WO2014148420A1 - パワーモジュール用基板の製造方法 - Google Patents

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substrate
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copper plate
bonding
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伸幸 寺▲崎▼
長友　義幸
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三菱マテリアル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate in which a circuit layer is disposed on one surface of a ceramic substrate and a metal layer is disposed on the other surface.
  • a power module substrate in which a metal plate having excellent conductivity is bonded as a circuit layer and a metal layer to one surface and the other surface of a ceramic substrate made of has been widely used. Further, in such a power module substrate, a heat sink may be bonded to the metal layer side via a solder material.
  • the power module substrate shown in Patent Document 1 has a structure in which a circuit layer and a metal layer are formed by bonding a copper plate to one surface and the other surface of a ceramic substrate.
  • a copper plate is disposed on one surface and the other surface of a ceramic substrate with an Ag—Cu—Ti brazing material interposed therebetween, and heat treatment is performed to bond the copper plate.
  • Patent Document 2 proposes a power module substrate in which a circuit layer is formed by bonding a copper plate to one surface of a ceramic substrate and a metal layer is formed by bonding an aluminum plate to the other surface.
  • a circuit layer is formed by bonding a copper plate to one surface of a ceramic substrate
  • a metal layer is formed by bonding an aluminum plate to the other surface.
  • the metal layer of the power module substrate and the heat sink are joined, the thermal stress generated between the power module substrate and the heat sink when a cooling cycle is applied, the metal layer made of aluminum having a relatively small deformation resistance. It is possible to suppress the generation of cracks in the ceramic substrate.
  • heat treatment is performed with one surface of the ceramic substrate interposed with an Ag—Cu—Ti brazing material, the copper plate is joined, and then the other side of the ceramic substrate.
  • the aluminum plate is bonded by heat treatment with an Al—Si brazing material interposed between the two surfaces.
  • the melting point of the Ag—Cu—Ti brazing material is higher than the melting point of the aluminum plate
  • Ag—Cu— is formed on one surface of the ceramic substrate like the power module substrate disclosed in Patent Document 2.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is capable of bonding a copper plate on one surface of a ceramic substrate and an aluminum plate on the other surface at the same time and at a low temperature, and for a power module having a low manufacturing cost.
  • An object is to provide a method for manufacturing a substrate.
  • the method for manufacturing a power module substrate of the present invention includes a ceramic substrate, a circuit layer formed by bonding a copper plate to one surface of the ceramic substrate, and an aluminum plate bonded to the other surface of the ceramic substrate.
  • a power module substrate comprising: a metal layer comprising: an active metal material and a filler material having a melting point of 660 ° C. or less on one surface side of the ceramic substrate; A first laminating step of laminating the copper plate; a second laminating step of laminating the ceramic substrate and the aluminum plate via a bonding material on the other surface side of the ceramic substrate; and the laminated ceramic substrate.
  • the melting point is the solidus temperature.
  • the filler material refers to a brazing material or a solder material.
  • a copper plate is laminated on one surface side of the ceramic substrate via an active metal material and a filler material having a melting point of 660 ° C. or less, and the ceramic substrate,
  • the copper plate laminated on the ceramic substrate is heat-treated together with the aluminum plate laminated on the ceramic substrate.
  • the active metal dissolves in the molten liquid phase filler material, the wettability of the liquid phase filler material to the ceramic substrate increases, and after the filler material solidifies, the ceramic substrate passes through the filler material.
  • the copper plate is joined well.
  • the melting point of the filler material is preferably 600 ° C. or less.
  • the melting point of the filler material is 660 ° C. or less
  • the liquid phase of the filler material can be formed at a lower temperature than when an Ag—Cu—Ti brazing material is used.
  • the thermal load on the ceramic substrate can be reduced.
  • the ceramic substrate and the copper plate are joined using a filler material that does not contain Ag, the manufacturing cost can be reduced as compared with the case where an Ag—Cu—Ti brazing material is used.
  • the filler material may be disposed on the ceramic substrate side, and the active metal material may be disposed on the copper plate side.
  • the copper plate and the active metal material can be bonded by solid phase diffusion bonding during the heat treatment, and a liquid phase of Cu and the active metal is generated at the bonding interface, resulting in bumps at the bonding interface, It is possible to suppress fluctuations.
  • the active metal material is interposed between the liquid phase of the filler material and the copper plate, the liquid phase of the filler material and the copper plate are not in direct contact with each other, and a bump is formed at the joining interface or the thickness is increased. Can be reliably suppressed.
  • the filler material is well bonded to the ceramic substrate, and the active metal material and the copper plate are bonded by solid phase diffusion bonding, so that the ceramic substrate and the copper plate can be bonded well even at low temperature conditions. It is possible to suppress thermal degradation of the ceramic substrate.
  • the filler material may be a brazing material having a liquidus temperature of 450 ° C. or higher.
  • the brazing material may be any one selected from a Cu—P—Sn—Ni brazing material, a Cu—Sn brazing material, and a Cu—Al brazing material.
  • the filler material may be a solder material having a liquidus temperature of less than 450 ° C.
  • the solder material may be a Cu—P—Sn—Ni based solder material or a Cu—Sn based solder material.
  • the copper plate can be bonded to one surface of the ceramic substrate at a low temperature
  • the aluminum plate can be simultaneously bonded to the other surface of the ceramic substrate.
