JP6885104B2 - 絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、絶縁層と、この絶縁層の少なくとも片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、を備えた絶縁回路基板の製造方法に関するものである。
パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
また、上述の絶縁回路基板においては、絶縁層の一方の面に導電性に優れた金属板を接合して回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層を形成した構造のものも提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等において発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁層の他方の面側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
また、上述の絶縁回路基板においては、絶縁層の一方の面に導電性に優れた金属板を接合して回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層を形成した構造のものも提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等において発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁層の他方の面側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
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形成されるとともに他方の面にアルミニウム板からなる金属層が形成された絶縁回路基板と、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、を備えたパワーモジュールが開示されている。また、この特許文献１には、絶縁回路基板とヒートシンクを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板が開示されている。
さらに、特許文献２には、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造のＬＥＤモジュールが開示されている。
さらに、特許文献２には、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造のＬＥＤモジュールが開示されている。
ところで、上述の絶縁回路基板においては、セラミックス基板にろう材等の接合材を介してアルミニウム板を積層し、これを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、セラミックス基板とアルミニウム板とを接合している。
ここで、接合材としてろう材箔を用いた場合には、ろう材箔の位置ズレが生じ、セラミックス基板とアルミニウム板とを良好に接合できないことがあった。
そこで、本体層とろう材層とを有するクラッド材を準備し、このクラッド材をろう材層がセラミックス基板側に位置するように積層して接合することにより、アルミニウム層を形成する技術が提案されている。
ここで、接合材としてろう材箔を用いた場合には、ろう材箔の位置ズレが生じ、セラミックス基板とアルミニウム板とを良好に接合できないことがあった。
そこで、本体層とろう材層とを有するクラッド材を準備し、このクラッド材をろう材層がセラミックス基板側に位置するように積層して接合することにより、アルミニウム層を形成する技術が提案されている。
上述の絶縁回路基板においては、回路層及び金属層として、純度が９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムが使用されることがある。しかしながら、この４Ｎアルミニウムは比較的軟らかく、ろう材層を構成するＡｌ−Ｓｉ合金等とのクラッド材を製造することは困難であった。このため、本体層としては、例えばＡ３００３等のアルミニウム合金が用いられる。
ここで、クラッド材の本体層を形成するＡ３００３等のアルミニウム合金は、４Ｎアルミニウムに比べて融点が低いため、接合時の加熱温度を低く設定する必要があり、接合が不十分となるおそれがあった。そこで、接合性を向上させるために、ろう材層を厚く形成したり、ろう材層に含まれるＳｉ等の融点降下元素の含有量を増加させたりした場合には、接合時に液相が過剰に生成し、ろうの浸み出しが発生し、回路パターン等が短絡したり、絶縁回路基板の耐圧性能が低下したりするおそれがあった。
ここで、クラッド材の本体層を形成するＡ３００３等のアルミニウム合金は、４Ｎアルミニウムに比べて融点が低いため、接合時の加熱温度を低く設定する必要があり、接合が不十分となるおそれがあった。そこで、接合性を向上させるために、ろう材層を厚く形成したり、ろう材層に含まれるＳｉ等の融点降下元素の含有量を増加させたりした場合には、接合時に液相が過剰に生成し、ろうの浸み出しが発生し、回路パターン等が短絡したり、絶縁回路基板の耐圧性能が低下したりするおそれがあった。
特に、最近では、絶縁回路基板には従来にも増して厳しい冷熱サイクルが負荷される傾向にあり、さらに、回路パターンの微細化が図られており、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おり、クラッド材を用いて回路層や金属層を形成することは困難であった。
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、アルミニウム合金からなる本体層とろう材層とを備えたクラッド材を用いてアルミニウム層を形成した場合でも、ろうの浸み出しを抑制することができるとともにアルミニウム層と絶縁層との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の少なくとも片方の面に形成されたアルミニウム層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前記アルミニウム層は、本体層とろう材層とを備えたクラッド材が接合されることによって形成されており、前記本体層は、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上のアルミニウム合金で構成されており、前記ろう材層は、Ｓｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下、かつ、Ｍｇの含有量が０．