JP6911805B2 - ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents

ヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の前記金属層側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き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。
例えば、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は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウムや窒化ケイ素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、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、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されたものも提供されている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にアルミニウム板または銅板からなる回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板が開示されている。
そして、絶縁回路基板の他方の面側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子から絶縁回路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。
ヒートシンクの材料としては、アルミニウム合金や、例えば特許文献２に示すようなＡｌＳｉＣに代表される炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料などのアルミニウム系材料が広く利用されている。
ここで、ヒートシンクを固相線温度の低いアルミニウム合金で構成した場合には、比較的構造が複雑な形状とすることができ、放熱特性を向上させることができる。また、ヒートシンクを炭化ケイ素質部材中にアルミニウムもしくはアルミニウム合金が充填されたアルミニウム基複合材料で構成した場合には、熱膨張係数が絶縁回路基板に近似することになり、冷熱サイクル負荷時の熱歪を低く抑えることが可能となる。
ここで、アルミニウムからなる金属層と、アルミニウム系材料からなるヒートシンクとを接合する手段として、例えば特許文献３には、アルミニウムからなる金属層及びヒートシンクの間に、銅又は銅合金からなる接合材を配設し、金属層と接合材、接合材とヒートシンクとをそれぞれ固相拡散接合する方法が提案されている。
特許第３１７１２３４号公報 特開２０００−２８１４６８号公報 特開２０１４−０６０２１５号公報
ところで、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子からの発熱量が大きくなり、冷熱サイクルの条件が厳しくなっており、従来にも増して、接合信頼性に優れ、かつ、放熱特性に優れたヒートシンク付き絶縁回路基板が求められている。
ここで、上述の絶縁回路基板においては、金属層を比較的変形抵抗の小さい金属、例えば純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）を用いることにより、冷熱サイクル負荷時における熱歪を金属層の変形によって吸収し、絶縁層の割れ等を抑制することが可能となる。
金属層を４Ｎアルミニウムで構成し、ヒートシンクの接合面を例えばＡＤＣ１２等のアルミニウム合金で構成し、これらを特許文献３に記載された方法で固相拡散接合する場合には、金属層とヒートシンクの接合面との固相線温度が大きく異なるため、固相拡散接合時の温度条件をアルミニウム合金の固相線温度未満とする必要があり、また、純度の高い４Ｎアルミニウムは拡散の活性化エネルギーが高く、拡散現象がおきにくいため、固相線温度が高い４Ｎアルミニウムからなる金属層のＡｌと接合材のＣｕの固相拡散が不十分となり、金属層とヒートシンクとの接合信頼性が低下してしまうおそれがあった。
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、金属層を比較的変形抵抗の小さいアルミニウムで構成し、ヒートシンクの接合面を比較的固相線温度が低いアルミニウム合金で構成した場合であっても、金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合できるヒートシンク付き絶縁回路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、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の前記金属層側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、前記金属層は、アルミニウムで構成され、前記金属層の厚さ中央部のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ２未満であり、前記ヒートシンクは、前記絶縁回路基板との接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム合金で構成されており、前記金属層のうち前記絶縁層とは反対側の領域に、芯材とこの芯材の両面にろう材層が形成されたクラッド材を積層して加熱し、前記ろう材層の合金元素を拡散することによって、前記金属層の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部を形成する合金元素高濃度部形成工程と、前記金属層と前記ヒートシンクの接合面との間に、銅又は銅合金からなる銅接合材を積層し、前記金属層と前記銅接合材、前記銅接合材と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することによってヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を備えており、前記クラッド材の前記芯材の厚さｔａとろう材層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．１以上０．