WO2009139472A1

WO2009139472A1 - パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法

Info

Publication number: WO2009139472A1
Application number: PCT/JP2009/059089
Authority: WO
Inventors: 黒光　祥郎; 和裕秋山; 丈嗣北原; 宏史殿村
Original assignee: 三菱マテリアル株式会社
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2009-11-19
Also published as: US20140078684A1; HK1154119A1; US9101063B2; US20110067906A1; US9095062B2; EP2282334B1; KR20110015544A; EP2282334A1; US8609993B2; CN102027592B; EP2282334A4; US20140071633A1; CN102027592A

Abstract

　このパワーモジュール用基板は、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４又はＡｌ_２Ｏ_３からなり、表面を有するセラミックス基板（１１）と、前記セラミックス基板（１１）の前記表面にケイ素を含有するろう材を介して接合される純アルミニウムからなる金属板（１２，１３）と、前記金属板（１２，１３）と前記セラミックス基板（１１）とが接合される接合界面（３０）に形成され、前記金属板（１２，１３）中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部（３２）又は、前記金属板中（１２，１３）及び前記セラミックス基板（１１）中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有し、厚さが４ｎｍ以下である高濃度部（３２）と、を含む。

Description

パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及びパワーモジュール用基板の製造方法

　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パワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を含むパワーモジュール、及びこのパワーモジュール用基板の製造方法に関する。
　本願は、２００８年５月１６日に出願された特願２００８－１２９６６８号、２００８年５月１６日に出願された特願２００８－１２９６６９号、及び２００８年５月１６日に出願された特願２００８－１２９６７０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　従来、半導体素子の中でも電力供給のためにパワーモジュールが用いられている。パワーモジュールの発熱量は、比較的高い。そのため、このパワーモジュールを搭載する基板としては、セラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ－Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられている。また、セラミックス基板としては、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなる基板、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）からなる基板、又はＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）からなる基板が用いられる。
　また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子である半導体チップが搭載される。
　なお、放熱効率を改善するために、Ａｌ等からなる金属板をセラミックス基板の下面に接合することによって金属層を形成し、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合された構造が提案されている。

　従来、例えば下記特許文献１に開示されているように、前記回路層及び前記金属層として機能する金属板と、セラミックス基板との間の接合強度を良好に得るために、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満にしている技術が知られている。

特開平３－２３４０４５号公報

　しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。
　例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ_２Ｏ_３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じる場合があることが分かった。
　また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じる場合があった。

　特に、最近では、パワーモジュールの小型化及びパワーモジュールの厚さを薄くすることが要求され、その使用環境も厳しくなってきている。例えば、熱応力が繰り返し生じるような使用環境において、パワーモジュールが使用されている。
　また、近年、電子部品からの発熱量が増加する傾向があり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。
　この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクルが負荷された時に、金属板とセラミックス基板との間の接合界面に大きなせん断力が作用する。そのため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。

　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、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を含むパワーモジュール及びこの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、本発明の第１態様のパワーモジュール用基板は、ＡｌＮからなり、表面を有するセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を含有するろう材を介して接合される純アルミニウムからなる金属板と、前記金属板と前記セラミックス基板とが接合される接合界面に形成され、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部と、を含む。

　この構成のパワーモジュール用基板においては、ＡｌＮからなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板とがケイ素を含有するろう材によって接合され、この接合界面に、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部が形成されている。これにより、この接合界面に存在するケイ素原子によってＡｌＮからなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との間の接合強度が向上する。
　ここで、金属板中のケイ素濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５０ｎｍ以上）離れた部分におけるケイ素濃度である。

　金属板とセラミックス基板とが接合される接合界面に高濃度で存在するケイ素は、主にろう材中に含有されたケイ素であると考えられる。
　金属板とセラミックス基板とを接合する時に、ケイ素はアルミニウム（金属板）中に拡散し、接合界面から減少するが、セラミックスとアルミニウム（金属板）との界面部分が不均一核生成のサイトとなり、ケイ素原子が界面部分に残存し、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部が形成される。

　本発明の第１態様のパワーモジュール用基板においては、前記高濃度部の酸素濃度は、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高く、前記高濃度部の厚さは、４ｎｍ以下であることが好ましい。

　金属板とセラミックス基板とが接合される接合界面に高濃度で存在する酸素は、セラミックス基板の表面に存在する酸素及びろう材の表面に形成された酸化膜から取り込まれた酸素であると考えられる。
　ここで、酸素濃度が接合界面において高濃度に存在することは、これらの酸化膜が確実に除去されるように十分に加熱されていることを意味する。従って、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能である。
　さらに、この高濃度部の厚さが４ｎｍ以下であるので、熱サイクルを負荷した際に生じる熱応力によって高濃度部にクラックが発生することが抑制される。

　本発明の第１態様のパワーモジュール用基板においては、前記高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法により分析されたＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ：Ｎ＝４０～８０ｗｔ％：２～１０ｗｔ％：２０ｗｔ％以下：１０～４０ｗｔ％であることが好ましい。

　この場合、前記高濃度部を含む接合界面に存在するケイ素の質量比が２ｗｔ％以上であるので、セラミックス基板とアルミニウム（金属板）との間の接合力を確実に向上させることができる。
　なお、接合界面において、質量比が１０ｗｔ％を超えるようにケイ素を存在させることは困難である。

　また、前記高濃度部を含む接合界面に存在する酸素原子の質量比が２０ｗｔ％を超えると、酸素濃度の高い部分の厚さが大きくなる。これにより、熱サイクルを負荷した際に、この高濃度部においてクラックが発生し、接合信頼性が低下するおそれがある。
　このため、酸素濃度は２０ｗｔ％以下に抑えることが好ましい。
　なお、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点（例えば、１０～１００点）が測定され、上記の各元素の質量比平均が算出される。
　また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との間の接合界面を測定せずに、結晶粒とセラミックス基板との間の接合界面のみを測定する。

　本発明の第２態様のパワーモジュールは、上記第１態様のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を含む。
　この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との間の接合強度が高く、熱応力が繰り返し生じるような使用環境であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。