００５原子％以下とされたアルミニウム合金で構成されており、前記絶縁層と前記クラッド材を積層した積層体を、積層方向に加圧した状態で所定の加熱温度まで加熱し、前記絶縁層と前記クラッド材を接合してアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程を有し、このアルミニウム層形成工程においては、積層方向の加圧荷重を０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の範囲内とし、加熱温度を６１０℃以上６４０℃以下の範囲内とすることを特徴としている。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、本体層とろう材層とを備えたクラッド材を用いており、前記ろう材層は、Ｓｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下、かつ、Ｍｇの含有量が０．００５原子％以下とされたアルミニウム合金で構成されているので、接合時に液相が過剰に生成せず、ろうの浸み出しを抑制するとともに、絶縁層とアルミニウム層を確実に接合することができる。
そして、積層方向の加圧荷重が０．５ＭＰａ以上と比較的高く設定されているので、 絶縁層とアルミニウム層との接合信頼性に優れている。一方、積層方向の加圧荷重が２．０ＭＰａ以下とされているので、クラッド材が押し潰され変形することがないため、ろうの浸み出しを抑制することができる。
また、加熱温度が６４０℃以下とされているので、接合時に本体層が溶融することが抑制されるとともに、接合時に過剰な液相が生成せず、ろうの浸み出しを抑制することができる。一方、加熱温度が６１０℃以上とされているので、接合時に液相が確保され、絶縁層とアルミニウム層を確実に接合することができる。
そして、積層方向の加圧荷重が０．５ＭＰａ以上と比較的高く設定されているので、 絶縁層とアルミニウム層との接合信頼性に優れている。一方、積層方向の加圧荷重が２．０ＭＰａ以下とされているので、クラッド材が押し潰され変形することがないため、ろうの浸み出しを抑制することができる。
また、加熱温度が６４０℃以下とされているので、接合時に本体層が溶融することが抑制されるとともに、接合時に過剰な液相が生成せず、ろうの浸み出しを抑制することができる。一方、加熱温度が６１０℃以上とされているので、接合時に液相が確保され、絶縁層とアルミニウム層を確実に接合することができる。
ここで、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記クラッド材の本体層の厚さが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、ろう材層の厚さが０．００５ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記クラッド材の本体層の厚さが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされているので、導電性及び熱伝導性等のアルミニウム層としての特性を確保することができる。さらに、ろう材層の厚さが０．００５ｍｍ以上とされているので、接合時に液相が確保され、絶縁層とアルミニウム層を確実に接合することができる。一方、ろう材層の厚さが０．０２ｍｍ以下とされているので、接合時に過剰な液相が生成せず、ろうの浸み出しを抑制することができる。
この場合、前記クラッド材の本体層の厚さが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされているので、導電性及び熱伝導性等のアルミニウム層としての特性を確保することができる。さらに、ろう材層の厚さが０．００５ｍｍ以上とされているので、接合時に液相が確保され、絶縁層とアルミニウム層を確実に接合することができる。一方、ろう材層の厚さが０．０２ｍｍ以下とされているので、接合時に過剰な液相が生成せず、ろうの浸み出しを抑制することができる。
本発明によれば、アルミニウム合金からなる本体層とろう材層とを備えたクラッド材を用いてアルミニウム層を形成した場合でも、ろうの浸み出しを抑制することができるとともにアルミニウム層と絶縁層との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。
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。
図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板１０、及び、この絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板１０、及び、この絶縁回路基板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、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０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、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク３１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）とされている。
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。
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。
ヒートシンク３１は、絶縁回路基板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、熱伝導性が良好な銅又は銅合金で構成されており、本実施形態においては、無酸素銅で構成されている。このヒートシンク３１の厚さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
絶縁回路基板１０は、図１に示すように、絶縁層とな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、絶縁性の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下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）に形成されており、導電性を有する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されている。この回路層１２の厚さは、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
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）に形成されており、熱伝導性に優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されている。この金属層１３の厚さは、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
