WO2016167217A1 - 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法 - Google Patents

接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法 Download PDF

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伸幸 寺▲崎▼
長友　義幸
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    • H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Definitions

  • a heat sink is joined to a power module substrate in which a circuit layer is formed on one surface of an insulating layer, a joined body in which an aluminum alloy member and a metal member made of copper, nickel, or silver are joined.
  • the present invention relates to a power module substrate with a heat sink, a heat sink in which a metal member layer is formed on a heat sink body, a method of manufacturing a joined body, a method of manufacturing a power module substrate with a heat sink, and a method of manufacturing a heat sink.
  • Semiconductor devices such as LEDs and power modules have a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
  • Power semiconductor elements for high power control used for controlling wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, and the like generate a large amount of heat. Therefore, as a substrate on which a power semiconductor element for high power control is mounted, for example, a ceramic substrate made of AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (alumina), etc., and one surface of this ceramic substrate has excellent conductivity.
  • a power module substrate including a circuit layer formed by bonding metal plates has been widely used.
  • a substrate having a metal layer formed on the other surface of a ceramic substrate is also provided.
  • a power module substrate in which a circuit layer and a metal layer made of Al are formed on one surface and the other surface of a ceramic substrate, and a solder material is interposed on the circuit layer. And a semiconductor element bonded to each other.
  • a heat sink is bonded to the metal layer side of the power module substrate, and heat transferred from the semiconductor element to the power module substrate side is dissipated to the outside through the heat sink.
  • Patent Document 2 proposes a technique for joining a circuit layer and a semiconductor element, and a metal layer and a heat sink using a silver oxide paste containing silver oxide particles and a reducing agent made of an organic substance as an alternative to a solder material. ing.
  • Patent Document 3 when a circuit layer and a semiconductor element, and a metal layer and a heat sink are bonded using a silver oxide paste, the bonding property between the sintered body of Al and the silver oxide paste is poor. In addition, it is necessary to previously form an Ag underlayer on the circuit layer surface and the metal layer surface. When the Ag underlayer is formed by plating, there is a problem that much labor is required as in the case of Ni plating.
  • Patent Document 4 proposes a power module substrate in which a circuit layer and a metal layer have a laminated structure of an Al layer and a Cu layer.
  • the Cu layer is disposed on the surface of the circuit layer and the metal layer, the semiconductor element and the heat sink can be favorably bonded using a solder material. For this reason, the thermal resistance in the stacking direction is reduced, and the heat generated from the semiconductor element can be efficiently transmitted to the heat sink side.
  • one of the metal layer and the heat sink is made of aluminum or an aluminum alloy, and the other is made of copper or a copper alloy, and the metal layer and the heat sink are solid-phase diffusion bonded.
  • a power module substrate with a heat sink has been proposed. In this power module substrate with a heat sink, since the metal layer and the heat sink are solid phase diffusion bonded, the thermal resistance is small and the heat dissipation characteristics are excellent.
  • a heat sink having a complicated structure in which a cooling medium flow path and the like are formed may be manufactured using an aluminum casting alloy containing a relatively large amount of Si.
  • Patent Document 5 when an aluminum alloy member made of an aluminum casting alloy containing a relatively large amount of Si and a metal member made of copper, nickel, or silver are subjected to solid phase diffusion bonding, It was confirmed that a large number of Kirkendall voids were generated near the bonding interface due to imbalance in mutual diffusion. When such a Kirkendall void is present between the power module substrate and the heat sink, there is a problem in that the thermal resistance increases and the heat dissipation characteristics deteriorate.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing a relatively large amount of Si and a metal member made of copper, nickel, or silver are satisfactorily bonded to each other and laminated.
  • a power module substrate and a heat sink with a heat sink including the bonded body, a manufacturing method of the bonded body, a manufacturing method of a power module substrate with a heat sink, and a heat sink manufacturing method.