  • the manufacturing process can be simplified, the time required for the manufacturing can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the copper plate and the aluminum plate can be joined simultaneously by a single heat treatment, the thermal load on the ceramic substrate can be reduced and the warpage of the ceramic substrate can be reduced compared to the case where the copper plate and the aluminum plate are joined separately. Moreover, it can suppress that a crack generate
  • the active metal material may be a Ti material.
  • the surface of the ceramic substrate can be reliably wetted with the liquid phase of the filler material by dissolving Ti in the liquid phase of the filler material, and the solid phase diffusion bonding of the Ti material and the copper plate can be performed. It is possible to reliably bond the ceramic substrate and the copper plate.
  • the present invention it is possible to provide a method for manufacturing a power module substrate which can be bonded simultaneously at a low temperature with a copper plate on one surface of the ceramic substrate and an aluminum plate on the other surface, and at a low manufacturing cost.
  • FIG. 1 shows a power module 1 including a power module substrate 10 according to the present embodiment.
  • the power module 1 includes a power module substrate 10 on which a circuit layer 12 is disposed, a semiconductor element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a bonding layer 2, power And a heat sink 30 disposed on the other side (lower side in FIG. 1) of the module substrate 10.
  • the power module substrate 10 includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 2) of the ceramic substrate 11, and the other surface of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 disposed on the lower surface in FIG.
  • the ceramic substrate 11 is made of ceramics such as AlN (aluminum nitride), Si 3 N 4 (silicon nitride), and Al 2 O 3 (alumina) having high insulating properties. In this embodiment, it is comprised with AlN (aluminum nitride) excellent in heat dissipation. Further, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.
  • the circuit layer 12 is formed by bonding a conductive copper or copper alloy metal plate to one surface of the ceramic substrate 11.
  • the circuit layer 12 is formed by joining copper rolled sheets having a purity of 99.99% by mass or more. Note that the thickness of the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.3 mm in the present embodiment.
  • the metal layer 13 is formed by joining a metal plate of aluminum or aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • the metal layer 13 is formed by joining aluminum rolled plates having a purity of 99.99% by mass or more.
  • the thickness of the metal layer 13 is set in a range of 0.1 mm to 3.0 mm, and is set to 1.6 mm in the present embodiment.
  • the semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si.
  • the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded via the bonding layer 2.
  • the bonding layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
  • the heat sink 30 is for dissipating heat from the power module substrate 10 described above.
  • the heat sink 30 is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the heat sink 30 is made of A6063 (aluminum alloy).
  • the heat sink 30 is provided with a flow path 31 through which a cooling fluid flows.
  • the heat sink 30 and the metal layer 13 are joined by an Al—Si brazing material.
  • the filler material 25, the active metal material 26, and the copper plate 22 that becomes the circuit layer 12 are sequentially stacked on one surface (the upper surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 (first stacked layer).
  • the bonding material 27 and the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 are sequentially laminated on the other surface (the lower surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 (second lamination step S02). .
  • the filler material 25 is disposed on the ceramic substrate 11 side, and the active metal material 26 is disposed on the copper plate 22 side, and between the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23, A bonding material 27 is disposed.
  • the filler material 25 is a Cu—P—Sn—Ni based brazing material, a Cu—Sn based brazing material, a Cu—Al based brazing material, or a Cu—P—Sn—Ni based solder having a melting point of 660 ° C. or less. Or a Cu—Sn solder material. Desirably, the melting point is 600 ° C. or lower.
  • a Cu—P—Sn—Ni-based brazing foil (Cu-7 mass% P-15 mass% Sn-10 mass% Ni) is used as the filler material 25.
  • the thickness of the filler material 25 is in the range of 5 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the active metal material 26 contains, for example, one or more of active elements such as Ti, Zr, Nb, and Hf.
  • active elements such as Ti, Zr, Nb, and Hf.
  • a Ti foil is used as the active metal material 26. Yes.
  • the thickness of the active metal material 26 is in the range of 1 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the bonding material 27 is an Al—Si brazing material containing Si as a melting point lowering element, and specifically, an Al—7.5 mass% Si brazing material is used.
  • a vacuum heating furnace is charged and heated (heat treatment step S03).
  • the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
  • the heating time is 30 minutes or more. The range is set to 360 minutes or less.
  • the active metal material 26 (Ti foil) and the copper plate 22 are joined by solid phase diffusion bonding, and the filler material 25 melts to form a liquid phase, which is solidified.
  • the ceramic substrate 11 and the active metal material 26 are joined via the filler material 25.
  • the bonding material 27 is melted to form a liquid phase, and the liquid phase is solidified, whereby the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are bonded via the bonding material 27.
  • the joining surface of the active metal material 26 and the copper plate 22 to be joined by solid phase diffusion joining is a smooth surface in advance.
  • the circuit layer 12 is formed on one surface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 is formed on the other surface of the ceramic substrate 11 to manufacture the power module substrate 10 according to the present embodiment.
  • the heat sink 30 is bonded to the lower surface of the metal layer 13 of the power module substrate 10 via an Al—Si brazing material (heat sink bonding step S04).
  • the semiconductor element 3 is bonded to the upper surface of the circuit layer 12 of the power module substrate 10 via a solder material (semiconductor element bonding step S05). In this way, the power module 1 according to this embodiment is manufactured.
