（２８５℃）とに生じる反りの変化も小さい。このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、電子部品を回路層へはんだ付けやワイヤーボンディング等する際に生じる反りや、パワーモジュールの冷熱サイクル負荷時に生じる反りが小さいので、電子部品のはんだ付け等の製造工程における作業性の向上や、加熱によるセラミックス基板の割れを防止できる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、温度変化に伴うセラミックス基板の割れの発生を抑制でき、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性を高めることができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す断面図である。 パワーモジュール用基板の斜視図である。 ヒートシンクの要部断面図である。 図１に示す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図であり、パワーモジュール用基板の製造工程を説明する断面図である。 図１に示す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図であり、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの接合工程を説明する断面図である。 金属層とアルミニウム層との接合界面の要部断面図である。 反りの測定範囲を説明する模式図であり、ヒートシンク付パワーモジュール用基板のヒートシンクの下面の平面図である。 反りの測定方法を説明する模式図であり、（ａ）測定範囲の平面図、（ｂ）反りが正のときの測定範囲の対角線上の断面図、（ｃ）反りが負のときの測定範囲の対角線上の断面図を示す。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を示す。このヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１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に接合されたアルミニウム層３１と、アルミニウム層３１に接合された銅層３２と、銅層３２に接合されたヒートシンク２０とを備え、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とアルミニウム層３１との間、アルミニウム層３１と銅層３２との間、銅層３２とヒートシンク２０との間に、それぞれアルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層３３，３４，３５が形成され、これらの拡散層３３，３４，３５を介して接合されている。
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り、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム），Ｓｉ３Ｎ４（窒化珪素），Ａｌ２Ｏ３（アルミナ），ＳｉＣ（炭化珪素）等の絶縁性の高いセラミックスで形成され、厚みが０．３２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、銅又は銅合金（好ましくは無酸素銅：ＯＦＣ）の銅板が接合されることにより形成されている。また、回路層１２の厚みｔ１は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。そして、回路層１２は、エッチング等により所定の回路パターンが形成されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、銅又は銅合金（好ましくは無酸素銅：ＯＦＣ）の銅板が接合されることにより形成されている。また、金属層１３の厚みｔ２は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に形成されている。
そして、パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の両面に回路層１２及び金属層１３が配設された構成とされる。なお、パワーモジュール用基板１０において、図１に示すように、回路層１２の厚みをｔ１（ｍｍ）とし、金属層１３の厚みをｔ２（ｍｍ）としたときに、回路層１２と金属層１３との関係が、比率（ｔ１／ｔ２）が０．７５以上１．２５未満の範囲内となるように調整されているとよい。この場合、回路層１２の厚みｔ１と金属層１３の厚みｔ２とがほぼ等しく、セラミックス基板１１の両面に等厚の回路層１２及び金属層１３が接合されているので、反りがほとんど生じない。そのため、パワーモジュール用基板１０と、後述するアルミニウム板及び銅板を介してヒートシンク２０とを接合する際に、パワーモジュール用基板１０とアルミニウム板との間に隙間が生じることを抑制し、接合性を向上させることができる。