　本発明の第３態様のパワーモジュール用基板の製造方法は、ＡｌＮからなり表面を有するセラミックス基板と、純アルミニウムからなる金属板と、ケイ素を含有するろう材とを準備し、前記セラミックス基板及び前記金属板を、ろう材を介して積層し、前記積層された前記セラミックス基板、前記ろう材、及び前記金属板を加圧した状態で加熱し、前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成（溶融工程）し、前記溶融アルミニウム層を冷却することによって前記溶融アルミニウム層を凝固（凝固工程）させ、前記溶融工程及び前記凝固工程において前記セラミックス基板と前記金属板とが接合された接合界面に、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部を生成させる。

　このパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記溶融工程及び前記凝固工程において前記セラミックス基板と前記金属板との間の接合界面に、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部を生成させている。
　これにより、ケイ素原子によってＡｌＮからなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との間の接合強度の向上を図ることができる。
　また、前記溶融工程においては、ろう材が界面で十分に溶融し、溶融アルミニウム層が形成される。その後、凝固工程においては、溶融アルミニウム層が凝固されているので、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。

　本発明の第３態様のパワーモジュール用基板の製造方法においては、前記セラミックス基板及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を予め付着させる（ケイ素付着工程）ことが好ましい。
　また、前記セラミックス基板及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記金属板の表面にケイ素を予め付着させることが好ましい。
　この場合、ケイ素付着工程において、セラミックス基板と金属板との間の接合界面にケイ素元素を確実に存在させることが可能である。
　これにより、接合界面に、前記金属中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部を確実に生成させることが可能となり、ＡｌＮからなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との間の接合強度の向上を図ることができる。
　なお、ケイ素原子はスパッタリング又は蒸着などによってセラミックス基板の接合面（表面）に付着させることができる。

　また、上記の目的を達成するために、本発明の第４態様のパワーモジュール用基板は、Ｓｉ_３Ｎ_４からなり、表面を有するセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を含有するろう材を介して接合される純アルミニウムからなる金属板と、前記金属板と前記セラミックス基板とが接合される接合界面に形成され、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有し、厚さが４ｎｍ以下である酸素の高濃度部と、を含む。

　この構成のパワーモジュール用基板においては、Ｓｉ_３Ｎ_４からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板とが融点降下元素を含有するろう材によって接合され、この接合界面に、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度部が形成されている。これにより、この接合界面に濃縮された酸素によってＳｉ_３Ｎ_４からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との間の接合強度が向上する。
　さらに、この高濃度部の厚さが４ｎｍ以下であるので、熱サイクルを負荷した際に生じる熱応力に起因して高濃度部にクラックが発生することが抑制される。
　ここで、金属板中及びセラミックス基板中の酸素濃度とは、金属板及びセラミックス基板のうち接合界面から一定距離（例えば、５０ｎｍ以上）離れた部分における酸素濃度である。

　また、金属板とセラミックス基板とが接合される接合界面に高濃度で存在する酸素は、セラミックス基板の表面に存在する酸素及びろう材の表面に形成された酸化膜から取り込まれた酸素であると考えられる。
　ここで、酸素濃度が接合界面において高濃度に存在することは、これらの酸化膜等が確実に除去されるように十分に加熱されていることを意味する。従って、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能である。

　本発明の第４態様のパワーモジュール用基板においては、前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法により分析されたＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ：Ｎ＝１５～５０ｗｔ％：２５～５０ｗｔ％：２０ｗｔ％以下：１０～４０ｗｔ％であることが好ましい。

　前記高濃度部を含む接合界面に存在する酸素原子の質量比が２０ｗｔ％を超えると、酸素濃度の高い部分の厚さが大きくなる。これにより、熱サイクルを負荷した際に、この高濃度部においてクラックが発生し、接合信頼性が低下するおそれがある。
　このため、酸素濃度は２０ｗｔ％以下に抑えることが好ましい。
　なお、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点（例えば、１０～１００点）が測定され、上記の各元素の質量比平均が算出される。
　また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との間の接合界面を測定せずに、結晶粒とセラミックス基板との間の接合界面のみを測定する。

　本発明の第４態様のパワーモジュール用基板においては、前記融点降下元素がケイ素であることが好ましい。
　ケイ素は、アルミニウムの融点を十分に降下させる元素である。そのため、接合温度を低く設定することが可能であり、金属板とセラミックス基板とを接合する時に金属板が溶融することを防止でき、ろう材を確実に溶融させることができる。

　本発明の第５態様のパワーモジュールは、上記第４態様のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を含む。
　この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との間の接合強度が高く、熱応力が繰り返し生じるような使用環境であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。

　本発明の第６態様のパワーモジュール用基板を製造する方法は、Ｓｉ_３Ｎ_４からなり、表面を有するセラミックス基板と、純アルミニウムからなる金属板と、融点降下元素を含有するろう材とを準備し、前記セラミックス基板及び前記金属板を、ろう材を介して積層し、前記積層された前記セラミックス基板、前記ろう材、及び前記金属板を加圧した状態で加熱し、前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成（溶融工程）し、前記溶融アルミニウム層を冷却することによって前記溶融アルミニウム層を凝固（凝固工程）させ、前記溶融工程及び前記凝固工程において前記セラミックス基板と前記金属板とが接合された接合界面に、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有し、厚さが４ｎｍ以下である酸素の高濃度部を生成させる。
　本発明の第６態様のパワーモジュール用基板を製造する方法においては、前記セラミックス基板及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記セラミックス板の前記表面にケイ素を予め付着させることが好ましい。
　本発明の第６態様のパワーモジュール用基板を製造する方法においては、前記セラミックス基板及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記金属板の表面にケイ素を予め付着させることが好ましい。

　このパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との間の接合界面に、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する酸素の高濃度部を厚さが４ｎｍ以下で生成させている。
　これにより、この酸素によってＳｉ_３Ｎ_４からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との間の接合強度の向上を図ることができる。
　また、前記溶融工程においては、ろう材が界面で十分に溶融し、溶融アルミニウム層が形成される。その後、凝固工程においては、溶融アルミニウム層が凝固されているので、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。