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）に形成されており、熱伝導性に優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されている。この金属層１３の厚さは、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
次に、本実施形態である絶縁回路基板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の一方の面に第１クラッド材２２を積層するとともに、セラミックス基板の他方の面に第２クラッド材２３を積層する（クラッド材積層工程Ｓ０１）。
まず、図３で示すように、セラミックス基板１１の一方の面に第１クラッド材２２を積層するとともに、セラミックス基板の他方の面に第２クラッド材２３を積層する（クラッド材積層工程Ｓ０１）。
第１クラッド材２２及び第２クラッド材２３は、図５に示すように、それぞれ本体層２２ａ、２３ａとろう材層２２ｂ、２３ｂとが積層された構造とされている。
ここで、第１クラッド材２２の本体層２２ａ及び第２クラッド材２３の本体層２３ａは、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上のアルミニウム合金で構成されており、本実施形態においては、Ａ３００３合金で構成されている。
ここで、第１クラッド材２２の本体層２２ａ及び第２クラッド材２３の本体層２３ａは、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上のアルミニウム合金で構成されており、本実施形態においては、Ａ３００３合金で構成されている。
そして、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂ及び第２クラッド材２３のろう材層２３ｂは、Ｓｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下、かつ、Ｍｇの含有量が０．００５原子％以下とされたアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、Ａ４３４３合金で構成されている。
なお、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂ及び第２クラッド材２３のろう材層２３ｂを構成するアルミニウム合金においては、Ｓｉの含有量の下限が５原子％以上であることが好ましく、上限が１０．５原子％以下であることが好ましい。
なお、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂ及び第２クラッド材２３のろう材層２３ｂを構成するアルミニウム合金においては、Ｓｉの含有量の下限が５原子％以上であることが好ましく、上限が１０．５原子％以下であることが好ましい。
また、本実施形態における第１クラッド材２２の本体層２２ａ及び第２クラッド材２３の本体層２３ａの厚さｔａが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされている。また、第１クラッド材２２のろう材層２２及び第２クラッド材２３のろう材層２３ｂの厚さｔｂが０．００５ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下の範囲内とされている。
また、第１クラッド材２２及び第２クラッド材２３の本体層２２ａ、２３ａの厚さｔａと、第１クラッド材２２及び第２クラッド材２３のろう材層２２ｂ、２３ｂの厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．００３５以上０．１５以下の範囲内とされている。
また、第１クラッド材２２及び第２クラッド材２３の本体層２２ａ、２３ａの厚さｔａと、第１クラッド材２２及び第２クラッド材２３のろう材層２２ｂ、２３ｂの厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．００３５以上０．１５以下の範囲内とされている。
更に具体的には、回路層１２となる第１クラッド材２２の本体層２２ａの厚さｔａ１が０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされており、金属層１３となる第２クラッド材２３の本体層２３ａの厚さｔａ２が０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされている。
また、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂの厚さｔｂ１が０．００５ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下の範囲内とされており、金属層１３となる第２クラッド材２３のろう材層２２ｂの厚さｔｂ２が０．００５ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下の範囲内とされている。
さらに、第１クラッド材２２の本体層２２ａの厚さｔａ１と第１クラッド材２２のろう材層２２ｂの厚さｔｂ１との比ｔｂ１／ｔａ１、及び、第２クラッド材２３の本体層２３ａの厚さｔａ２と第３クラッド材２３のろう材層２３ｂの厚さｔｂ２との比ｔｂ２／ｔａ２が、それぞれ０．００３５以上０．１５以下の範囲内とされている。
また、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂの厚さｔｂ１が０．００５ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下の範囲内とされており、金属層１３となる第２クラッド材２３のろう材層２２ｂの厚さｔｂ２が０．００５ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下の範囲内とされている。
さらに、第１クラッド材２２の本体層２２ａの厚さｔａ１と第１クラッド材２２のろう材層２２ｂの厚さｔｂ１との比ｔｂ１／ｔａ１、及び、第２クラッド材２３の本体層２３ａの厚さｔａ２と第３クラッド材２３のろう材層２３ｂの厚さｔｂ２との比ｔｂ２／ｔａ２が、それぞれ０．００３５以上０．１５以下の範囲内とされている。
次に、第１クラッド材２２、セラミックス基板１１、第２クラッド材２３の積層体を、積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、第１クラッド材２２とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成し、第２クラッド材２３とセラミックス基板１１とを接合して金属層１３を形成する（回路層及び金属層形成工程Ｓ０２）。