なお、回路層１２には回路パターンが形成されており、図２に示すように、複数に分割されたパターン形状を有する場合には、各パターン形状のセラミックス基板１１との接合面積Ａ１（ｍｍ２）は、通常は金属層１３のセラミックス基板１１との接合面積Ａ２（ｍｍ２）の９０％程度の面積とされる。
アルミニウム層３１は、図１に示すように、金属層１３の下面に、アルミニウム板又はアルミニウム合金板が固相拡散接合されることにより形成されており、金属層１３とアルミニウム層３１とは、金属層１３の銅原子とアルミニウム層３１のアルミニウム原子とが相互拡散することにより、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層３３を形成して接合されている。アルミニウム層３１は、金属層１３の下面の全面に接合されており、アルミニウム層３１と金属層１３との接合面積Ａ３（ｍｍ２）は、金属層１３とセラミックス基板１１との接合面積Ａ２と同じ大きさとされる。そして、アルミニウム層３１の厚みｔ３が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に形成され、拡散層３３の厚みが２μｍ以上４０μｍ以下の範囲内に形成されている。
アルミニウム層３１に用いるアルミニウム板又はアルミニウム合金板としては、純度９９．９質量％以上のアルミニウム板（２Ｎ‐Ａｌ）や純度９９．９９質量％以上のアルミニウム板（４Ｎ‐Ａｌ）、Ａ３００３板やＡ６０６３板等を用いることができる。なお、アルミニウム層３１の厚みｔ３は、拡散層３３，３４の厚みを除いた厚みであり、拡散層３３，３４の厚みは含まれない。
また、銅層３２は、アルミニウム層３１の下面に、銅又は銅合金の銅板が固相拡散接合されることにより形成されており、アルミニウム層３１と銅層３２とは、アルミニウム層３１のアルミニウム原子と銅層３２の銅原子とが相互拡散することにより、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層３４を形成して接合されている。銅層３２は、アルミニウム層３１の下面の全面に接合されており、銅層３２とアルミニウム層３１との接合面積Ａ４（ｍｍ２）は、アルミニウム層３１と金属層１３との接合面積Ａ３（ｍｍ２）と、金属層１３とセラミックス基板１１との接合面積Ａ２と同じ大きさとされる。そして、銅層３２の厚みｔ４が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内に形成され、拡散層３４の厚みが２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に形成されている。なお、銅層３２の厚みｔ４は、拡散層３４，３５の厚みを除いた厚みであり、拡散層３４，３５の厚みは含まれない。
そして、図１に示すように、回路層１２の耐力をσ１（ＭＰａ）、回路層１２の厚みをｔ１（ｍｍ）、回路層１２とセラミックス基板１１との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、金属層１３の耐力をσ２（ＭＰａ）、金属層１３の厚みをｔ２（ｍｍ）、金属層１３とセラミックス基板１１との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とし、アルミニウム層３１の耐力をσ３（ＭＰａ）、アルミニウム層３１の厚みをｔ３（ｍｍ）、金属層１３とアルミニウム層３１との接合面積をＡ３（ｍｍ２）とし、銅層３２の耐力をσ４（ＭＰａ）、銅層３２の厚みをｔ４（ｍｍ）、アルミニウム層３１と銅層３２との接合面積をＡ４（ｍｍ２）としたときに、回路層１２と金属層１３とアルミニウム層３１と銅層３２との関係が、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内となるように調整されている。このときの耐力σ１〜σ４は、調質（識別）記号「Ｏ」の２５℃における耐力とされる。
ヒートシンク２０は、パワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、図１に示すように、銅層３２の下面に、固相拡散接合により接合されており、パワーモジュール用基板１０からアルミニウム層３１及び銅層３２を介して伝達された熱を冷却する。このヒートシンク２０は、図３に示すように、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる多孔質体２１にアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金が含浸され、多孔質体２１の表面に、内部に含浸されたアルミニウム又はアルミニウム合金の被覆層２２が形成されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体により、平板状に形成されている。
含浸されるアルミニウムとしては、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎ‐Ａｌ）や純度が９９．９９質量％のアルミニウム（４Ｎ‐Ａｌ）等の純アルミニウム、若しくはＡｌ：８０質量％以上９９．９９質量以下、Ｓｉ：０．０１質量％以上１３．５質量％以下、Ｍｇ：０．０３質量％以上５．０質量％以下、残部：不純物の組成を有するアルミニウム合金を用いることができる。また、ＡＤＣ１２やＡ３５６等のアルミニウム合金を用いることもできる。