　また、上記の目的を達成するために、本発明の第７態様のパワーモジュール用基板は、Ａｌ_２Ｏ_３からなり、表面を有するセラミックス基板と、前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を含有するろう材を介して接合される純アルミニウムからなる金属板と、前記金属板と前記セラミックス基板とが接合される接合界面に形成され、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部と、を含む。

　この構成のパワーモジュール用基板においては、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板とがケイ素を含有するろう材によって接合され、この接合界面に、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部が形成されている。これにより、接合界面に存在するケイ素原子によってＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との間の接合強度が向上する。
　ここで、金属板中のケイ素濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５０ｎｍ以上）離れた部分におけるケイ素濃度である。

　本発明の第７態様のパワーモジュール用基板においては、前記高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法により分析されたＡｌ、Ｓｉ、Ｏの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ＝４０～８０ｗｔ％：２～１０ｗｔ％：５０ｗｔ％以下であることが好ましい。
　この場合、前記高濃度部を含む接合界面に存在するケイ素の質量比が２ｗｔ％以上であるので、セラミックス基板とアルミニウム（金属板）との間の接合力を確実に向上させることができる。
　なお、接合界面において、質量比が１０ｗｔ％を超えるようにケイ素を存在させることは困難である。
　また、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点（例えば、１０～１００点）が測定され、上記の各元素の質量比平均が算出される。
　また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との間の接合界面を測定せずに、結晶粒とセラミックス基板との間の接合界面のみを測定する。

　本発明の第８態様のパワーモジュールは、上記第７態様のパワーモジュール用基板と、前記パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を含む。
　この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との間の接合強度が高く、熱応力が繰り返し生じるような使用環境であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。

　本発明の第９態様のパワーモジュール用基板を製造する方法は、Ａｌ_２Ｏ_３からなり表面を有するセラミックス基板と、純アルミニウムからなる金属板と、ケイ素を含有するろう材とを準備し、前記セラミックス基板及び前記金属板を、ろう材を介して積層し、前記積層された前記セラミックス基板、前記ろう材、及び前記金属板を加圧した状態で加熱し、前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成（溶融工程）し、前記溶融アルミニウム層を冷却することによって前記溶融アルミニウム層を凝固（凝固工程）させ、前記溶融工程及び前記凝固工程において前記セラミックス基板と前記金属板とが接合された接合界面に、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部を生成させる。

　このパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との間の接合界面に、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部を生成させている。
　これにより、ケイ素原子によってＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との間の接合強度の向上を図ることができる。
　また、前記溶融工程においては、ろう材が界面で十分に溶融し、溶融アルミニウム層が形成される。その後、凝固工程においては、溶融アルミニウム層が凝固されているので、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。

　本発明の第９態様のパワーモジュール用基板の製造方法においては、前記セラミックス基板及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を予め付着させる（ケイ素付着工程）ことが好ましい。
　本発明の第９態様のパワーモジュール用基板の製造方法においては、前記セラミックス基板及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記金属板の表面にケイ素を予め付着させることが好ましい。
　この場合、ケイ素付着工程において、セラミックス基板と金属板との間の接合界面にケイ素元素を確実に存在させることが可能である。
　これにより、接合界面に前記金属中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部を確実に生成させることが可能となり、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との間の接合強度の向上を図ることができる。
　なお、ケイ素原子はスパッタリング又は蒸着などによってセラミックス基板の接合面（表面）に付着させることができる。

　本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール基板を含むパワーモジュール及びこの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である。

本発明の第１実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの断面図である。本発明の第１実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との間の接合界面を模式的に示した断面図である。本発明の第１実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す断面図である。図３における金属板とセラミックス基板との間の接合界面近傍を示す断面図である。比較実験に用いたパワーモジュール用基板を示す断面図である。本発明の第２実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの断面図である。本発明の第２実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミック基板との間の接合界面を模式的に示した断面図である。本発明の第２実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す断面図である。図８における金属板とセラミックス基板との間の接合界面近傍を示す断面図である。比較実験に用いたパワーモジュール用基板を示す断面図である。本発明の第３実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの断面図である。本発明の第３実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミックス基板との間の接合界面を模式的に示した断面図である。本発明の第３実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す断面図である。図１３における金属板とセラミックス基板との間の接合界面近傍を示す断面図である。比較実験に用いたパワーモジュール用基板を示す断面図である。

　以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
　このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４とを含む。
　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系のはんだ材である。
　なお、第１実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（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の第１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の第２面（図１において下面）に配設された金属層１３とを含む。
　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基板であって、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、第１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の第１面に導電性を有する金属板２２がろう付けされることにより形成されている。
　第１実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１にろう付けされることにより形成されている。
　ここで、第１実施形態においては、融点降下元素としてＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いている。

　金属層１３は、セラミックス基板１１の第２面に金属板２３がろう付けされることにより形成されている。
　第１実施形態においては、金属層１３は、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１にろう付けされることで形成されている。
　第１実施形態においてはＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いている。

　ヒートシンク４は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するための部材であり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６とを含む。
　ヒートシンク４（天板部５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、第１実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
　また、第１実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。

　そして、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）との間の接合界面３０、及びセラミックス基板１１と金属層１３（金属板２３）との間の接合界面３０、を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図２に示すように、接合界面３０にケイ素及び酸素が濃縮した高濃度部３２が形成されている。
　この高濃度部３２におけるケイ素濃度は、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のケイ素濃度よりも５倍以上高い。
　さらに、高濃度部３２における酸素濃度は、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中の酸素濃度よりも高い。
　なお、この高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下である。
　ここで、透過電子顕微鏡によって観察される接合界面３０において、図２に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓと定義する。

　また、この接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ：Ｎ＝４０～８０ｗｔ％：２～１０ｗｔ％：２０ｗｔ％以下：１０～４０ｗｔ％の範囲内に設定されている。
　なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１～４ｎｍであり、接合界面３０における複数点（例えば、第１実施形態では２０点）が測定され、上記の各元素の質量比平均が算出される。
　また、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３の結晶粒界とセラミックス基板１１との間の接合界面３０を測定せず、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３の結晶粒とセラミックス基板１１との間の接合界面３０のみを測定する。

　このようなパワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。
　図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と、後に述べる溶融工程及び凝固工程によって回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）と、厚さ１５～３０μｍ（第１実施形態では２０μｍ）のろう材箔２４と、後に述べる溶融工程及び凝固工程によって金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）と、厚さ１５～３０μｍ（第１実施形態では２０μｍ）のろう材箔２５とを準備する。
　次に、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１の第１面に金属板２２がろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の第２面に金属板２３がろう材箔２５を介して積層される。これによって積層体２０が形成される。

　次に、図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示すように、この積層体２０をその積層方向に加圧（圧力１～３ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２４、２５を溶融する（溶融工程）。
　ここで真空炉内の真空度は、１０^－３Ｐａ～１０^－５Ｐａである。
　この溶融工程によって、図４（ｃ）に示すように、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３の一部とろう材箔２４、２５とが溶融し、セラミックス基板１１の表面に溶融アルミニウム層２６、２７が形成される。

　次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層２６、２７を凝固させる（凝固工程）。
　この溶融工程と凝固工程によって、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間の接合界面３０に、ケイ素及び酸素が濃縮した高濃度部３２が形成される。
　このようにして第１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。

　以上の構成を有する第１実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１においては、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とがろう付けによって接合されている。金属板２２とセラミックス基板１１との間の接合界面３０、及び金属板２３とセラミックス基板１１との間の接合界面３０に、高濃度部３２が形成されている。高濃度部３２のケイ素濃度は、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のケイ素濃度の５倍以上であり、かつ、高濃度部３２の酸素濃度は、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中の酸素濃度よりも高い。これにより、接合界面３０に存在するケイ素及び酸素によってセラミックス基板１１と金属板２２、２３との間の接合強度の向上を図ることができる。

　また、高濃度部３２を含む接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ：Ｎ＝４０～８０ｗｔ％：２～１０ｗｔ％：２０ｗｔ％以下：１０～４０ｗｔ％である。また、高濃度部３２を含む接合界面３０に存在するケイ素の質量比は、２ｗｔ％以上である。これにより、セラミックス基板とアルミニウム（金属板）との間の接合力を確実に向上させることができる。
　なお、接合界面３０にケイ素を、質量比が１０ｗｔ％を超えるように存在させることは困難である。
　また、高濃度部３２を含む接合界面３０に存在する酸素原子の質量比が２０ｗｔ％以下であるので、熱サイクルを負荷した際に高濃度部３２にクラックが発生することを防止できる。

　また、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とを接合する際に、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材を用いているので、接合温度を比較的低く設定しても、ろう材箔２４、２５を確実に溶融させて溶融アルミニウム層２６、２７を形成することができる。

　以上、本発明の第１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。
　第１実施形態においては、回路層及び金属層を構成する金属板として、純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板を採用した場合を説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）を用いてもよい。

　また、接合界面にケイ素原子を確実に点在させるために、金属板とセラミックス基板とを接合する前に、セラミックス基板の表面にケイ素原子を付着させてもよい（ケイ素付着工程）。
　さらに、第１実施形態においては、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けた場合を説明したが、この緩衝層は設けなくてもよい。
　また、ヒートシンクをアルミニウムで構成された構造を説明したが、アルミニウム合金、銅、又は銅合金でヒートシンクが構成された構造を採用してもよい。
　さらに、ヒートシンクとして、冷却媒体の流路を有する構造を説明したが、ヒートシンクの構造は限定されない。

（第２実施形態）
　図６は、本発明の第２実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
　このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層１０２を介して接合された半導体チップ１０３と、ヒートシンク１０４とを含む。
　ここで、はんだ層１０２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材である。
　なお、第２実施形態では、回路層１１２とはんだ層１０２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

　パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の第１面（図６において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の第２面（図６において下面）に配設された金属層１１３とを含む。
　セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止する基板であって、絶縁性の高いＳｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）で構成されている。
　また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２～１．５ｍｍの範囲内に設定されており、第２実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

　回路層１１２は、セラミックス基板１１１の第１面に導電性を有する金属板１２２がろう付けされることにより形成されている。
　第２実施形態においては、回路層１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１にろう付けされることにより形成されている。
　ここで、第２実施形態においては、融点降下元素としてＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いている。

　金属層１１３は、セラミックス基板１１１の第２面に金属板１２３がろう付けされることにより形成されている。
　第２実施形態においては、金属層１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１にろう付けされることで形成されている。
　第２実施形態においてはＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いている。

　ヒートシンク１０４は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するための部材であり、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１０５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１０６とを含む。
　ヒートシンク１０４（天板部１０５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、第２実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
　また、第２実施形態においては、ヒートシンク１０４の天板部１０５と金属層１１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１１５が設けられている。

　そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）との間の接合界面１３０、及びセラミックス基板１１１と金属層１１３（金属板１２３）との間の接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図７に示すように、接合界面１３０に酸素が濃縮した高濃度部１３２が形成されている。
　この高濃度部１３２における酸素濃度は、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）中の酸素濃度よりも高い。
　なお、この高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下である。
　ここで、透過電子顕微鏡によって観察される接合界面１３０において、図７に示すように、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓと定義する。

　また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ：Ｎ＝１５～５０ｗｔ％：２５～５０ｗｔ％：２０ｗｔ％以下：１０～４０ｗｔ％の範囲内に設定されている。
　なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１～４ｎｍであり、接合界面１３０における複数点（例えば、第２実施形態では１００点）が測定され、上記の各元素の質量比平均が算出される。
　また、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３の結晶粒界とセラミックス基板１１１との間の接合界面１３０を測定せず、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３の結晶粒とセラミックス基板１１１との間の接合界面１３０のみを測定する。