  • the filler material 25 having a melting point of 660 ° C. or less is disposed on the ceramic substrate 11 side between the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 and activated on the copper plate 22 side. Since the heat treatment is performed in a state where the metal material 26 (Ti foil in the present embodiment) is arranged, during the heating, the Ti melts into the melted liquid phase filler material 25, and the ceramic substrate of the liquid phase melt material 25 After the filler material 25 is solidified, the copper plate 22 is joined to the ceramic substrate 11 via the filler material 25, and the joint material 25 has high joining reliability.
  • the metal material 26 Ti foil in the present embodiment
  • the active metal material 26 and the copper plate 22 are laminated and heated and held at a temperature of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, so that Ti atoms contained in the active metal material 26 are retained.
  • the active metal material 26 and the copper plate 22 can be solid-phase diffusion bonded by diffusing into the copper plate 22 and diffusing the copper atoms contained in the copper plate 22 into the active metal material 26.
  • the heating temperature is 600 ° C. or higher, diffusion of Ti atoms contained in the active metal material 26 and copper atoms contained in the copper plate 22 is promoted, and solid phase diffusion can be sufficiently achieved in a short time. Moreover, when heating temperature is 650 degrees C or less, it can suppress that a liquid phase arises between the active metal material 26 and the copper plate 22, and a bump arises in a joining interface, or thickness changes. Therefore, the heating temperature is set in the above range.
  • the pressurized pressure is set in the above range.
  • the melting point of the filler material 25 is 660 ° C. or less, the liquid phase of the filler material can be formed at a lower temperature than when an Ag—Cu—Ti brazing material is used.
  • the active metal material 26 is interposed between the filler material 25 and the copper plate 22, the liquid phase of the filler material 25 and the copper plate 22 are not in direct contact, and bumps are generated at the joining interface. , The thickness can be prevented from changing.
  • the surface where the active metal material 26 and the copper plate 22 are joined is a smooth surface in advance, it is possible to suppress the formation of a gap at the joining interface, and the active metal material 26 and the copper plate 22 are reliably joined. can do.
  • the filler material 25 is well bonded to the ceramic substrate 11 and the active metal material 26 and the copper plate 22 are bonded by solid phase diffusion bonding, the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 are well bonded.
  • the bonding reliability between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 can be improved.
  • the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 are joined using the filler material 25 that does not contain Ag, the manufacturing cost can be reduced as compared with the case where the Ag—Cu—Ti brazing material is used.
  • the copper plate 22 can be bonded to one surface of the ceramic substrate 11 at a low temperature as described above, the copper plate 22 is bonded to one surface of the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 is bonded to the other surface simultaneously. Can do.
  • the manufacturing process can be simplified and the time required for the manufacturing can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the thermal load on the ceramic substrate 11 can be reduced compared to the case where the copper plate 22 and the aluminum plate 23 are joined separately, and the ceramic substrate 11 It is possible to reduce the warpage of the ceramic substrate 11 and to prevent the ceramic substrate 11 from cracking.
  • the circuit layer 12 made of the copper plate 22 is formed on one surface of the ceramic substrate 11, so that the heat from the semiconductor element 3 is spread. Can be diffused to the ceramic substrate 11 side. Moreover, since the deformation resistance of the copper plate 22 is large, the deformation of the circuit layer 12 is suppressed when a heat cycle is applied, and the deformation of the bonding layer 2 that bonds the semiconductor element 3 and the circuit layer 12 is suppressed. Reliability can be improved. Further, since the metal layer 13 made of the aluminum plate 23 is formed on the other surface of the ceramic substrate 11, the metal layer 13 absorbs thermal stress generated between the power module substrate 10 and the heat sink 30 during a heat cycle load. And it can suppress that a crack generate
  • the transient liquid phase bonding method Transient Liquid Phase Bonding, TLP
  • TLP Transient Liquid Phase Bonding
  • the transient liquid phase bonding method as shown in FIG. 5, after the fixed layer 127 is formed by fixing an additive element such as Si or Cu to the bonding surface of the aluminum plate 23 with the ceramic substrate 11 by sputtering or the like.
  • the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are laminated, pressed in the laminating direction, and subjected to heat treatment, whereby the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 can be joined.
  • the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 can be laminated via the fixing layer 127 as a bonding material, and the copper plate 22 and the aluminum plate 23 can be bonded simultaneously.
  • pressure applied in the lamination direction is a 1kgf / cm 2 (98kPa) above 35kgf / cm 2 (3430kPa) below.
  • the heating temperature and the heating time in the heat treatment are 600 ° C. or more and 650 ° C. or less, and 30 minutes or more and 360 minutes or less.
  • additive elements such as Zn, Ge, Ag, Mg, Ca, Ga, or Li may be used as the additive element of the fixed layer.
  • the ceramic substrate and the aluminum plate can be bonded by using a metal paste having metal particles and an organic substance as a bonding material.
  • the metal paste include an Ag paste having Ag particles and an organic substance.
  • an Ag paste 227 is applied to the other surface of the ceramic substrate 11 by screen printing or the like, and the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are laminated via the Ag paste 227 to perform heat treatment.
  • the copper plate 22 and the aluminum plate 23 can be simultaneously bonded to the ceramic substrate 11.
  • pressure applied in the lamination direction is a 1kgf / cm 2 (98kPa) above 35kgf / cm 2 (3430kPa) below.
  • the heating temperature and the heating time in the heat treatment are 600 ° C. or more and 650 ° C. or less, and 30 minutes or more and 360 minutes or less.
  • the present invention is not limited to this.