また、ヒートシンク２０の厚みは、０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とすることができる。なお、ヒートシンク２０の厚みは、多孔質体２１の両面を被覆する被覆層２２の厚みを含んだ厚みである。被覆層２２の片面当たりの厚みは、ヒートシンク２０の厚みの０．０１倍以上０．１倍以下とすることが好ましい。また、銅層３２とヒートシンク２０の間には、銅層３２の銅原子とヒートシンク２０のアルミニウム原子とが相互拡散することにより、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層３５が形成されており、この拡散層３５の片面当たりの厚さは、ヒートシンク２０の厚さの０．０１倍以上０．１倍以下とすることが好ましい。
このように、多孔質体２１の表面に被覆層２２が形成されたヒートシンク２０は、例えば、多孔質体２１を、その周囲に所定の隙間を有するように設けられた型内に配置しておき、その型内に加熱溶融したアルミニウム又はアルミニウム合金を圧入して、加圧された状態で冷却することにより製造される。このように、アルミニウム等を圧入することで、アルミニウム等との濡れ性が悪い炭化珪素の多孔質体２１の内部にアルミニウム合金を含浸させることができ、さらに多孔質体２１の周囲の隙間にアルミニウム等を充填して、多孔質体２１の表面に所定の厚みの被覆層２２を形成できる。なお、形成された被覆層２２を切削加工することにより、被覆層２２の厚みを調整してもよい。
なお、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の好ましい組み合わせ例として、パワーモジュール用基板１０の各部材は、例えばセラミックス基板１１が厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ（窒化アルミニウム）、回路層１２が厚み０．３ｍｍのＯＦＣ（無酸素銅、耐力σ１：２００ＭＰａ）、金属層１３が厚み０．３ｍｍのＯＦＣ（無酸素銅、耐力σ２：２００ＭＰａ）により構成され、アルミニウム層３１が厚み０．２５ｍｍの４Ｎ‐Ａｌ（いわゆる４Ｎアルミニウム、耐力σ３：２８ＭＰａ）、銅層３２が厚み２．０ｍｍのＯＦＣ（無酸素銅、耐力σ４：２００ＭＰａ）で構成され、それぞれの接合面積Ａ１〜Ａ４が１３６９ｍｍ２の場合、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］＝０．１３となる。また、ヒートシンク２０は、アルミニウム等がＡｌ‐Ｓｉ系合金で構成され、全体の厚みが５．０ｍｍで、被覆層２２の厚みが１００μｍ程度で構成され、拡散層３３，３４，３５の各厚みが２５μｍ程度とされる。
なお、各部材の線膨張率は、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１が４．５×１０−６／Ｋ、ＯＦＣからなる回路層１２、金属層１３及び銅層３２が１７．７×１０−６／Ｋ、４Ｎ‐Ａｌからなるアルミニウム層３１が２３．６×１０−６／Ｋ、Ａｌ‐Ｓｉ系合金を含浸したアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンク２０が８．５×１０−６／Ｋとされる。
そして、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の回路層１２の上面に半導体素子等の電子部品８０が搭載され、パワーモジュールが製造される。なお、電子部品８０は、回路層１２の上面にＳｎ‐Ｃｕ、Ｓｎ‐Ｃｕ‐Ｎｉ等のはんだ材によりはんだ接合され、電子部品８０と回路層１２との間には、厚み５０μｍ〜２００μｍ程度のはんだ接合部が形成される。
以下、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の製造工程を説明する。
まず、回路層１２となる銅板とセラミックス基板１１、金属層１３となる銅板とセラミックス基板１１を接合する。回路層１２となる銅板及び金属層１３となる銅板と、セラミックス基板１１との接合は、いわゆる活性金属ろう付け法によって実施した。
詳細には、セラミックス基板１１の上面にＡｇ‐Ｃｕ‐ＴｉやＡｇ‐Ｔｉ等の活性金属ろう材を介して回路層１２となる銅板を積層するとともに、セラミックス基板１１の下面にも同様の活性金属ろう材を介して金属層１３となる銅板を積層する。そして、これらの銅板、活性金属ろう材、セラミックス基板１１を積層した積層体を、図４に示すように、その積層方向に０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内で加圧した状態で加熱し、回路層１２となる銅板とセラミックス基板１１、金属層１３となる銅板とセラミックス基板１１をそれぞれ接合して、パワーモジュール用基板１０を製造する。この際の加熱条件は、例えば加熱温度が８５０℃、加熱時間が１０分とされる。
次に、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面に、アルミニウム層３１及び銅層３２を介して、ヒートシンク２０を接合する。
パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合には、図５に示すように、凸曲面状の加圧面５１ａを有する加圧板５１と、凹曲面状の加圧面５２ａを有する加圧板５２とを有する加圧治具５０を用いることが好ましい。二枚の加圧板５１，５２には、それぞれ対向する加圧面５１ａ，５２ａを、曲率半径Ｒが３０００ｍｍ〜７０００ｍｍとされる曲面を有する凹面又は凸面に形成するとよい。この場合、図５に示すように、ヒートシンク２０の下面を積層方向に加圧する加圧板５２の加圧面５２ａが凹面で形成され、パワーモジュール用基板１０の上面（回路層１２の上面）を積層方向に加圧する加圧板５１の加圧面５１ａが凸面で形成されている。なお、図示は省略するが、加圧治具５０には、加圧板５１，５２を積層方向に付勢して加圧力を付与するばね等の付勢手段が備えられている。なお、加圧板５１，５２として、平板を用いることもできる。
そして、このように構成される加圧治具５０の加圧板５１と加圧板５２との間に、パワーモジュール用基板１０、アルミニウム層３１となるアルミニウム板、銅層３２となる銅板、ヒートシンク２０を順に重ねて配置し、これらを積層方向に挟んだ状態とする。この際、これらを重ねた積層体は、加圧板５１の加圧面５１ａと加圧板５２の加圧面５２ａとにより、積層方向（厚み方向）に加圧され、ヒートシンク２０の下面を下方に向けて凸状とする変形（反り）を生じさせた状態に保持される。そして、この積層体を、この加圧治具５０による加圧状態で加熱することにより、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面とアルミニウム層３１の上面、アルミニウム層３１の下面と銅層３２の上面、銅層３２の下面とヒートシンク２０の上面とを、それぞれ固相拡散接合により接合する。
この場合、固相拡散接合は、真空雰囲気中で、加圧荷重（加圧力）０．１ＭＰａ〜３．５ＭＰａ、加熱温度４５０℃以上５４８℃未満の加熱温度で、５分〜２４０分保持することにより行う。これにより、金属層１３とアルミニウム層３１、アルミニウム層３１と銅層３２、銅層３２とヒートシンク２０とは、銅原子とアルミニウム原子とが相互拡散することにより、各層の間に銅とアルミニウムとの金属間化合物を有する拡散層３３，３４，３５が形成され、これらの拡散層３３，３４，３５を介して接合される。
なお、各拡散層３３，３４，３５の厚みは、接合時間に応じて増加し、各拡散層３３，３４，３５が同程度の厚みに形成される。また、各拡散層３３，３４，３５の厚みは、２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に形成される。
ここで、アルミニウム（アルミニウム層３１、ヒートシンク２０）と銅（金属層１３、銅層３２）との間における固相拡散接合について、アルミニウム層３１と金属層１３との接合を例として図６を参照して説明する。
アルミニウム層３１と金属層１３とは、アルミニウム層３１のアルミニウム原子と金属層１３の銅原子とが相互拡散することにより、アルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層３３を形成して接合される。拡散層３３は、図６に示すように、アルミニウム原子と銅原子との存在比率に応じて複数の組成の金属間化合物４１，４２，４３が界面に沿って積層された構成とされている。つまり、拡散層３３のアルミニウム層３１側の領域では、アルミニウム原子の存在比率が高く、アルミニウムの含有量が多い金属間化合物相が形成され、拡散層３３の金属層１３側の領域では、銅原子の存在比率が高く、銅の含有量が多い金属間化合物相が形成される。図６に示す例では、拡散層３３は、アルミニウム層３１側から金属層１３側に向けて、順にθ相４３、η２相４２、ζ２相４１の３種の金属間化合物が積層された構成とされている。
なお、拡散層３３は、アルミニウム層３１側から金属層１３側に向けて順に、接合界面に沿って、θ相、η２相が積層され、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層された構造であってもよい。拡散層３４，３５においても、同様である。
次に、このようにして接合されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合体を、加圧治具５０に取り付けた状態、つまり、加圧した状態で、３０℃まで冷却する。この場合、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との接合体は、加圧治具５０により厚み方向に加圧され、ヒートシンク２０の下面を下方に向けた凸状の反りとする変形を生じさせた状態で拘束されている。このため、冷却に伴う接合体の形状は見かけ上は変化がないように見えるが、応力に抗して加圧され、冷却時に反りとしての変形ができない状態に拘束されている結果、塑性変形が生じる。そして、３０℃まで冷却した後に、加圧治具５０による加圧を解放してヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を製造する。
ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、このように平坦に形成されたパワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との間に、アルミニウム層３１と銅層３２とを積層して、各部材を固相拡散接合により接合することにより、各部材を互いに密着させて強固に接合できるとともに、各部材を所定の厚みの範囲内で形成し、各部材の関係を比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内に調整することにより、接合時の反りを生じさせることなくヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１が形成される。そして、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の金属層１３とアルミニウム層３１との間、アルミニウム層３１と銅層３２との間、銅層３２とヒートシンク２０（アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体）との間の、これらの相互に接合させた各層の間は、その表面に接合された部材中の金属原子、すなわち、銅とアルミニウムとからなる金属間化合物を有する拡散層３３，３４，３５を介して接合される。
また、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との間に、応力緩衝効果の高いアルミニウム層３１を配設することにより、パワーモジュール用基板１０とヒートシンク２０との熱伸縮差に起因する熱応力をアルミニウム層３１で吸収でき、パワーモジュール用基板１０に対する冷熱サイクル時の負荷を緩和できる。また、剛性が高く、かつ線膨張係数がアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体やセラミックスよりも大きな銅層３２を配設することにより、セラミックス基板１０とヒートシンク２０との線膨張差に起因する反りを低減でき、例えば半導体素子の接合等にヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した際の熱伸縮によるセラミックス基板１０の割れ（クラック）の発生を抑制できる。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクルに対する信頼性の高いヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を形成できる。
そして、このように構成されるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１では、ヒートシンク２０の下面（裏面）において、図７及び図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、ヒートシンク２０と銅層３２との接合面の中心位置Ｃを測定範囲Ｅの中心として、その測定範囲Ｅの最大長さをＬとし、ヒートシンク２０の変形量をＺとしたときに、２８５℃まで加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＸとし、２８０℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値をＹとしたときに、これらの反りＸと反りＹとの差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下となり、高温時（２８５℃）と低温時（３０℃）と反りの変化量を小さくできる。なお、ここで、ヒートシンク２０の変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正、ヒートシンク２０の下面側に凸の変形を負とした。
なお、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１においては、２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘが−５０×１０−６（ｍｍ−１）以上５０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされ、２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｙが−５０×１０−６（ｍｍ−１）以上５０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされる。
反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘ及び値Ｙが、５０×１０−６（ｍｍ−１）を超える場合では、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を水冷式冷却器などに締結した際に、ヒートシンク２０と水冷式冷却器との間に使用するグリースの量が多く必要となり、熱抵抗が上昇するおそれがある。また、反り（Ｚ／Ｌ２）の値Ｘ及びの値Ｙが、−５０×１０−６（ｍｍ−１）未満となった場合、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を水冷式冷却器などに締結した際に、セラミックス基板１１に負荷がかかり、割れなどが生じるおそれがある。