３以下の範囲内とされていることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によれば、前記金属層のうち前記絶縁層とは反対側の領域に、前記金属層の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部を形成する合金元素高濃度部形成工程と、前記金属層の合金元素高濃度部と前記ヒートシンクの接合面との間に、銅又は銅合金からなる銅接合材を積層し、合金元素高濃度部が形成された金属層と前記銅接合材、前記銅接合材と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することによってヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を備えているので、金属層の合金元素高濃度部と、ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム合金との固相線温度の差を小さくすることができ、比較的低温条件で固相拡散接合した場合であっても、金属層（合金元素高濃度部）のＡｌと銅接合材のＣｕ、銅接合材のＣｕとヒートシンクの接合面のＡｌを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板とヒートシンクとを確実に接合することができる。
また、金属層は、アルミニウムで構成され、厚さ中央部のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ２未満とされているので、ヒートシンク付き絶縁回路基板に対して冷熱サイクルを負荷した際に、金属層が変形することで熱歪を緩和することができ、絶縁層の割れ等の発生を抑制することができる。
さらに、ヒートシンクの接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム合金で構成されているので、要求される性能に適したヒートシンクを構成することができる。
さらに、前記合金元素高濃度部形成工程においては、前記金属層のうち前記絶縁層とは反対側の面に、芯材とこの芯材の両面にろう材層が形成されたクラッド材を積層して加熱しているので、前記ろう材層の合金元素を拡散させることによって、前記金属層のうち前記絶縁層とは反対側の領域に、前記金属層の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部を形成することができる。
なお、加熱条件を調整して合金元素の拡散状態を制御することにより、所定の厚さの合金元素高濃度部を形成することが可能となる。
また、前記クラッド材の前記芯材の厚さｔａとろう材層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．１以上０．３以下の範囲内とされているので、前記金属層のうち前記絶縁層とは反対側の領域に、前記金属層の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部を確実に形成することができる。
ここで、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法においては、前記合金元素高濃度部は、Ｓｉ濃度が２．０ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｎ濃度が０．３ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内、とされていることが好ましい。
この場合、金属層の合金元素高濃度部と、ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム合金との固相線温度の差を確実に小さくすることができ、比較的低温条件で固相拡散接合した場合であっても、絶縁回路基板とヒートシンクとをさらに確実に接合することができる。
また、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法においては、前記合金元素高濃度部形成工程は、前記絶縁層に前記金属層を形成する金属層形成工程と同時に実施する構成としてもよい。
この場合、前記絶縁層に前記金属層を形成する金属層形成工程と前記合金元素高濃度部形成工程とを同時に実施することで、製造工程を省略し、効率良くヒートシンク付き絶縁回路基板を製造することが可能となる。また、絶縁層への熱負荷を低減することができ、絶縁層の劣化を抑制することができる。
さらに、本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法においては、前記回路層は、前記絶縁層側に形成されたアルミニウム層と、このアルミニウム層に積層された銅層と、を備えており、このアルミニウム層のうち前記絶縁層とは反対側の領域に、前記アルミニウム層の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた第２合金元素高濃度部が形成されており、前記合金元素高濃度部形成工程において、前記合金元素高濃度部と前記第２合金元素高濃度部とを形成する構成としてもよい。
この場合、回路層がアルミニウム層と銅層とが積層された構造とされているので、回路層に搭載された発熱体の熱を銅層で面方向に広げることができ、放熱特性に優れたヒートシンク付き絶縁回路基板を製造することができる。
また、アルミニウム層と銅層との間に、第２合金元素高濃度部が形成されているので、合金元素高濃度部及び第２合金元素高濃度部と、ヒートシンクの接合面を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金との固相線温度の差を小さくすることができ、比較的低温条件で固相拡散接合した場合であっても、金属層（合金元素高濃度部）のＡｌと銅接合材のＣｕ、銅接合材のＣｕとヒートシンクの接合面のＡｌ、アルミニウム層（第２合金元素高濃度部）のＡｌと銅層のＣｕを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板とヒートシンクとを確実に接合することができるとともに、アルミニウム層と銅層とが積層された回路層を形成することができる。
本発明によれば、金属層を比較的変形抵抗の小さいアルミニウムで構成し、ヒートシンクの接合面を比較的固相線温度が低いアルミニウム合金で構成した場合であっても、金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合できるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を提供することが可能となる。