  • TLP transient liquid phase bonding method
  • the power module substrate and the heat sink may be bonded to each other through the fixing layer.
  • the power module substrate and the heat sink may be joined via an Ag paste containing Ag particles and an organic substance.
  • the heat sink has a cooling channel
  • the structure of the heat sink is not particularly limited, and for example, an air-cooled heat sink may be used.
  • the heat sink may have a radiation fin.
  • the ceramic substrate / filler material / active metal material / copper plate was laminated in this order and the inventive example 13 on the ceramic substrate side was The layers were laminated in the order of ceramic substrate / active metal material / filler material / copper plate.
  • Al—Si was an Al-7.5 mass% Si brazing material.
  • Cu (TLP) used Cu as the fixing layer.
  • the “Ag paste” was an Ag paste containing Ag particles and organic matter.
  • a vacuum heating furnace inserts in a vacuum heating furnace in the state pressurized with the pressure of 12 kgf / cm ⁇ 2 > (1176 kPa) in the lamination direction, and a copper plate is joined to one surface of a ceramic substrate by heating, and an aluminum plate is attached to the other surface. Then, a circuit layer and a metal layer were formed on one surface and the other surface of the ceramic substrate.
  • the pressure in the vacuum heating furnace was set within the range of 10 ⁇ 6 Pa or more and 10 ⁇ 3 Pa or less, and the heating temperature and the heating time were set as shown in Table 1. In this way, a power module substrate was obtained.
  • the heat sink was an aluminum plate (50 mm ⁇ 60 mm ⁇ 5 mmt) made of A6063, and the heat sink was joined by the method shown in Table 1.
  • Al—Si shown in Table 1 for the heat sink bonding method, an Al-10.5 mass% Si brazing material is used, “Cu (TLP)” uses a fixed layer of Cu, and “Ag paste” uses Ag. Bonding was performed using an Ag paste containing particles and organic matter.
  • the pressure at the time of joining the power module substrate and the ceramic substrate was 12 kgf / cm 2 (1176 kPa), the heating temperature was 610 ° C., the heating time was 60 minutes, and this was performed in a vacuum atmosphere. In this way, power module substrates with heat sinks of Invention Examples 1 to 13 were produced.
  • the bonding rate between the circuit layer and the ceramic substrate and the bonding rate between the metal layer and the ceramic substrate were evaluated. Furthermore, a thermal cycle test was performed on the power module substrate with a heat sink, and the bonding rate between the circuit layer and the ceramic substrate after the test and the bonding rate between the metal layer and the ceramic substrate were evaluated. A test method for the cooling / heating cycle and a method for evaluating the bonding rate will be described below.
  • the thermal cycle test uses TSB-51 made by ESP Co., Ltd., and the power module substrate with a heat sink is maintained in a liquid phase (Fluorinert) for 5 minutes in a temperature environment of ⁇ 40 ° C., and then 125 ° C. The temperature change process was continued for 5 minutes and maintained in the same temperature environment for 5 minutes, and the process of returning to the temperature environment at ⁇ 40 ° C. was taken as one cycle.
  • TSB-51 made by ESP Co., Ltd.
  • the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the circuit layer and the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the metal layer were evaluated using an ultrasonic flaw detector, and calculated from the following equations: .
  • the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the circuit layer and the metal layer in this embodiment.
  • peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
  • Examples 1 to 13 of the present invention in which a circuit layer and a metal layer were simultaneously formed on one surface and the other surface of a ceramic substrate using a melting material having a melting point of 660 ° C. or lower, the initial joining rate was high, and the thermal cycle It was confirmed that a power module substrate with a heat sink capable of maintaining a high bonding rate even after being loaded was obtained.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a power module substrate which can be bonded simultaneously at a low temperature with a copper plate on one surface of a ceramic substrate and an aluminum plate on the other surface, and at a low manufacturing cost.