　このようなパワーモジュール用基板１１０は、以下のようにして製造される。
　図８（ａ）及び図９（ａ）に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１と、後に述べる溶融工程及び凝固工程によって回路層１１２となる金属板１２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）と、厚さ１５～３０μｍ（第２実施形態では２０μｍ）のろう材箔１２４と、後に述べる溶融工程及び凝固工程によって金属層１１３となる金属板１２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）と、厚さ１５～３０μｍ（第２実施形態では２０μｍ）のろう材箔１２５とを準備する。
　次に、図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１１の第１面に金属板１２２がろう材箔１２４を介して積層され、セラミックス基板１１１の第２面に金属板１２３がろう材箔１２５を介して積層される。これによって積層体１２０が形成される。

　次に、図８（ｃ）及び図９（ｃ）に示すように、この積層体１２０をその積層方向に加圧（圧力１～３ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔１２４、１２５を溶融する（溶融工程）。
　ここで真空炉内の真空度は、１０^－３Ｐａ～１０^－５Ｐａである。
　この溶融工程によって、図９（ｃ）に示すように、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３の一部とろう材箔１２４、１２５とが溶融し、セラミックス基板１１１の表面に溶融アルミニウム層１２６、１２７が形成される。

　次に、積層体１２０を冷却することによって溶融アルミニウム層１２６、１２７を凝固させる（凝固工程）。
　この溶融工程と凝固工程によって、接合界面１３０に、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有する高濃度部１３２が生成される。
　なお、この高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下である。
　このようにして第２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。

　以上の構成を有する第２実施形態であるパワーモジュール用基板１１０及びパワーモジュール１０１においては、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とがろう付けによって接合されている。金属板１２２とセラミックス基板１１１との間の接合界面１３０、及び金属板１２３とセラミックス基板１１１との間の接合界面１３０に、高濃度部１３２が生成されている。高濃度部１３２の酸素濃度は、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３中の酸素濃度よりも高い。これにより、この酸素によってセラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３との間の接合強度の向上を図ることができる。
　また、この高濃度部１３２の厚さが４ｎｍ以下であるので、熱サイクルを負荷した際の応力によって高濃度部１３２にクラックが発生することが抑制される。

　また、高濃度部１３２を含む接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ：Ｎ＝１５～５０ｗｔ％：２５～５０ｗｔ％：２０ｗｔ％以下：１０～４０ｗｔ％である。これにより、熱サイクルを負荷した際に高濃度部１３２にクラックが発生することを防止できる。

　また、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とを接合する際に、融点降下元素としてＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いているので、接合温度を比較的低く設定しても、ろう材箔１２４、１２５を確実に溶融させて溶融アルミニウム層１２６、１２７を形成することができる。

　以上、本発明の第２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、ろう材として、Ａｌ－Ｓｉ系からなるろう材を用いる場合を説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系等の他の融点降下元素を有するろう材を使用してもよい。
　また、第２実施形態においては、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けた場合を説明したが、この緩衝層は設けなくてもよい。

　さらに、第２実施形態においては、回路層及び金属層を構成する金属板として、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板を採用した場合を説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）を用いてもよい。
　また、ヒートシンクをアルミニウムで構成された構造を説明したが、アルミニウム合金、銅、又は銅合金でヒートシンクが構成された構造を採用してもよい。
　さらに、ヒートシンクとして、冷却媒体の流路を有する構造を説明したが、ヒートシンクの構造は限定されない。

（第３実施形態）
　図１１に本発明の第３実施形態であるパワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
　このパワーモジュール２０１は、回路層２１２が配設されたパワーモジュール用基板２１０と、回路層２１２の表面にはんだ層２０２を介して接合された半導体チップ２０３と、ヒートシンク２０４とを含む。
　ここで、はんだ層２０２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材である。
　なお、第３実施形態では、回路層２１２とはんだ層２０２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。

　パワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の第１面（図１１において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の第２面（図１１において下面）に配設された金属層２１３とを含む。
　セラミックス基板２１１は、回路層２１２と金属層２１３との間の電気的接続を防止する基板であって、絶縁性の高いＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で構成されている。
　また、セラミックス基板２１１の厚さは、０．２～１．５ｍｍの範囲内に設定されており、第３実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

　回路層２１２は、セラミックス基板２１１の第１面に導電性を有する金属板２２２がろう付けされることにより形成されている。
　第３実施形態においては、回路層２１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２２がセラミックス基板２１１にろう付けされることにより形成されている。
　ここで、第３実施形態においては、融点降下元素としてＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いている。

　金属層２１３は、セラミックス基板２１１の第２面に金属板２２３がろう付けされることにより形成されている。
　第３実施形態においては、金属層２１３は、回路層２１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２３がセラミックス基板２１１にろう付けされることで形成されている。
　第３実施形態においてはＡｌ－Ｓｉ系のろう材を用いている。

　ヒートシンク２０４は、前述のパワーモジュール用基板２１０を冷却するための部材であり、パワーモジュール用基板２１０と接合される天板部２０５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路２０６とを含む。
　ヒートシンク２０４（天板部２０５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、第３実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
　また、第３実施形態においては、ヒートシンク２０４の天板部２０５と金属層２１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層２１５が設けられている。

　そして、セラミックス基板２１１と回路層２１２（金属板２２２）との間の接合界面２３０、及びセラミックス基板２１１と金属層２１３（金属板２２３）との間の接合界面２３０、を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１２に示すように、接合界面２３０にケイ素が濃縮した高濃度部２３２が形成されている。
　この高濃度部２３２におけるケイ素濃度は、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）中のケイ素濃度よりも５倍以上高い。
　なお、この高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下である。
　ここで、透過電子顕微鏡によって観察される接合界面２３０において、図１２に示すように、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板２１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓと定義する。

　また、この接合界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｏの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ＝４０～８０ｗｔ％：２～１０ｗｔ％：５０ｗｔ％以下の範囲内に設定されている。
　なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１～４ｎｍであり、接合界面２３０における複数点（例えば、第３実施形態では２０点）が測定され、上記の各元素の質量比平均が算出される。
　また、回路層２１２及び金属層２１３を構成する金属板２２２、２２３の結晶粒界とセラミックス基板２１１との間の接合界面２３０を測定せず、回路層２１２及び金属層２１３を構成する金属板２２２、２２３の結晶粒とセラミックス基板２１１との間の接合界面２３０のみを測定する。