本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路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に示すヒートシンク付き絶縁回路基板における金属層とヒートシンクとの接合界面の拡大説明図である。 図１に示すヒートシンク付き絶縁回路基板に用いられるヒートシンクの概略説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法で用いられるクラッド材の断面説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 図８に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 図８に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 図８に示すヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。
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。
図１に、本発明の実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法によって製造されたヒートシンク付き絶縁回路基板４０、及び、このヒートシンク付き絶縁回路基板４０を用いたパワーモジュール１を示す。
図１に示すパワーモジュール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、絶縁回路基板１０の下側に接合されたヒートシンク４１と、を備えている。なお、ヒートシンク４１が接合された絶縁回路基板１０が、本実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板４０とされている。
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。絶縁回路基板１０と半導体素子３とを接合するはんだ層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。
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、絶縁性の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等で構成されている。本実施形態では、窒化アルミニウムで構成されている。ここで、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の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態では、図５に示すように、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板２２が接合されることによって回路層１２が形成されている。具体的には、回路層１２を構成するアルミニウム板２２として、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やＡ３００３やＡ６０６３等のアルミニウム合金の圧延板が用いられている。
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とされている。ここで、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ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。
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウムからなるアルミニウム板２３が接合されるとともに、アルミニウム板２３の他方の面にクラッド材５１が積層されて加熱処理することによって形成されている。
なお、金属層１３の厚さ中央部におけるインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ２未満とされている。このインデンテーション硬度は、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０の２５℃における値である。
金属層１３を構成するアルミニウム板２３として、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）、純度９９．９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（３Ｎアルミニウム）、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）等を用いることができる。
本実施形態では、金属層１３を構成するアルミニウム板２３として、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板が用いられている。
ここで、図２に示すように、金属層１３の厚さｔ０は０．２ｍｍ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。
そして、本実施形態においては、金属層１３のうちセラミックス基板１１とは反対側の領域に、金属層１３の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部１３ａが形成されている。
すなわち、本実施形態における金属層１３においては、その厚さ方向において、合金元素の濃度分布が存在していることになる。
なお、合金元素としては、Ｓｉ，Ｍｎ等を用いることが好ましい。本実施形態では、合金元素としてＳｉ及びＭｎを含有しており、Ｓｉ濃度が２．０ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内、かつ、Ｍｎ濃度が０．３ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされた領域が、合金元素高濃度部１３ａとなる。
また、合金元素高濃度部１３ａの厚さｔ１は、０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
ヒートシンク４１は、前述の絶縁回路基板１０を冷却するためのものであり、本実施形態においては、図１に示すように、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板とされている。
本実施形態におけるヒートシンク４１は、ＳｉＣからなる多孔質体とこの多孔質体に含浸されたアルミニウム合金からなるアルミニウム材とからなるＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）で構成されている。本実施形態では、ＳｉＣからなる多孔質体に含浸させるアルミニウム材としてＡＤＣ１２（固相線温度５７０℃）を用いている。