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Abstract

　こ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（１１）の一方の面側において、活性金属材（２６）及び融点が６６０℃以下の溶加材（２５）を介して、セラミックス基板（１１）と銅板（２２）とを積層する第一積層工程と、セラミックス基板（１１）の他方の面側において、接合材（２７）を介してセラミックス基板（１１）とアルミニウム板（２３）とを積層する第二積層工程と、積層されたセラミックス基板（１１）、銅板（２２）、及びアルミニウム板（２３）を加熱処理する加熱処理工程と、を備え、セラミックス基板（１１）と銅板（２２）、及びセラミックス基板（１１）とアルミニウム板（２３）を同時に接合する。

Description

パワーモジュール用基板の製造方法
　この発明は、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設され、他方の面に金属層が配設されたパワーモジュール用基板の製造方法に関する。
　本願は、２０１３年３月１８日に日本に出願された特願２０１３－０５５５１８号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　風力発電、電気自動車等の電気車両など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）などからなるセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、導電性の優れた金属板を回路層及び金属層として接合し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。さらに、このようなパワーモジュール用基板は、金属層側に、はんだ材を介してヒートシンクが接合されることもある。
　例えば、特許文献１に示すパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することで回路層及び金属層が形成された構造とされている。この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及び他方の面に、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている。
　ところで、はんだ材を介して特許文献１に開示されたパワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合した場合、冷熱サイクルが負荷された際に、パワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に熱膨張係数の差に起因する熱応力が発生するが、金属層が変形抵抗の大きい銅からなるため、前述の熱応力を金属層が変形することによって吸収することができず、セラミックス基板に割れが発生するおそれがあった。
　そこで、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面に銅板を接合することで回路層が形成され、他方の面にアルミニウム板を接合することで金属層が形成されたパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板の金属層とヒートシンクとを接合した場合、冷熱サイクルが負荷された際にパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に生じる熱応力を、比較的変形抵抗が小さいアルミニウムからなる金属層によって吸収し、セラミックス基板に割れが生じることを抑制できる。
　ここで、特許文献２に記載されたパワーモジュール用基板では、セラミックス基板の一方の面にＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を介在させて加熱処理を行い、銅板を接合した後に、セラミックス基板の他方の面にＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介在させて加熱処理を行い、アルミニウム板を接合している。
特許第３２１１８５６号公報 特開２００３－１９７８２６号公報
　ところで、特許文献１、２に開示されたように、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を用いてセラミックス基板と銅板とを接合すると、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材の融点が高いため、セラミックス基板が熱により劣化してしまう問題があった。
　また、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材は、高価なＡｇを含有しているため製造コストが高くなる問題もあった。
　また、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材は、その融点がアルミニウム板の融点よりも高いため、特許文献２に開示されたパワーモジュール用基板のように、セラミックス基板の一方の面にＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を介して銅板を接合し、セラミックス基板の他方の面にＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介してアルミニウム板を接合する際には、先に銅板を接合した後に、次いでアルミニウム板を接合しなければならなかった。すなわち、回路層及び金属層を形成するために、接合を二度に分けて行わなければならず、製造工程が複雑化するとともに製造に要する時間も長くなり、製造コストが高くなる問題があった。さらに、接合時に二回熱処理が行われることにより、セラミックス基板にかかる熱負荷が大きくなり、セラミックス基板の反りが大きくなったり、セラミックス基板に割れが生じたりするおそれもあった。
　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、セラミックス基板の一方の面に銅板を、他方の面にアルミニウム板を、同時かつ低温で接合でき、さらに製造コストが低い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。
　本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の態様は、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銅板が接合されてなる回路層と、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板が接合されてなる金属層と、を備えた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の一方の面側において、活性金属材及び融点が６６０℃以下の溶加材を介して、前記セラミックス基板と前記銅板とを積層する第一積層工程と、前記セラミックス基板の他方の面側において、接合材を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層する第二積層工程と、積層された前記セラミックス基板、前記銅板、及び前記アルミニウム板を加熱処理する加熱処理工程と、を備え、前記セラミックス基板と前記銅板、及び前記セラミックス基板と前記アルミニウム板を同時に接合する。
　なお、本発明において融点は、固相線温度としている。また、本発明において溶加材はろう材又ははんだ材等を指す。
　本発明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側に、活性金属材及び融点が６６０℃以下の溶加材を介して銅板を積層し、前記セラミックス基板と、該セラミックス基板上に積層された前記銅板とを、前記セラミックス基板上に積層された前記アルミニウム板と共に加熱処理する。加熱処理時、溶融した液相の溶加材に活性金属が溶け込み、液相の溶加材のセラミックス基板に対する濡れ性が高まり、溶加材が凝固した後にはセラミックス基板に溶加材を介して銅板が良好に接合される。
　なお、前記溶加材の融点は６００℃以下であることが望ましい。
　また、溶加材の融点が６６０℃以下とされているので、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を用いた場合よりも低い温度で溶加材の液相を形成することができる。このような低温域で加熱処理を行うと、セラミックス基板への熱的な負荷を軽減することができる。
さらに、Ａｇを含有しない溶加材を用いてセラミックス基板と銅板とを接合するので、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を用いた場合よりも製造コストを低減できる。
　前記第一積層工程において、前記セラミックス基板側に前記溶加材を配置し、前記銅板側に前記活性金属材を配置してもよい。
　このような場合、銅板と活性金属材とを加熱処理時に固相拡散接合によって接合することができ、接合界面にＣｕと活性金属との液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制可能となる。また、溶加材の液相と銅板との間に活性金属材が介在されているので、溶加材の液相と銅板とが直接接触することがなく、接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを確実に抑制できる。