　このようなパワーモジュール用基板２１０は、以下のようにして製造される。
　図１３（ａ）及び図１４（ａ）に示すように、Ａｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板２１１と、後に述べる溶融工程及び凝固工程によって回路層２１２となる金属板２２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）と、厚さ１５～３０μｍ（第３実施形態では２０μｍ）のろう材箔２２４と、後に述べる溶融工程及び凝固工程によって金属層２１３となる金属板２２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）と、厚さ１５～３０μｍ（第３実施形態では２０μｍ）のろう材箔２２５とを準備する。
　次に、図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）に示すように、セラミックス基板２１１の第１面に金属板２２２がろう材箔２２４を介して積層され、セラミックス基板２１１の第２面に金属板２２３がろう材箔２２５を介して積層される。これによって積層体２２０が形成される。

　次に、図１３（ｃ）及び図１４（ｃ）に示すように、この積層体２２０をその積層方向に加圧（圧力１～３ｋｇｆ／ｃｍ^２）した状態で真空炉内に装入して加熱し、ろう材箔２２４、２２５を溶融する（溶融工程）。
　ここで真空炉内の真空度は、１０^－３Ｐａ～１０^－５Ｐａである。
　この溶融工程によって、図１４（ｃ）に示すように、回路層２１２及び金属層２１３となる金属板２２２、２２３の一部とろう材箔２２４、２２５とが溶融し、セラミックス基板２１１の表面に溶融アルミニウム層２２６、２２７が形成される。

　次に、積層体２２０を冷却することによって溶融アルミニウム層２２６、２２７を凝固させる（凝固工程）。
　この溶融工程と凝固工程によって、回路層２１２及び金属層２１３となる金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１との間の接合界面２３０にケイ素が濃縮した高濃度部２３２が形成される。
　このようにして第３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。

　以上の構成を有する第３実施形態であるパワーモジュール用基板２１０及びパワーモジュール２０１においては、回路層２１２及び金属層２１３となる金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１とがろう付けによって接合されている。金属板２２２とセラミックス基板２１１との間の接合界面２３０、及び金属板２２３とセラミックス基板２１１との間の接合界面２３０に、高濃度部２３２が形成されている。高濃度部２３２のケイ素濃度は、回路層２１２（金属板２２２）及び金属層２１３（金属板２２３）中のケイ素濃度の５倍以上である。これにより、接合界面２３０に存在するケイ素によってセラミックス基板２１１と金属板２２２、２２３との間の接合強度の向上を図ることができる。

　また、接合界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ：Ｓｉ：Ｏ＝４０～８０ｗｔ％：２～１０ｗｔ％：５０ｗｔ％以下としている。即ち、接合界面２３０に存在するケイ素原子２３１の質量比が１０ｗｔ％以下である。また、高濃度部２３２を含む接合界面２３０に存在するケイ素の質量比が２ｗｔ％以上である。これにより、セラミックス基板とアルミニウム（金属板）との間の接合力を確実に向上させることができる。
　なお、接合界面２３０にケイ素を、質量比が１０ｗｔ％を超えるように存在させることは困難である。

　また、金属板２２２、２２３とセラミックス基板２１１とを接合する際に、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材を用いているので、接合温度を比較的低く設定しても、ろう材箔２２４、２２５を確実に溶融させて溶融アルミニウム層２２６、２２７を形成することができる。

　以上、本発明の第３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。
　第３実施形態においては、回路層及び金属層を構成する金属板として、純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板を採用した場合を説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）を用いてもよい。
　また、第３実施形態においては、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けた場合を説明したが、この緩衝層は設けなくてもよい。

　また、接合界面にケイ素原子を確実に点在させるために、金属板とセラミックス基板とを接合する前に、セラミックス基板の表面もしくは金属板の表面にケイ素原子を付着させてもよい（ケイ素付着工程）。
　また、ヒートシンクをアルミニウムで構成された構造を説明したが、アルミニウム合金、銅、又は銅合金でヒートシンクが構成された構造を採用してもよい。
　さらに、ヒートシンクとして、冷却媒体の流路を有する構造を説明したが、ヒートシンクの構造は限定されない。

（第１実施例）
　本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
　以下に説明する第１実施例は、上記の第１実施形態に対応している。
　図５に示すように、比較例１～３及び実施例１～３においては、共通のパワーモジュール用基板の試験片を用いて実験を行なっている。具体的に、このパワーモジュール用基板は、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１１と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層１２と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層１３と、厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６０６３）からなる天板部５と、厚さ１．０ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる緩衝層１５とを有している。
　この試験片を用いて接合界面の観察及び接合強度の評価を行った。

　この接合界面の観察をする際に、電界放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ－ＴＥＭ）として日本電子株式会社製ＪＥＭ－２０１０Ｆを用いた。加速電圧を２００ｋＶに設定して、接合界面の観察を行った。
　観察試料は次のようにして作製した。
　まず、金属板とセラミックス基板とが接合された試料を準備し、この試料をダイヤモンドカッタでスライスし、厚さが約３０μｍ程度になるようにダイヤモンド砥石によって機械研磨を行った。
　その後、アルゴンイオン（５ｋＶ、３０μＡ）によってイオンミリングを行い、電子線が透過可能な厚さである０．１μｍ以下の部分を有する観察試料を作製した。
　接合界面の観察においては、接合界面に形成された高濃度部の厚さを２０点測定し、その平均値を算出した。
　高濃度部の平均厚さ測定結果を表１に示す。

　また、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）としてノーラン社製Ｖｏｙａｇｅｒを用いて、金属板とセラミックス基板との間の接合界面を分析した。分析結果を表１に示す。
　ここで、金属板のうち接合界面から５０ｎｍ離れた位置を同様に分析した結果、ケイ素濃度（金属板中のケイ素濃度）は、０．２～０．３ｗｔ％であった。
　なお、前述のＴＥＭ観察及びＥＤＳ分析には、２軸傾斜分析用ホルダーを使用した。