また、本実施形態では、ヒートシンク４１は、図３に示すように、ＡｌＳｉＣからなるヒートシンク本体４２の表面に、多孔質体に含浸されたアルミニウム材（本実施形態ではＡＤＣ１２）からなるスキン層４３が形成されている。
ここで、本実施形態では、ヒートシンク本体４２の厚さが０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内とされており、スキン層４３の厚さｔｓはヒートシンク本体４２の厚さの０．０１倍以上０．１倍以下とすることが好ましい。
なお、合金元素高濃度部１３ａの固相線温度と、ヒートシンク４１の接合面（本実施形態ではスキン層４３）を構成するアルミニウム合金の固相線温度との温度差が８０℃以下の範囲内とされている。
そして、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク４１は、銅接合層３２を介して接合されている。
銅接合層３２は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態では、図７に示すように、無酸素銅の圧延板からなる銅板５２を接合することで形成されている。本実施形態では、図２に示すように、銅接合層３２の厚さｔｃは０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内とされている。
ここで、金属層１３（合金元素高濃度部１３ａ）と銅接合層３２、及び、銅接合層３２とヒートシンク４１（スキン層４３）とは、それぞれ固相拡散接合によって接合されている。
次に、上述した本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板４０の製造方法について、図４から図７を参照して説明する。
（回路層及び金属層形成工程Ｓ０１／合金元素高濃度部形成工程Ｓ０２）
まず、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、ろう材２６，２７を介してアルミニウム板２２、２３を積層する。ここで、ろう材２６，２７としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材やＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材等を用いることが好ましい。
また、本実施形態では、金属層１３となるアルミニウム板２３の他方の面側（図５において下側）に、クラッド材５１を積層する。
このクラッド材５１は、図６に示すように、芯材５１ａと、この芯材５１ａの両面に形成されたろう材層５１ｂと、を備えている。本実施形態においては、芯材５１ａはＡ３００３合金で構成され、ろう材層５１ｂはＡ４０４５合金で構成されている。
また、クラッド材５１の芯材５１ａの厚さｔａとろう材層５１ｂの厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．１以上０．３以下の範囲内とされている。
そして、上述のアルミニウム板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３、クラッド材５１を、積層方向に加圧した状態で加熱して、セラミックス基板１１とアルミニウム板２２、２３を接合して回路層１２及び金属層１３を形成するとともに、クラッド材５１のろう材層５１ｂの合金元素を芯材５１ａ及びアルミニウム板２３側に拡散させることで、金属層１３のうちセラミックス基板１１とは反対側の領域に、金属層１３の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部１３ａが形成されることになる。
すなわち、本実施形態では、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１と合金元素高濃度部形成工程Ｓ０２を一括で実施している。
ここで、回路層及び金属層形成工程Ｓ０１／合金元素高濃度部形成工程Ｓ０２の接合条件は、雰囲気を真空とし、加圧荷重を０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内、加熱温度を５６０℃以上６３０℃以下の範囲内、保持時間を１５ｍｉｎ以上６０ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。なお、合金元素の拡散状態を制御するために、上述の範囲内で接合温度及び保持時間を調整することが好ましい。
以上のようにして、本実施形態である絶縁回路基板１０が形成される。
（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）
次に、図７に示すように、合金元素高濃度部１３ａが形成された金属層１３の他方の面側（図７において下側）に、銅接合材として無酸素銅の圧延板からなる銅板５２を介して、ヒートシンク４１を積層する。ここで、ヒートシンク４１は、スキン層４３が銅板５２側を向くように積層する。
そして、絶縁回路基板１０、合金元素高濃度部１３ａが形成された絶縁回路基板１０、銅板５２、ヒートシンク４１を、積層方向に加圧して加熱し、金属層１３の合金元素高濃度部１３ａと銅板５２、銅板５２とヒートシンク４１（スキン層４３）をそれぞれ固相拡散接合する。
ここで、本実施形態では、固相拡散条件として、積層方向の荷重を０．６ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内とした。接合温度は４６０℃以上５４０℃以下の範囲内、好ましくは４８０℃以上５２０℃以下の範囲内であるとよい。保持時間は３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の範囲内とした。
以上のような工程により、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板４０が製造される。
（半導体素子接合工程Ｓ０４）
次に、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０の回路層１２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、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０の回路層１２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ヒートシンク付き絶縁回路基板４０の製造方法によれば、金属層１３のうちセラミックス基板１１とは反対側の領域に、金属層１３の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部１３ａを形成する合金元素高濃度部形成工程Ｓ０２と、金属層１３の合金元素高濃度部１３ａとヒートシンク４１の接合面（本実施形態ではスキン層４３）との間に、銅又は銅合金からなる銅板５２を積層し、金属層１３の合金元素高濃度部１３ａと銅板５２、銅板５２とヒートシンク４１とを固相拡散接合することによってヒートシンク４１を接合するヒートシンク接合工程Ｓ０３と、を備えているので、金属層１３の合金元素高濃度部１３ａと、ヒートシンク４１の接合面（本実施形態ではスキン層４３）を構成するアルミニウム及びアルミニウム合金との固相線温度の差を小さくすることができ、比較的低温条件で固相拡散接合した場合であっても、金属層１３の合金元素高濃度部１３ａのＡｌと銅板５２のＣｕ、銅板５２のＣｕとヒートシンク４１の接合面のＡｌを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板１０とヒートシンク４１とを確実に接合することが可能となる。