この回路層及び金属層形成工程Ｓ０２における接合条件は、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６１０℃以上６４０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は１０分以上９０分以下の範囲内に設定されている。
そして、積層方向への加圧荷重が、０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下（５ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内とされている。
この回路層及び金属層形成工程Ｓ０２における接合条件は、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は６１０℃以上６４０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は１０分以上９０分以下の範囲内に設定されている。
そして、積層方向への加圧荷重が、０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下（５ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内とされている。
なお、加圧荷重の下限は０．７ＭＰａ以上（７ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることが好ましい。一方、加圧荷重の上限は１．６ＭＰａ以上（１６ｋｇｆ／ｃｍ２以上）とすることがさらに好ましい。
また、加熱温度の下限は６３０℃以上とすることが好ましい。一方、加熱温度の上限は６３８℃以下とすることが好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は１５分以上とすることが好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は６０分以下とすることが好ましい。
また、加熱温度の下限は６３０℃以上とすることが好ましい。一方、加熱温度の上限は６３８℃以下とすることが好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は１５分以上とすることが好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は６０分以下とすることが好ましい。
以上のような工程によって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
次に、図４に示すように、この絶縁回路基板１０の金属層１３の他方側（図４において下側）にヒートシンク３１を積層し、これを積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウムと銅との共晶温度未満の加熱温度で保持することにより、金属層１３とヒートシンク３１を固相拡散接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。
このヒートシンク接合工程Ｓ０３における接合条件は、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は５１０℃以上５４０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間が１０分以上９０分以下、加圧荷重が０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下（５ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内とされている。
このヒートシンク接合工程Ｓ０３における接合条件は、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は５１０℃以上５４０℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間が１０分以上９０分以下、加圧荷重が０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下（５ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内とされている。
次いで、回路層１２の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、加熱炉内においてはんだ接合する（半導体素子接合工程Ｓ０４）。
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。
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である絶縁回路基板１０の製造方法によれば、回路層１２及び金属層１３を形成する際に、本体層２２ａ、２３ａとろう材層２２ｂ、２３ｂとを備えた第１クラッド材２２、第２クラッド材２３を用いており、ろう材層２２ｂ、２３ｂは、Ｓｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下、かつ、Ｍｇの含有量が０．００５原子％以下とされたアルミニウム合金で構成されているので、接合時に液相が過剰に生成せず、ろうの浸み出しを抑制することができるとともに、セラミックス基板１１と回路層１２及びセラミックス基板１１と金属層１３を確実に接合することができる。
また、接合時における積層方向の加圧荷重を０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下（５ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下）の範囲内としているので、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との接合信頼性に優れている。一方、積層方向の加圧荷重が２．０ＭＰａ以下とされているので、クラッド材が押し潰され変形することがないため、ろうの浸み出しを抑制することができる。
また、加熱温度が６４０℃以下とされているので、本体層２２ａ，２３ａが溶融することが抑制されるとともに、過剰な液相が生成せず、ろうの浸み出しを抑制することができる。一方、加熱温度が６１０℃以上とされているので、液相が確保され、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３を確実に接合することができる。