　接合強度の評価としては、熱サイクル（－４５℃から１２５℃）を３０００回繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を表１に示す。

　接合界面にケイ素が高濃度に存在しない比較例１～３においては、熱サイクル試験後の接合率が低く、熱サイクル信頼性に劣ることが確認された。
　一方、接合界面に、ケイ素が金属板中の５倍以上の濃度で存在している実施例１～３においては、３０００サイクル後においても接合率が９０％以上であり、熱サイクル信頼性が向上することが確認された。
　なお、実施例３において高濃度部の厚さが０．０ｎｍであるが、透過型電子顕微鏡観察における２０点の測定値すべてが０．０ｎｍであった。
　なお、このように高濃度部が明確に観察されなくても、接合界面をＥＤＳ分析した結果、ケイ素濃度が５．５ｗｔ％と金属板中のケイ素濃度（０．２～０．３ｗｔ％）の５倍以上であり、高濃度部が存在していることは明らかである。

（第２実施例）
　本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
　以下に説明する第２実施例は、上記の第２実施形態に対応している。
　図１０に示すように、比較例４～６及び実施例４～６においては、共通のパワーモジュール用基板の試験片を用いて実験を行なっている。具体的に、このパワーモジュール用基板は、厚さ０．６３５ｍｍのＳｉ_３Ｎ_４からなるセラミックス基板１１１と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層１１２と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層１１３と、厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６０６３）からなる天板部１０５と、厚さ１．０ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる緩衝層１１５とを有している。
　この試験片を用いて接合界面の観察及び接合強度の評価を行った。

　この接合界面の観察をする際に、電界放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ－ＴＥＭ）として日本電子株式会社製ＪＥＭ－２０１０Ｆを用いた。加速電圧を２００ｋＶに設定して、接合界面の観察を行った。
　観察試料は次のようにして作製した。
　まず、金属板とセラミックス基板とが接合された試料を準備し、この試料をダイヤモンドカッタでスライスし、厚さが約３０μｍ程度になるようにダイヤモンド砥石によって機械研磨を行った。
　その後、アルゴンイオン（５ｋＶ、３０μＡ）によってイオンミリングを行い、電子線が透過可能な厚さである０．１μｍ以下の部分を有する観察試料を作製した。
　接合界面の観察においては、接合界面に形成された高濃度部の厚さを２０点測定し、その平均値を算出した。
　高濃度部の平均厚さ測定結果を表２に示す。

　また、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）としてノーラン社製Ｖｏｙａｇｅｒを用いて、金属板とセラミックス基板との間の接合界面を分析した。分析結果を表２に示す。
　なお、前述のＴＥＭ観察及びＥＤＳ分析には、２軸傾斜分析用ホルダーを使用した。

　接合強度の評価としては、熱サイクル（－４５℃から１２５℃）を３０００回繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を表２に示す。

　接合界面に酸素が濃縮した高濃度部が４ｎｍより厚く形成された比較例４～６においては、熱サイクル試験後の接合率が低く、熱サイクル信頼性に劣ることが確認された。
　一方、接合界面に、酸素が濃縮した高濃度部が形成され、その厚さが４ｎｍ以下である実施例４～６においては、３０００サイクル後においても接合率が９０％以上であり、熱サイクル信頼性が向上することが確認された。

（第３実施例）
　本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
　以下に説明する第３実施例は、上記の第３実施形態に対応している。
　図１５に示すように、比較例７～９及び実施例７～９においては、共通のパワーモジュール用基板の試験片を用いて実験を行なっている。具体的に、このパワーモジュール用基板は、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３からなるセラミックス基板２１１と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層２１２と、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属層２１３と、厚さ５ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６０６３）からなる天板部２０５と、厚さ１．０ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる緩衝層２１５とを共通に有している。
　この試験片を用いて接合界面の観察及び接合強度の評価を行った。

　この接合界面の観察をする際に、電界放射型透過電子顕微鏡（ＦＥ－ＴＥＭ）として日本電子株式会社製ＪＥＭ－２０１０Ｆを用いた。加速電圧を２００ｋＶに設定して、接合界面の観察を行った。
　観察試料は次のようにして作製した。
　まず、金属板とセラミックス基板とが接合された試料を準備し、この試料をダイヤモンドカッタでスライスし、厚さが約３０μｍ程度になるようにダイヤモンド砥石によって機械研磨を行った。
　その後、アルゴンイオン（５ｋＶ、３０μＡ）によってイオンミリングを行い、電子線が透過可能な厚さである０．１μｍ以下の部分を有する観察試料を作製した。
　接合界面の観察においては、接合界面に形成された高濃度部の厚さを２０点測定し、その平均値を算出した。
　高濃度部の平均厚さ測定結果を表３に示す。

　また、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）としてノーラン社製Ｖｏｙａｇｅｒを用いて、金属板とセラミックス基板との間の接合界面を分析した。分析結果を表３に示す。
　ここで、金属板のうち接合界面から５０ｎｍ離れた位置を同様に分析した結果、ケイ素濃度（金属板中のケイ素濃度）は、０．２～０．３ｗｔ％であった。
　なお、前述のＴＥＭ観察及びＥＤＳ分析には、２軸傾斜分析用ホルダーを使用した。

　接合強度の評価としては、熱サイクル（－４５℃から１２５℃）を３０００回繰り返した後の接合率を比較した。評価結果を表３に示す。

　接合界面にケイ素が高濃度に存在しない比較例７～９においては、熱サイクル試験後の接合率が低く、熱サイクル信頼性に劣ることが確認された。
　一方、接合界面に、ケイ素が金属板中の５倍以上の濃度で存在している実施例７～９においては、３０００サイクル後においても接合率が９０％以上であり、熱サイクル信頼性が向上することが確認された。
　なお、実施例９において高濃度部の厚さが０．０ｎｍであるが、透過型電子顕微鏡観察における２０点の測定値すべてが０．０ｎｍであった。
　なお、このように高濃度部が明確に観察されなくても、接合界面をＥＤＳ分析した結果、ケイ素濃度が５．５ｗｔ％と金属板中のケイ素濃度（０．２～０．３ｗｔ％）の５倍以上であり、高濃度部が存在していることは明らかである。