また、本実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板４０においては、金属層１３が、アルミニウム（本実施形態では４Ｎアルミニウム）で構成され、金属層１３の厚さ中央部におけるインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ２未満とされているので、ヒートシンク付き絶縁回路基板４０に対して冷熱サイクルを負荷した際に、金属層１３を変形させることで熱歪を緩和することができ、セラミックス基板１１の割れ等の発生を抑制することができる。
さらに、ヒートシンク４１が、ＳｉＣからなる多孔質体とこの多孔質体に含浸されたアルミニウム合金からなるアルミニウム材とからなるＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）で構成されており、具体的には、ＳｉＣからなる多孔質体に含浸させるアルミニウム材としてＡＤＣ１２（固相線温度５７０℃）を用いているので、ヒートシンク４１の熱膨張係数が絶縁回路基板１０の熱膨張係数と近似することになり、冷熱サイクル負荷時における熱歪の発生を抑制することができる。
また、本実施形態においては、合金元素高濃度部形成工程Ｓ０２が、金属層１３のうちセラミックス基板１１とは反対側の面に、芯材５１ａとこの芯材５１ａの両面にろう材層５１ｂが形成されたクラッド材５１を積層して加熱し、ろう材層５１ｂの合金元素を拡散することによって、合金元素高濃度部１３ａを形成する構成とされているので、金属層１３のうちセラミックス基板１１とは反対側の領域に、金属層１３の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部１３ａを確実に形成することができる。
さらに、本実施形態においては、合金元素高濃度部形成工程Ｓ０２で用いられるクラッド材５１の芯材５１ａの厚さｔａとろう材層５１ｂの厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．１以上０．３以下の範囲内とされているので、金属層１３のうちセラミックス基板１１とは反対側の領域に、金属層１３の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部１３ａを確実に形成することができる。
また、本実施形態においては、金属層１３の合金元素高濃度部１３ａの固相線温度と、ヒートシンク４１の接合面（本実施形態ではスキン層４３）を構成するアルミニウム合金の固相線温度との温度差が０℃以上８０℃以下の範囲内とされているので、ヒートシンク接合工程Ｓ０３において比較的低温条件で固相拡散接合した場合でも、金属層１３（合金元素高濃度部１３ａ）のＡｌと銅板５２のＣｕ、銅板５２のＣｕとヒートシンク４１の接合面のＡｌとを十分に拡散させることができ、絶縁回路基板１０とヒートシンク４１とを確実に固相拡散接合することができる。
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、セラミックス基板１１として、窒化アルミニウム（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、絶縁樹脂等を用いてもよい。
また、ヒートシンクとして放熱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、冷却媒体が流通する流路を備えた冷却器等であってもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを、ＳｉＣの多孔質体にＡＤＣ１２からなるアルミニウム材を含浸させたＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム合金で構成されていれば、その材質や構造に限定はない。
さらに、本実施形態では、回路層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層を銅又は銅合金等の他の金属で構成してもよいし、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銅又は銅合金からなる銅層が積層した構造とされていてもよい。
そして、本実施形態では、クラッド材を金属層に積層して加熱処理することで合金元素高濃度部を形成するものとして説明したが、合金元素高濃度部形成工程の手段については特に制限はない。
また、図８に示すように、回路層１１２が、絶縁層となるセラミックス基板１１側に形成されたアルミニウム層１１２Ａと、このアルミニウム層１１２Ａに積層された銅層１１２Ｂと、を備えており、このアルミニウム層１１２Ａのセラミックス基板１１とは反対側の領域に、アルミニウム層１１２Ａの厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた第２合金元素高濃度部１１２Ｃが形成された絶縁回路基板１１０、ヒートシンク付き絶縁回路基板１４０としてもよい。
なお、このヒートシンク付き絶縁回路基板１４０においても、金属層１３、アルミニウム接合層３１、銅接合層３２、ヒートシンク４１と、を備えている。
図８に示すヒートシンク付き絶縁回路基板１４０は、以下のようにして製造される。
（アルミニウム層及び金属層形成工程Ｓ１０１／合金元素高濃度部形成工程Ｓ１０２）
まず、図１０に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図１０において上面）に、ろう材１２６を介してアルミニウム層となるアルミニウム板１２２Ａを積層し、さらにアルミニウム板１２２Ａの一方の面に、クラッド材５１を積層する。
さらに、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下面）に、ろう材１２７を介して、金属層１３となるアルミニウム板２３を積層し、さらにアルミニウム板２３の他方の面に、クラッド材５１を積層する。