　このように、溶加材がセラミックス基板と良好に接合されるとともに、活性金属材と銅板とが固相拡散接合によって接合されるので、低温条件でもセラミックス基板と銅板とを良好に接合することができ、セラミックス基板が熱劣化することを抑制できる。
　また、上述のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記溶加材は液相線温度４５０℃以上のろう材であってもよい。
　具体的には、前記ろう材は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材、及びＣｕ－Ａｌ系ろう材の中から選択されるいずれか一種であってもよい。
　このようなろう材を用いた場合、ろう材の融点が低いので、低温条件でも確実にセラミックス基板と銅板との接合を行うことができる。
　また、上述のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記溶加材は液相線温度４５０℃未満のはんだ材であってもよい。
　具体的には、前記はんだ材は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系はんだ材又はＣｕ－Ｓｎ系はんだ材であってもよい。
　このようなはんだ材を用いた場合、はんだ材の融点が前記ろう材よりも低いので、より低温条件でもセラミックス基板と銅板との接合を行うことができる。
　さらに、上述したようにセラミックス基板の一方の面に銅板を低温で接合することができるので、セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板を同時に接合することができる。このように、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板及びアルミニウム板を同時に接合することで、製造工程を簡略化するとともに製造に要する時間を短縮し、製造コストを低減できる。さらに、一回の加熱処理で銅板とアルミニウム板を同時に接合できるので、銅板とアルミニウム板を別々に接合する場合と比較して、セラミックス基板にかかる熱負荷を低減し、セラミックス基板の反りを小さくでき、またセラミックス基板に割れが発生することを抑制できる。
　また、上述のパワーモジュール用基板の製造方法において、前記活性金属材はＴｉ材であってもよい。これにより、溶加材の液相中にＴｉが溶け込むことで確実にセラミックス基板の表面を溶加材の液相で濡れさせることができるとともに、Ｔｉ材と銅板とを固相拡散接合することができ、セラミックス基板と銅板とを確実に接合することが可能となる。
　本発明によれば、セラミックス基板の一方の面に銅板を、他方の面にアルミニウム板を、同時かつ低温で接合でき、さらに製造コストが低いパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係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概略説明図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の概略説明図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法を説明するフロー図である。 本発明の一実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュールの製造方法の概略説明図である。 本発明の他の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。 本発明の他の実施形態に係るパワーモジュール用基板の製造方法の概略説明図である。
　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、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０を備え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）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、パワーモジュール用基板１０の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク３０と、を備えている。
　パワーモジュール用基板１０は、図２に示すように、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２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２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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、放熱性の優れた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、セラミックス基板１１の一方の面に、導電性を有する銅又は銅合金の金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度９９．９９質量％以上の銅の圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ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、０．３ｍｍに設定されている。
　金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。なお、金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１．６ｍｍに設定されている。
　半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
　接合層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。
　ヒートシンク３０は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を放散するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク３０は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されており、本実施形態ではＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。このヒートシンク３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１が設けられている。なお、このヒートシンク３０と金属層１３とが、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材によって接合されている。
　次に、本実施形態に係るパワーモジュール１の製造方法について、図３のフロー図及び図４を参照して説明する。
　まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、溶加材２５、活性金属材２６、及び回路層１２となる銅板２２を順に積層する（第一積層工程Ｓ０１）とともに、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に、図４に示すように、接合材２７及び金属層１３となるアルミニウム板２３を順に積層する（第二積層工程Ｓ０２）。すなわち、セラミックス基板１１と銅板２２の間において、セラミックス基板１１側に溶加材２５を配置し、銅板２２側に活性金属材２６を配置しており、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３の間において、接合材２７を配置している。
　ここで、溶加材２５は、融点が６６０℃以下のＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材、又はＣｕ－Ａｌ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系はんだ材又はＣｕ－Ｓｎ系はんだ材とされている。また、望ましくは、融点が６００℃以下とされているとよい。本実施形態では、溶加材２５としてＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材箔（Ｃｕ－７ｍａｓｓ％Ｐ－１５ｍａｓｓ％Ｓｎ－１０ｍａｓｓ％Ｎｉ）を用いている。溶加材２５の厚みは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とされている。
　活性金属材２６は、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有するものとされており、本実施形態では、活性金属材２６としてＴｉ箔を用いている。活性金属材２６の厚みは、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲とされている。
　接合材２７は、本実施形態では、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ－Ｓｉ系ろう材とされており、具体的には、Ａｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用いている。