　以上詳述したように、本発明は、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板に有用であり、また、このパワーモジュール基板を含むパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法に有用である。

１、１０１、２０１　パワーモジュール
２、１０２、２０２　はんだ層
３、１０３、２０３　半導体チップ（電子部品）
１０、１１０、２１０　パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１　セラミックス基板
１２、１１２、２１２　回路層
１３、１１３、２１３　金属層
２２、２３、１２２、１２３、２２２、２２３　金属板
２４、２５、１２４、１２５、２２４、２２５　ろう材箔（ろう材）
２６、２７、１２６、１２７、２２６、２２７　溶融アルミニウム層
３０、１３０、２３０　接合界面
３２、１３２、２３２　高濃度部

Claims

　パワーモジュール用基板であって、
　ＡｌＮからなり、表面を有するセラミックス基板と、
　前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を含有するろう材を介して接合される純アルミニウムからなる金属板と、
　前記金属板と前記セラミックス基板とが接合される接合界面に形成され、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部と、
　を含む、ことを特徴とするパワーモジュール用基板。
　請求項１に記載のパワーモジュール用基板であって、
　前記高濃度部の酸素濃度は、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高く、
　前記高濃度部の厚さは、４ｎｍ以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
　請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板であって、
　前記高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法により分析されたＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ：Ｎ＝４０～８０ｗｔ％：２～１０ｗｔ％：２０ｗｔ％以下：１０～４０ｗｔ％であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
　パワーモジュールであって、
　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、
　前記パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、
　を含む、ことを特徴とするパワーモジュール。
　パワーモジュール用基板の製造方法であって、
　ＡｌＮからなり表面を有するセラミックス基板と、純アルミニウムからなる金属板と、ケイ素を含有するろう材とを準備し、
　前記セラミックス基板及び前記金属板を、ろう材を介して積層し、
　前記積層された前記セラミックス基板、前記ろう材、及び前記金属板を加圧した状態で加熱し、
　前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成し、
　前記溶融アルミニウム層を冷却することによって前記溶融アルミニウム層を凝固させ、
　前記セラミックス基板と前記金属板とが接合された接合界面に、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部を生成させる、ことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
　請求項５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及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を予め付着させ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。
　請求項５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及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記金属板の表面にケイ素を予め付着させ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。
　パワーモジュール用基板であって、
　Ｓｉ_３Ｎ_４からなり、表面を有するセラミックス基板と、
　前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を含有するろう材を介して接合される純アルミニウムからなる金属板と、
　前記金属板と前記セラミックス基板とが接合される接合界面に形成され、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有し、厚さが４ｎｍ以下である高濃度部と、
　を含む、ことを特徴とするパワーモジュール用基板。
　請求項８に記載のパワーモジュール用基板であって、
　前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法により分析されたＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ：Ｎ＝１５～５０ｗｔ％：２５～５０ｗｔ％：２０ｗｔ％以下：１０～４０ｗｔ％であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
　前記融点降下元素がケイ素であることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のパワーモジュール用基板。
　パワーモジュールであって、
　請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、
　前記パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、
　を含む、ことを特徴とするパワーモジュール。
　パワーモジュール用基板を製造する方法であって、
　Ｓｉ_３Ｎ_４からなり、表面を有するセラミックス基板と、純アルミニウムからなる金属板と、融点降下元素を含有するろう材とを準備し、
　前記セラミックス基板及び前記金属板を、ろう材を介して積層し、
　前記積層された前記セラミックス基板、前記ろう材、及び前記金属板を加圧した状態で加熱し、
　前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成し、
　前記溶融アルミニウム層を冷却することによって前記溶融アルミニウム層を凝固させ、
　前記セラミックス基板と前記金属板とが接合された接合界面に、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高い酸素濃度を有し、厚さが４ｎｍ以下である高濃度部を生成させる、ことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
　請求項１２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及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記セラミックス板の前記表面にケイ素を予め付着させ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。
　請求項１２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及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記金属板の表面にケイ素を予め付着させ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。
　パワーモジュール用基板であって、
　Ａｌ_２Ｏ_３からなり、表面を有するセラミックス基板と、
　前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を含有するろう材を介して接合される純アルミニウムからなる金属板と、
　前記金属板と前記セラミックス基板とが接合される接合界面に形成され、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部と、
　を含む、ことを特徴とするパワーモジュール用基板。
　請求項１５に記載のパワーモジュール用基板であって、
　前記高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法により分析されたＡｌ、Ｓｉ、Ｏの質量比は、Ａｌ：Ｓｉ：Ｏ＝４０～８０ｗｔ％：２～１０ｗｔ％：５０ｗｔ％以下であることを特徴とするパワーモジュール用基板。
　パワーモジュールであって、
　請求項１５又は請求項１６に記載のパワーモジュール用基板と、
　前記パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、
　を含む、ことを特徴とするパワーモジュール。
　パワーモジュール用基板を製造する方法であって、
　Ａｌ_２Ｏ_３からなり表面を有するセラミックス基板と、純アルミニウムからなる金属板と、ケイ素を含有するろう材とを準備し、
　前記セラミックス基板及び前記金属板を、ろう材を介して積層し、
　前記積層された前記セラミックス基板、前記ろう材、及び前記金属板を加圧した状態で加熱し、
　前記ろう材を溶融させてセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成し、
　前記溶融アルミニウム層を冷却することによって前記溶融アルミニウム層を凝固させ、
　前記セラミックス基板と前記金属板とが接合された接合界面に、前記金属板中のケイ素濃度の５倍以上であるケイ素濃度を有する高濃度部を生成させる、ことを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
　請求項１８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及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記セラミックス基板の前記表面にケイ素を予め付着させ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。
　請求項１８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及び前記金属板をろう材を介して積層する前に、前記金属板の表面にケイ素を予め付着させ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。