ここで、アルミニウム層１１２Ａとなるアルミニウム板１２２Ａ、及び、金属層１３となるアルミニウム板２３は、例えば純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）、純度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。
また、ろう材１２６、１２７は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金で構成されている。
そして、上述のクラッド材５１、アルミニウム板１２２Ａ、ろう材１２６、セラミックス基板１１、ろう材１２７、アルミニウム板２３、クラッド材５１を、積層方向に加圧した状態で加熱して、セラミックス基板１１とアルミニウム板１２２Ａ、２３を接合してアルミニウム層１１２Ａ及び金属層１３を形成する。
さらに、クラッド材５１のろう材層５１ｂの合金元素を芯材５１ａ及びアルミニウム板１２２Ａ側に拡散させることによって、アルミニウム層１１２Ａのうちセラミックス基板１１とは反対側の領域に、アルミニウム層１１２Ａの厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた第２合金元素高濃度部１１２Ｃを形成する。
また、クラッド材５１のろう材層５１ｂの合金元素を芯材５１ａ及びアルミニウム板２３側に拡散させることによって、金属層１３のうちセラミックス基板１１とは反対側の領域に、金属層１３の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部１３ａを形成する。
ここで、接合条件は、雰囲気を真空とし、加圧荷重を０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内、加熱温度を６００℃以上６４０℃以下の範囲内とすることが好ましい。
（銅層形成工程Ｓ１０３／ヒートシンク接合工程Ｓ１０４）
次に、図１１に示すように、第２合金元素高濃度部１１２Ｃが形成されたアルミニウム層１１２Ａの一方の面（図１１において上側）に銅層１１２Ｂとなる銅板１２２Ｂを積層する。また、合金元素高濃度部１３ａが形成された金属層１３の他方の面側（図１１において下側）に、銅接合材として無酸素銅の圧延板からなる銅板５２を介して、ヒートシンク４１を積層する。ここで、ヒートシンク４１は、スキン層４３が銅板５２側を向くように積層して積層体を形成する。
そして、この積層体を、積層方向に加圧して加熱し、アルミニウム層１１２Ａ（第２合金元素高濃度部１１２Ｃ）と銅板１２２Ｂ、金属層１３（合金元素高濃度部１３ａ）と銅板５２、銅板５２とヒートシンク４１（スキン層４３）をそれぞれ固相拡散接合する。
ここで、本実施形態では、固相拡散条件として、積層方向の荷重を０．６ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下の範囲内とした。接合温度は４６０℃以上５４０℃以下の範囲内、好ましくは４８０℃以上５２０℃以下の範囲内であるとよい。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、図８に示すヒートシンク付き絶縁回路基板１４０が製造される。
以下に、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。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ）の一方の面に純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）からなる回路層（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を形成するとともに、セラミックス基板の他方の面に表１に示す材質及び厚さの金属層（３７ｍｍ×３７ｍｍ）を形成した。なお、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板との接合は、Ａｌ−７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ−０．０１ｍａｓｓ％Ｍｇろう材箔（厚さ１５μｍ）を用いた。
また、金属層となるアルミニウム板のセラミックス基板とは反対側の面に、表１に示す構造のクラッド材を積層した。
そして、表１に示す条件で加熱処理した。
そして、金属層に、ＳｉＣの多孔質体に表１記載の固相線温度を持つアルミニウムを含浸させたＡｌ−ＳｉＣ複合材料（いわゆるＡｌＳｉＣ）からなるヒートシンク（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ５．０ｍｍ／スキン層厚さ０．１ｍｍ）を、銅接合材（無酸素銅の圧延：３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ）を介して積層し、これを積層方向に２１ＭＰａで加圧し、４９０℃で１５０ｍｉｎ保持し、合金元素高濃度部が形成された金属層と銅接合材、銅接合材とヒートシンクとを固相拡散接合した。
なお、表２においてヒートシンクの材質が４Ｎ−Ａｌで構成されたものは、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎ−Ａｌ）のアルミニウム板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×厚さ５．０ｍｍ）を用いた。
得られたヒートシンク付き絶縁回路基板に対して、以下のような手順で各項目について評価を行った。
（インデンテーション硬度の測定）
ヒートシンク付き絶縁回路基板の金属層に対し、ナノインデンテーション法によりインデンテーション硬度を測定した。測定は、金属層の厚さ方向中央部の１０箇所で行い、その平均値とした。なお、インデンテーション硬度は、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が１１４．８°以上１１５．１°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を５０００ｍｇｆとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、インデンテーション硬度＝３７．９２６×１０−３×（荷重〔ｍｇｆ〕÷変位〔μｍ〕２）の式より求めた。
（合金元素高濃度部の有無）
厚さ方向に沿った断面を観察し、電子プローブマイクロアナライザ（日本電子製ＪＸＡ−８８００ＲＬ）を用いて、加速電圧１．５ｋＶ、プローブ径５０μｍ、照射電流５．０×１０−８Ａの条件でＥＰＭＡによる定量分析を実施し、金属層の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部の有無を確認した。