なお、回路層の厚みｔ１及び金属層の厚みｔ２が０．１ｍｍ未満では、セラミックス基板１１と回路層１２、セラミックス基板１１と金属層１３のそれぞれの接合に用いた接合材が加熱時に回路層１２の表面にしみだすおそれがあり、厚みｔ１及び厚みｔ２が３．０ｍｍを超えると、例えば、半導体素子を接合する際等のヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した場合に、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがある。
また、アルミニウム層３１の厚みｔ３が３．０ｍｍを超えると、ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１の反りが大きくなるとともに、厚みｔ３を増したことによる熱抵抗が大きくなり、冷却性能を低下させる。なお、アルミニウム層３１の厚みｔ３は、０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。厚みｔ３が０．０１ｍｍ未満であると、金属層１３とアルミニウム層３１、及びアルミニウム層３１と銅層３２との、接合性が低下するおそれがある。
また、銅層３２の厚みｔ４が０．１ｍｍ未満では、銅層３２を設けたことによるヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１に生じる反りの低減の効果を十分に発揮できない。そして、厚みｔ４が５．０ｍｍを超えると、高剛性かつ高線膨張率である銅層３２からの大きな応力がセラミックス基板１１にかかるため、例えば、半導体素子を接合する等ヒートシンク付パワーモジュール用基板１０１を加熱した場合に、セラミックス基板１１に割れが生じるおそれがある。
なお、本発明は、上記実施形態のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。
表１に記載されるように、回路層の材質（耐力σ１）、回路層の厚みｔ１及び接合面積Ａ１と、金属層の材質（耐力σ２）、金属層の厚みｔ２及び接合面積Ａ２と、アルミニウム層の材質（耐力σ３）、アルミニウム層の厚みｔ３及び接合面積Ａ３と、銅層の材質（耐力σ４）、銅層の厚みｔ４及び接合面積Ａ４とを変更したヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。各ヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の両側に回路層と金属層とを配設したパワーモジュール用基板を製造した後、各パワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとをアルミニウム層及び銅層を介して固相拡散接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板の試料を製造した。
回路層となる銅板には、表１に示されるように、ＯＦＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力：２００ＭＰａ）やＺＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力：２７０ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。また、金属層となる銅板には、ＯＦＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力：２００ＭＰａ）やＺＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力：２７０ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。セラミックス基板は、ＡｌＮ（線膨張率：４．５×１０−６／Ｋ）からなる厚み０．６３５ｍｍ、平面サイズ４０ｍｍ×４０ｍｍの矩形板を用いた。そして、各銅板とセラミックス基板との接合にはＡｇ‐Ｔｉ系活性金属ろう材を用い、銅板、活性金属ろう材、セラミックス基板を積層し、積層方向に加圧荷重０．１ＭＰａ、加熱温度８５０℃、加熱時間１０分で加圧・加熱して、回路層となる銅板とセラミックス基板、金属層となる銅板とセラミックス基板をそれぞれ接合して、パワーモジュール用基板を製造した。
アルミニウム層となるアルミニウム板には、４Ｎ‐Ａｌ（線膨張率：２３．６×１０−６／Ｋ、耐力：２８ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。また、銅層となる銅板には、ＯＦＣ（線膨張率：１７．７×１０−６／Ｋ、耐力２００ＭＰａ）からなる平面サイズが３７ｍｍ×３７ｍｍの矩形板を用いた。
なお、表１の接合面積Ａ１〜Ａ４は、それぞれ回路層、金属層、アルミニウム層、銅層となる金属板の平面サイズから算出した値であり、これらの値を用いて表２に示す比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］を算出した。