　次に、セラミックス基板１１、溶加材２５、活性金属材２６、銅板２２、接合材２７、及びアルミニウム板２３を積層方向に1～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（９８～３４３０ｋＰａ）で加圧した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱処理工程Ｓ０３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲に設定している。
　この加熱処理工程Ｓ０３においては、活性金属材２６（Ｔｉ箔）と銅板２２とが固相拡散接合によって接合されるとともに、溶加材２５が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、溶加材２５を介して、セラミックス基板１１と活性金属材２６とが接合されることになる。また、加熱処理工程Ｓ０３においては、接合材２７が溶融して液相を形成し、この液相が凝固することにより、接合材２７を介してセラミックス基板１１とアルミニウム板２３とが接合される。
　なお、固相拡散接合によって接合される活性金属材２６と銅板２２との接合面は、予め平滑な面とされている。
　これにより、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成されるとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３が形成され、本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。
　次いで、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の下面に、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を介してヒートシンク３０を接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
　次に、パワーモジュール用基板１０の回路層１２の上面に、はんだ材を介して半導体素子３を接合する（半導体素子接合工程Ｓ０５）。
　このようにして、本実施形態に係るパワーモジュール１が製造される。
　本実施形態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１１と銅板２２との間において、セラミックス基板１１側に融点が６６０℃以下の溶加材２５を配置し、銅板２２側に活性金属材２６（本実施形態においてはＴｉ箔）を配置した状態で加熱処理を行うので、加熱時、溶融した液相の溶加材２５にＴｉが溶け込み、液相の溶加材２５のセラミックス基板１１に対する濡れ性が高まり、溶加材２５が凝固した後には銅板２２が溶加材２５を介してセラミックス基板１１に接合され、高い接合信頼性を有することとなる。
　また、本実施形態においては、活性金属材２６と銅板２２とを積層し、加圧した状態で、温度６００℃以上６５０℃以下に加熱し保持するので、活性金属材２６に含まれるＴｉ原子を銅板２２中に拡散させ、銅板２２に含まれる銅原子を活性金属材２６中に拡散させ、活性金属材２６と銅板２２とを固相拡散接合することができる。
　加熱温度が６００℃以上の場合、活性金属材２６に含まれるＴｉ原子と銅板２２に含まれる銅原子との拡散が促進され、短時間で十分に固相拡散させることができる。また、加熱温度が６５０℃以下の場合、活性金属材２６と銅板２２との間に液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。そのため、加熱温度は、上記の範囲に設定されている。
　また、加熱処理工程Ｓ０３において、積層方向に加圧される圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２（９８ｋＰａ）以上の場合は、活性金属材２６と銅板２２とを十分に接合させることができ、活性金属材２６と銅板２２との間に隙間が生じることを抑制できる。また、加圧される圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２（３４３０ｋＰａ）以下の場合は、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。そのため、加圧される圧力は上記の範囲に設定されている。
　また、溶加材２５の融点が６６０℃以下とされているので、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を用いた場合よりも低い温度で溶加材の液相を形成することができる。
　また、溶加材２５と銅板２２との間に活性金属材２６が介在されているので、溶加材２５の液相と銅板２２とが直接接触することがなく、接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。
　さらに、活性金属材２６と銅板２２との接合される面は、予め平滑な面とされているので、接合界面に隙間が生じることを抑制でき、活性金属材２６と銅板２２とを確実に接合することができる。
　上述のように、溶加材２５がセラミックス基板１１と良好に接合されるとともに、活性金属材２６と銅板２２とが固相拡散接合によって接合されるので、セラミックス基板１１と銅板２２とを良好に接合でき、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を向上させることができる。
　さらに、Ａｇを含有しない溶加材２５を用いてセラミックス基板１１と銅板２２とを接合するので、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を用いた場合よりも製造コストを低減できる。
　さらに、上述したようにセラミックス基板１１の一方の面に銅板２２を低温で接合することができるので、セラミックス基板１１の一方の面に銅板２２を、他方の面にアルミニウム板２３を同時に接合することができる。
このように、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、銅板２２及びアルミニウム板２３を同時に接合することで、製造工程を簡略化するとともに製造に要する時間を短縮し、製造コストを低減できる。さらに、一回の加熱処理で銅板２２とアルミニウム板２３を接合できるので、銅板２２とアルミニウム板２３を別々に接合する場合と比較して、セラミックス基板１１にかかる熱負荷を低減でき、セラミックス基板１１の反りを小さくしたり、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制したりすることが可能となる。
　また、本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０、パワーモジュール１によれば、セラミックス基板１１の一方の面に銅板２２からなる回路層１２が形成されているので、半導体素子３からの熱を拡げてセラミックス基板１１側に放散することができる。また、銅板２２は変形抵抗が大きいので、ヒートサイクルが負荷された際に、回路層１２の変形が抑制され、半導体素子３と回路層１２とを接合する接合層２の変形を抑制し、接合信頼性を向上できる。
　また、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウム板２３からなる金属層１３が形成されているので、ヒートサイクル負荷時にパワーモジュール用基板１０とヒートシンク３０との間に生じる熱応力を金属層１３によって吸収し、セラミックス基板１１に割れが発生することを抑制できる。
　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。
　なお、上記実施の形態では、接合材としてＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介してセラミックス基板とアルミニウム板を接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、過渡液相接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｂｏｎｄｉｎｇ、ＴＬＰ）を適用して接合しても良い。過渡液相接合法では、図５に示すように、アルミニウム板２３のうちセラミックス基板１１との接合面に、スパッタリング法などによってＳｉ、Ｃｕ等の添加元素を固着して固着層１２７を形成した後に、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３を積層し、積層方向に加圧し、加熱処理を行うことでセラミックス基板１１とアルミニウム板２３を接合することができる。すなわち、過渡液相接合法では、接合材として固着層１２７を介してセラミックス基板１１とアルミニウム板２３を積層し、銅板２２とアルミニウム板２３とを同時に接合することができる。
　過渡液相接合法において、積層方向に加圧する際の圧力は、１ｋｇｆ／ｃｍ２（９８ｋＰａ）以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２（３４３０ｋＰａ）以下とされている。また、加熱処理における加熱温度及び加熱時間は、６００℃以上６５０℃以下、３０分以上３６０分以下とされている。
　なお、固着層の添加元素として、Ｓｉ、Ｃｕの他に、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｇａ、又はＬｉ等の添加元素を用いても良い。
　また、接合材として金属粒子と有機物とを有する金属ペーストを用いることでセラミックス基板とアルミニウム板を接合することもできる。金属ペーストとしては、例えばＡｇ粒子と有機物とを有するＡｇペーストが挙げられる。具体的には、図６に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、スクリーン印刷などによってＡｇペースト２２７を塗布し、Ａｇペースト２２７を介してセラミックス基板１１とアルミニウム板２３を積層し加熱処理を行うことで、銅板２２とアルミニウム板２３をセラミックス基板１１に同時に接合できる。Ａｇペースト２２７を用いて接合する場合、積層方向に加圧する際の圧力は、１ｋｇｆ／ｃｍ２（９８ｋＰａ）以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２（３４３０ｋＰａ）以下とされている。また、加熱処理における加熱温度及び加熱時間は、６００℃以上６５０℃以下、３０分以上３６０分以下とされている。