（接合状態）
ヒートシンクを構成するアルミニウム（ＡｌＳｉＣの場合には含侵されているアルミニウム）とアルミニウム接合層を構成するアルミニウムのうち、固相線温度の高いアルミニウムを有する部材と銅接合材との界面の超音波探傷像を、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）を用いて測定し、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、すなわち銅接合材の面積とした。
（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層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。
接合率が９０％以上であった場合を「○」、接合率が９０％未満であった場合を「×」と評価した。
（セラミックス割れ）
ヒートシンク付き絶縁回路基板に対し、−４０℃←→１５０℃の冷熱サイクルを３０００サイクル行い、冷熱サイクル後にセラミックス基板を超音波探傷装置によって観察し、割れが認められなかったものを「○」、割れが生じていたものを「×」と評価した。
Figure 0006911805
Figure 0006911805
金属層のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ２以上である比較例１，２，６においては、冷熱サイクル負荷後にセラミックス割れが認められた。金属層が比較的硬いため、冷熱サイクルを負荷した際に金属層が容易に変形せず、熱歪を緩和することができなかったためと推測される。
クラッド材の芯材の厚さｔａとろう材層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．１未満とされた比較例３，５においては、接合率が９０％未満であり、接合状態が不十分であった。
クラッド材を用いなかった比較例４においては、接合率が９０％未満であり、接合状態が不十分であった。
合金元素高濃度部が形成されなかった比較例７においては、接合率が９０％未満であり、接合状態が不十分であった。
これに対して、金属層のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ２未満とされ、クラッド材の芯材の厚さｔａとろう材層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．１以上０．３以下の範囲内とされた実施例１−６においては、接合率が９０％以上であり、接合状態が良好であった。また、冷熱サイクル負荷後にセラミックス割れが認められなかった。金属層が比較的軟らかいため、冷熱サイクルを負荷した際に金属層が変形し、熱歪を緩和することができたためと推測される。
以上のことから、本発明によれば、金属層を比較的変形抵抗の小さいアルミニウムで構成し、ヒートシンクの接合面を比較的固相線温度が低いアルミニウム合金で構成した場合であっても、金属層とヒートシンクとを確実に固相拡散接合できるヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法を提供可能であることが確認された。
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層
１３ 金属層
１３ａ 合金元素高濃度部
３２ 銅接合層
４０ ヒートシンク付き絶縁回路基板
４１ ヒートシンク
４３ スキン層（接合面）
５１ クラッド材
５１ａ 芯材
５１ｂ ろう材層
５２ 銅板（銅接合材）

Claims (4)

  1. 絶縁層の一方の面に回路層が形成されるとともに前記絶縁層の他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、この絶縁回路基板の前記金属層側に接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法であって、
    前記金属層は、アルミニウムで構成され、前記金属層の厚さ中央部のインデンテーション硬度が５０ｍｇｆ／μｍ２未満であり、
    前記ヒートシンクは、前記絶縁回路基板との接合面が、固相線温度が６５０℃以下のアルミニウム合金で構成されており、
    前記金属層のうち前記絶縁層とは反対側の領域に、芯材とこの芯材の両面にろう材層が形成されたクラッド材を積層して加熱し、前記ろう材層の合金元素を拡散することによって、前記金属層の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた合金元素高濃度部を形成する合金元素高濃度部形成工程と、
    前記金属層と前記ヒートシンクの接合面との間に、銅又は銅合金からなる銅接合材を積層し、前記金属層と前記銅接合材、前記銅接合材と前記ヒートシンクとを固相拡散接合することによってヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、
    を備えており、
    前記クラッド材の前記芯材の厚さｔａとろう材層の厚さｔｂとの比ｔｂ／ｔａが０．１以上０．３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き絶縁回路基板の製造方法。
  2. 前記合金元素高濃度部は、Ｓｉ濃度が２．０ｍａｓｓ％以上７．０ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｎ濃度が１．０ｍａｓｓ％以上１．５ｍａｓｓ％以下の範囲内、とされていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
  3. 前記合金元素高濃度部形成工程は、前記絶縁層に前記金属層を形成する金属層形成工程と同時に実施することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
  4. 前記回路層は、前記絶縁層側に形成されたアルミニウム層と、このアルミニウム層に積層された銅層と、を備えており、このアルミニウム層のうち前記絶縁層とは反対側の領域に、前記アルミニウム層の厚さ中央部よりも合金元素濃度が高く、かつ、固相線温度が６５０℃以下とされた第２合金元素高濃度部が形成されており、
    前記合金元素高濃度部形成工程において、前記合金元素高濃度部と前記第２合金元素高濃度部とを形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の製造方法。
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