また、ヒートシンクは、炭化珪素（ＳｉＣ）にＡｌ‐Ｓｉ系合金を含浸したアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体（線膨張率：８．５×１０−６／Ｋ）からなり、全体が厚み５．０ｍｍ、平面サイズ５０ｍｍ×６０ｍｍの矩形板とされ、表裏面の被覆層が１００μｍに形成されたものを用いた。そして、これらのパワーモジュール用基板、アルミニウム板、銅板、ヒートシンクを順に積層し、表１に記載したように、曲率半径Ｒの加圧面を有する加圧板を用いて、真空雰囲気中で、加圧荷重２．１ＭＰａ、加熱温度５１０℃、加熱時間１５０分で加圧・加熱して、各層を固相拡散接合により接合して、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造した。なお、曲率半径Ｒが「∞」の場合は、加圧面が平面であることを表す。
そして、得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板の各試料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、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）を用いてイオンエッチングした後に観察し、金属層とアルミニウム層との接合界面に形成された拡散層の厚さ、アルミニウム層の厚さ、アルミニウム層と銅層との接合界面に形成された拡散層の厚さの３つを測定した。
アルミニウム層と各拡散層の厚さは、金属層、アルミニウム層及び銅層の接合界面の厚さ方向にＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ‐８５３０Ｆ、加速電圧：１５ｋＶ、スポット径：１μｍ以下、倍率：５００倍、間隔：０．３μｍ）によるライン分析を行うことにより測定した。ライン分析において、（１）アルミニウム（Ａｌ）濃度が９０ａｔｍ％以上となる箇所をアルミニウム層とし、（２）銅（Ｃｕ）濃度が９９ａｔｍ％以上となる箇所を銅層とし、（３）アルミニウム濃度が９０ａｔｍ％未満で、かつ、銅（Ｃｕ）濃度が９９ａｔｍ％未満となる箇所を拡散層であるとし、それぞれの厚さを測定した。そして、得られたアルミニウム層の厚さと、アルミニウム層の両側に形成された各拡散層の厚さから、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を構成する金属層、銅層、厚みを算出した。なお、拡散層の厚みは、金属層とアルミニウム層との接合界面に形成された拡散層の厚みと、アルミニウム層と銅層との接合界面に形成された拡散層の厚みとの平均値とした。
そして、このように構成されたヒートシンク付パワーモジュール用基板の各試料について、「変形量Ｚ」、「セラミックス割れ」、「素子位置ずれ」を、それぞれ評価した。
変形量Ｚの測定は、（１）２８０℃加熱時、（２）２８０℃加熱後に３０℃まで冷却したときの測定を行った。そして、各時点におけるヒートシンク下面（裏面）の平面度の変化を、ＪＥＳＤ２２Ｂ１１２やＪＥＩＴＡ ＥＤ−７３０６に準拠するモアレ干渉法により測定した。
モアレ干渉法は、一定のピッチ、幅で形成された回折格子を介して測定光を測定面に照射し、その測定面で散乱した散乱光を回折格子を介して撮像部で撮像することにより、モアレ干渉縞を得て、そのモアレ干渉縞と回折格子のピッチや幅等の情報に基づいて、測定面の変形量を測定する方法である。なお、測定装置は、ＡｋｒｏＭｅｔｒｉｘ社製のＴｈｅｒｍｏｉｒｅ ＰＳ２００を用いた。
本実施例では、図７に示すように、ヒートシンク２０と銅層３２との接合面の中心位置Ｃを測定範囲Ｅの中心として、その測定範囲Ｅ（図８（ａ）〜（ｃ）参照）におけるヒートシンクの下面の変形量Ｚを測定した。また、変形量Ｚは、回路層側に凸の変形を正とし、ヒートシンク下面側に凸の変形を負とした。
測定範囲Ｅは、図７及び図８（ａ）に示すように、Ｗ：３６ｍｍ×Ｈ：３６ｍｍの矩形状の範囲であり、この場合、測定範囲Ｅの対角線の長さが最大長さＬとなる。また、変形量Ｚは、図８（ｂ）又は（ｃ）に示すように、測定範囲Ｅの対角線上における測定値の最大値と最小値との差である。そして、変形量Ｚと最大長さＬから、反り（Ｚ／Ｌ２）を算出した。
セラミックス割れは、上記加熱試験後に超音波探傷器によってセラミックス基板を観察し、セラミックス基板にクラックが生じていれば不合格「×」、クラックが生じていなければ合格「○」を判定した。
また、素子位置ずれは、電子部品を回路層にはんだ付けした後に、そのはんだ付け位置を計測することにより、位置ずれ発生の有無を、試料を３０個製作して確認した。そして、０．２ｍｍ以上の位置ずれが生じた場合を不合格とし、０．２ｍｍ未満の位置ずれの場合は合格と評価した。
そして、試料３０個について行った各評価において、合格の比率が９０％以上の場合を「○」、合格の比率が９０％未満の場合を「×」と評価した。表３に結果を示す。
Figure 0006717238