また、加熱温度が６４０℃以下とされているので、本体層２２ａ，２３ａが溶融することが抑制されるとともに、過剰な液相が生成せず、ろうの浸み出しを抑制することができる。一方、加熱温度が６１０℃以上とされているので、液相が確保され、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３を確実に接合することができる。
さらに、本実施形態では、第１クラッド材２２の本体層２２ａ及び第２クラッド材２３の本体層２３ａは、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上のアルミニウム合金で構成されているので、ろう材層２２ｂ、２３ｂを備えた第１クラッド材２２及び第２クラッド材２３を安定して製造することができる。
また、本実施形態では、本実施形態における第１クラッド材２２の本体層２２ａ及び第２クラッド材２３の本体層２３ａの厚さｔａが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲内とされているので、導電性及び熱伝導性等のアルミニウム層としての特性を確保することができる。
さらに、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂ及び第２クラッド材２３のろう材層２３ｂの厚さｔｂが０．００５ｍｍ以上とされているので、接合時に液相が確保され、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３を確実に接合することができる。一方、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂ及び第２クラッド材２３のろう材層２３ｂの厚さｔｂが０．０２ｍｍ以下とされているので、接合時に過剰な液相が生成せず、ろうの浸み出しを抑制することができる。
さらに、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂ及び第２クラッド材２３のろう材層２３ｂの厚さｔｂが０．００５ｍｍ以上とされているので、接合時に液相が確保され、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３を確実に接合することができる。一方、第１クラッド材２２のろう材層２２ｂ及び第２クラッド材２３のろう材層２３ｂの厚さｔｂが０．０２ｍｍ以下とされているので、接合時に過剰な液相が生成せず、ろうの浸み出し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、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構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い。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
また、本実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層を樹脂等で構成したものであってもよい。
また、セラミックス基板として窒化珪素やアルミナ等を用いてもよい。
また、本実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層を樹脂等で構成したものであってもよい。
また、セラミックス基板として窒化珪素やアルミナ等を用いてもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを銅板の放熱板から成るものとして説明したが、これに限定されることはなく、アルミニウム等で構成されていてもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えたものであってもよい。
また、本実施形態では、絶縁回路基板（金属層）とヒートシンクとを固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、ろう付け、ＴＬＰ等の他の接合方法を適用してもよい。
また、本実施形態では、絶縁回路基板（金属層）とヒートシンクとを固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、ろう付け、ＴＬＰ等の他の接合方法を適用してもよい。
例えば、ヒートシンクの金属層との接合面がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていた場合には、図６に示すように、金属層を形成する際に使用される第２クラッド材１２３を、本体層１２３ａとその両側にろう材層１２３ｂが形成された構造とすることで、セラミックス基板と第２クラッド材１２３とヒートシンクとを同時接合することができる。なお、このときのろう材層１２３ｂの厚さｔｂ２は、両面に設けられたそれぞれのろう材層１２３ｂの厚さとなる。
また、本実施形態では、第１クラッド材及び第２クラッド材の本体層をＡ３００３合金で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上であれば、他のアルミニウム合金であってもよい。
さらに、本実施形態では、第１クラッド材及び第２クラッド材のろう材層をＡ４３４３合金で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下、かつ、Ｍｇの含有量が０．００５原子％以下であれば、Ａ４０４５合金等の他のアルミニウム合金であってもよい。
さらに、本実施形態では、第１クラッド材及び第２クラッド材のろう材層をＡ４３４３合金で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下、かつ、Ｍｇの含有量が０．００５原子％以下であれば、Ａ４０４５合金等の他のアルミニウム合金であってもよい。
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。
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６２５ｍｍｔ）を準備し、このセラミックス基板の一方の面に表１に示す第１クラッド材（３８ｍｍ×３８ｍｍ）を積層し、セラミックス基板の他方の面に表１に示す第２クラッド材（３８ｍｍ×３８ｍｍ）を積層し、表２に示す条件で、セラミックス基板に第１クラッド材及び第２クラッド材を接合し、回路層と金属層とを有する絶縁回路基板を製造した。なお、接合時の炉内の真空度は２．０×１０−３Ｐａとした。
得られた絶縁回路基板について、ろう材の浸み出し、及び、セラミックス基板と回路層及び金属層との接合状態を、以下のように評価した。評価結果を表２に示す。
（ろう材の浸み出し）
得られた絶縁回路基板の回路層表面、金属層表面、セラミックス基板表面を目視で観察し、ろう材の浸み出しが観察されたものを「×」、観察されなかったものを「○」と評価した。なお、ろう材の浸み出しには、回路層や金属層の表面に生じる染み状の表面変質や、回路層や金属層とセラミックス基板の接合部分周辺にできる、ろう材がはみ出して固化したこぶ状の変質を含んでいる。