　また、上記の実施形態では、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをＡｌ－Ｓｉ系ろう材を介して接合する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば上述した過渡液相接合法（ＴＬＰ）を適用し、固着層を介してパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合しても良い。また、Ａｇ粒子と有機物とを有するＡｇペーストを介してパワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合しても良い。
　さらに、ヒートシンクとして冷却用の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、例えば空冷方式のヒートシンクであってもよい。また、ヒートシンクは、放熱フィンを有していても良い。
　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。
　まず、ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ（厚さ））の一方の面に表１に示す溶加材、活性金属材、純度９９．９９％の銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．３ｍｍｔ）を積層し、他方の面に表１に示す接合材を介してアルミニウム板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×１．６ｍｍｔ）を積層する。
　なお、活性金属の位置が銅板側とされた本発明例１～１２については、セラミックス基板／溶加材／活性金属材／銅板の順に積層し、セラミックス基板側とされた本発明例１３についてはセラミックス基板／活性金属材／溶加材／銅板の順に積層した。
　なお、表１に示す接合材として、「Ａｌ－Ｓｉ」は、Ａｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材とした。「Ｃｕ（ＴＬＰ）」は、固着層としてＣｕを用いた。「Ａｇペースト」は、Ａｇ粒子と有機物とを含むＡｇペーストとした。
　そして、積層方向に圧力１２ｋｇｆ／ｃｍ２（１１７６ｋＰａ）で加圧した状態で真空加熱炉内に装入し、加熱することによってセラミックス基板の一方の面に銅板を接合し、他方の面にアルミニウム板を接合し、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を形成した。ここで、真空加熱炉内の圧力を１０－６Ｐａ以上、１０－３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度及び加熱時間は表１に示す条件とした。このようにしてパワーモジュール用基板を得た。
　次いで、上述のパワーモジュール用基板の金属層の他方の面側にヒートシンクを接合した。ヒートシンクは、Ａ６０６３からなるアルミニウム板（５０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍｔ）とし、ヒートシンクの接合は表１に示す方法で行った。表１のヒートシンクの接合方法に示す「Ａｌ－Ｓｉ」では、Ａｌ－１０．５ｍａｓｓ％Ｓｉろう材を用い、「Ｃｕ（ＴＬＰ）」では、Ｃｕの固着層を用い、「Ａｇペースト」では、Ａｇ粒子と有機物とを含むＡｇペーストを用いて接合を行った。パワーモジュール用基板とセラミックス基板の接合時の圧力は１２ｋｇｆ／ｃｍ２（１１７６ｋＰａ）、加熱温度は６１０℃、加熱時間は６０分とし、真空雰囲気で行った。
　このようにして、本発明例１～１３のヒートシンク付パワーモジュール用基板を作製した。
　上述のようにして得られた本発明例のヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、回路層とセラミックス基板との接合率、及び金属層とセラミックス基板との接合率を評価した。さらに、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対して、冷熱サイクル試験を行い、試験後の回路層とセラミックス基板との接合率、及び金属層とセラミックス基板との接合率を評価した。
　冷熱サイクルの試験方法と、接合率の評価方法を以下に説明する。
（冷熱サイクル試験）
　冷熱サイクル試験は、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ－５１を使用し、液相（フロリナート）中で、ヒートシンク付パワーモジュール用基板を－４０℃の温度環境下に５分維持した後、１２５℃まで加温して同温度環境下に５分維持し、再び－４０℃の温度環境下に戻すプロセスを１サイクルとして、この温度変化のプロセスを３０００サイクル実施した。
（接合率評価）
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板に対し、セラミックス基板と回路層との界面の接合率、及び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、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積とした。超音波探傷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。なお、セラミックス基板、回路層、及び金属層にクラックが生じた場合、このクラックは超音波探傷像において白色部で示され、クラックも剥離面積として評価されることになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　以上の評価の結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　融点が６６０℃以下の溶加材を用い、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に回路層及び金属層を同時に形成した本発明例１～１３においては、初期の接合率は高く、冷熱サイクルが負荷された後も高い接合率を維持できるヒートシンク付パワーモジュール用基板が得られることが確認された。
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
２２　銅板
２３　アルミニウム板
２５　溶加材
２６　活性金属材
２７、１２７、２２７　接合材
　本発明は、セラミックス基板の一方の面に銅板を、他方の面にアルミニウム板を、それぞれ同時かつ低温で接合でき、しかも製造コストが低いパワーモジュール用基板の製造方法に関する。

Claims (7)

  1. 　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銅板が接合されてなる回路層と、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウム板が接合されてなる金属層と、を備えた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の一方の面側において、活性金属材及び融点が６６０℃以下の溶加材を介して、前記セラミックス基板と前記銅板とを積層する第一積層工程と、
    　前記セラミックス基板の他方の面側において、接合材を介して前記セラミックス基板と前記アルミニウム板とを積層する第二積層工程と、
    　積層された前記セラミックス基板、前記銅板、及び前記アルミニウム板を加熱処理する加熱処理工程と、を備え、
    　前記セラミックス基板と前記銅板、及び前記セラミックス基板と前記アルミニウム板を同時に接合するパワーモジュール用基板の製造方法。
  2. 　前記第一積層工程において、前記セラミックス基板側に前記溶加材を配置し、前記銅板側に前記活性金属材を配置する請求項１記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  3. 　前記溶加材が液相線温度４５０℃以上のろう材である請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  4. 　前記ろう材は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材、及びＣｕ－Ａｌ系ろう材の中から選択されるいずれか一種である請求項３に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  5. 　前記溶加材が液相線温度４５０℃未満のはんだ材である請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  6. 　前記はんだ材は、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系はんだ材又はＣｕ－Ｓｎ系はんだ材である請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
  7. 　前記活性金属材は、Ｔｉ材である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
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