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表１〜３からわかるように、厚みｔ１と厚みｔ２が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、アルミニウム層の厚みｔ３が３．０ｍｍ以下、銅層の厚みｔ４が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下で、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７以下の範囲内とされるＮｏ．１〜２９の試料については、差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下となった。そして、これらＮｏ．１〜２９の試料においては、「セラミックス割れ」、「素子位置ずれ」のいずれの評価においても良好な結果が得られた。
一方、厚みｔ１や厚みｔ２、比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］、厚み３、厚みｔ４の条件が、上記範囲から外れるＮｏ．１００〜１０５の試料や銅層及びアルミニウム層を設けなかったＮｏ．１０６の試料については、差分（Ｙ−Ｘ）が−１８×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下の範囲から外れ、反りの変化量が大きくなり、「素子位置ずれ」が発生した試料や、「セラミックス割れ」が発生した試料が確認された。
１０ パワーモジュール用基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
２０ ヒートシンク
２１ 多孔質体
２２ 被覆層
３１ アルミニウム層
３２ 銅層
３３，３４，３５ 拡散層
５０ 加圧治具
５１，５２ 加圧板
１０１ ヒートシンク付パワーモジュール用基板

Claims (2)

  1. セラミックス基板の一方の面に銅又は銅合金からなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面に銅又は銅合金からなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、
    前記金属層に接合されたアルミニウムからなるアルミニウム層と、
    前記アルミニウム層に接合された銅又は銅合金からなる銅層と、
    前記銅層に接合され、炭化珪素からなる多孔質体にアルミニウム又はアルミニウム合金が含浸されたアルミニウム含浸炭化珪素多孔質体からなるヒートシンクとを備え、
    前記金属層と前記アルミニウム層との間、前記アルミニウム層と前記銅層との間、前記銅層と前記アルミニウム含浸炭化珪素多孔質体との間に、アルミニウムと銅との金属間化合物を有する拡散層が形成されており、
    前記回路層の耐力をσ１（ＭＰａ）、前記回路層の厚みをｔ１（ｍｍ）、前記回路層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ１（ｍｍ２）とし、前記金属層の耐力をσ２（ＭＰａ）、前記金属層の厚みをｔ２（ｍｍ）、前記金属層と前記セラミックス基板との接合面積をＡ２（ｍｍ２）とし、前記アルミニウム層の耐力をσ３（ＭＰａ）、前記アルミニウム層の厚みをｔ３（ｍｍ）、前記金属層と前記アルミニウム層との接合面積をＡ３（ｍｍ２）とし、前記銅層の耐力をσ４（ＭＰａ）、前記銅層の厚みをｔ４（ｍｍ）、前記アルミニウム層と前記銅層との接合面積をＡ４（ｍｍ２）としたときに、
    前記厚みｔ１が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、
    前記厚みｔ２が０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成され、
    前記厚みｔ３が３．０ｍｍ以下に形成され、
    前記厚みｔ４が０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に形成されており、
    比率［（σ１×ｔ１×Ａ１）／｛（σ２×ｔ２×Ａ２）＋（σ３×ｔ３×Ａ３）＋（σ４×ｔ４×Ａ４）｝］が０．０６以上０．７０以下の範囲内と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. 前記ヒートシンクの下面において、
    前記ヒートシンクと前記銅層との接合面の中心位置を測定範囲の中心として、該測定範囲の最大長さをＬ（ｍｍ）とし、
    前記ヒートシンクの変形量をＺ（ｍｍ）とし、
    ２８５℃に加熱したときの反り（Ｚ／Ｌ２）をＸとし、
    前記２８５℃に加熱した後に３０℃まで冷却したときの反り（Ｚ／Ｌ２）をＹとしたときに、
    前記反りＸと前記反りＹとの差分（Ｙ−Ｘ）が−１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以上１８．０×１０−６（ｍｍ−１）以下とされることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
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