得られた絶縁回路基板の回路層表面、金属層表面、セラミックス基板表面を目視で観察し、ろう材の浸み出しが観察されたものを「×」、観察されなかったものを「○」と評価した。なお、ろう材の浸み出しには、回路層や金属層の表面に生じる染み状の表面変質や、回路層や金属層とセラミックス基板の接合部分周辺にできる、ろう材がはみ出して固化したこぶ状の変質を含んでいる。
（接合性評価）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１）を使用し、絶縁回路基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクルを実施した。
この後、回路層とセラミックス基板との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前（初期接合率）と冷熱サイクル試験後（サイクル後接合率）に行った。
接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、セラミックス基板と金属層との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
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、すなわち本実施例では金属層の面積（３８ｍｍ×３８ｍｍ）とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
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。
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＢ−５１）を使用し、絶縁回路基板に対して、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分の３０００サイクルを実施した。
この後、回路層とセラミックス基板との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前（初期接合率）と冷熱サイクル試験後（サイクル後接合率）に行った。
接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、セラミックス基板と金属層との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
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、すなわち本実施例では金属層の面積（３８ｍｍ×３８ｍｍ）とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
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。
加圧荷重が０．５ＭＰａ未満であった比較例１、接合温度が６１０℃未満であった比較例３、ろう材層のＳｉ含有量が３原子％未満であった比較例５では、サイクル後接合率が低く、接合信頼性が低い結果となった。加圧荷重が２．０ＭＰａを超えた比較例２、接合温度が６４０℃を超えた比較例４、ろう材層のＳｉ含有量が１１原子％を超えた比較例６、ろう材層のＭｇ含有量が０．００５原子％を超えた比較例７では、ろうの浸み出しが生じた。
一方、ろう材層のＳｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下の範囲内、かつ、ろう材層のＭｇの含有量が０．００５原子％以下とされ、加圧荷重を０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の範囲内とし、加熱温度を６１０℃以上６４０℃以下の範囲内とした本発明例１〜１４では、ろうの浸み出しも確認されず、接合信頼性の高い絶縁回路基板が得られた。
一方、ろう材層のＳｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下の範囲内、かつ、ろう材層のＭｇの含有量が０．００５原子％以下とされ、加圧荷重を０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の範囲内とし、加熱温度を６１０℃以上６４０℃以下の範囲内とした本発明例１〜１４では、ろうの浸み出しも確認されず、接合信頼性の高い絶縁回路基板が得られた。
１ パワーモジュール
３ 半導体素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層（アルミニウム層）
１３ 金属層（アルミニウム層）
Ｓ０２ 回路層及び金属層形成工程（アルミニウム層形成工程）
３ 半導体素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層（アルミニウム層）
１３ 金属層（アルミニウム層）
Ｓ０２ 回路層及び金属層形成工程（アルミニウム層形成工程）
Claims (2)
- 絶縁層と、この絶縁層の少なくとも片方の面に形成されたアルミニウム層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、
前記アルミニウム層は、本体層とろう材層とを備えたクラッド材が接合されることによって形成されており、
前記本体層は、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上のアルミニウム合金で構成されており、前記ろう材層は、Ｓｉの含有量が３原子％以上１１原子％以下、かつ、Ｍｇの含有量が０．００５原子％以下とされたアルミニウム合金で構成されており、
前記絶縁層と前記クラッド材を積層した積層体を、積層方向に加圧した状態で所定の加熱温度まで加熱し、前記絶縁層と前記クラッド材を接合してアルミニウム層を形成するアルミニウム層形成工程を有し、
このアルミニウム層形成工程においては、積層方向の加圧荷重を０．５ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下の範囲内とし、加熱温度を６１０℃以上６４０℃以下の範囲内とすることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 - 前記クラッド材の本体層の厚さが０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、ろう材層の厚さが０．００５ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁回路基板の製造方法。
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