  • a joined body is a joined body in which an aluminum alloy member made of an aluminum alloy and a metal member made of copper, nickel, or silver are joined,
  • the aluminum alloy member is made of an aluminum alloy having a Si concentration in a range of 1 mass% to 25 mass%, and the aluminum alloy member and the metal member are solid phase diffusion bonded, and the aluminum alloy member A compound layer formed by diffusing Al of the aluminum alloy member and a metal element of the metal member at the bonding interface with the metal member is provided, and the Mg concentration is 3 mass% or more inside the compound layer.
  • the Mg-concentrated layer is formed, and the thickness of the Mg-concentrated layer is in the range of 1 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the metal member is made of copper or copper alloy, nickel or nickel alloy, or silver or silver alloy.
  • the compound interface formed by diffusing Al of the aluminum alloy member and the metal element of the metal member at the joint interface between the aluminum alloy member and the metal member An Mg concentrated layer having a Mg concentration of 3 mass% or more is formed inside the compound layer, and the Mg concentrated layer has a thickness in the range of 1 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the concentrated layer prevents the metal element constituting the metal member from diffusing and moving, and the generation of the Kirkendall void is suppressed, so that the thermal resistance in the stacking direction can be lowered.
  • a power module substrate with a heat sink includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, a metal layer formed on the other surface of the insulating layer, A power module substrate with a heat sink comprising a heat sink disposed on a surface of the metal layer opposite to the insulating layer, wherein the bonding surface of the metal layer to the heat sink is copper, nickel, or It is composed of silver, and the joint surface of the heat sink with the metal layer is composed of an aluminum alloy whose Si concentration is in the range of 1 mass% to 25 mass%, and the heat sink and the metal layer are solid phase diffused.
  • the heat sink and the metal layer are formed by diffusing Al of the heat sink and the metal element constituting the joint surface of the metal layer at the joint interface between the heat sink and the metal layer.
  • a compound layer is provided, and an Mg concentration layer in which the Mg concentration is 3 mass% or more is formed inside the compound layer, and the thickness of the Mg concentration layer is in the range of 1 ⁇ m to 30 ⁇ m. It is characterized by having.
  • the compound formed by diffusing Al of the heat sink and the metal element constituting the bonding surface of the metal layer at the bonding interface between the heat sink and the metal layer is formed inside the compound layer, and the thickness of the Mg enriched layer is in the range of 1 ⁇ m to 30 ⁇ m. Therefore, the Mg-enriched layer prevents the diffusion movement of the metal element constituting the metal layer and suppresses the generation of Kirkendall void. For this reason, the thermal resistance in the stacking direction is low, and the heat dissipation characteristics are particularly excellent.
  • a heat sink is a heat sink including a heat sink body and a metal member layer bonded to the heat sink body, and the metal member layer is made of copper, nickel, or silver,
  • the heat sink body is made of an aluminum alloy having a Si concentration in the range of 1 mass% to 25 mass%, and the heat sink body and the metal member layer are solid-phase diffusion bonded.
  • the heat sink body and the metal member A compound layer formed by diffusing Al of the heat sink body and a metal element constituting the metal member layer at a bonding interface with the layer, and a Mg concentration of 3 mass% or more inside the compound layer An Mg-concentrated layer is formed, and the thickness of the Mg-concentrated layer is in the range of 1 ⁇ m to 30 ⁇ m. It is said.
  • the Mg enriched layer prevents the diffusion movement of the metal element constituting the metal member layer, thereby suppressing the generation of Kirkendall void. For this reason, the thermal resistance in the stacking direction is low, and the heat dissipation characteristics are particularly excellent.
  • a method for manufacturing a joined body according to one aspect of the present invention is a method for producing a joined body in which an aluminum alloy member made of an aluminum alloy and a metal member made of copper, nickel, or silver are joined.
  • the alloy member is made of an aluminum alloy having a Si concentration in the range of 1 mass% to 25 mass%.
  • the Mg concentration in the region up to is in the range of 0.3 mass% or more and 15 mass% or less, and this aluminum alloy member and the metal member are solid phase diffusion bonded.
  • the Mg concentration at least in the region from the joining surface with the metal member to 50 ⁇ m in the depth direction is 0.3 mass% or more and 15 mass% or less. Therefore, it is possible to suppress the diffusion and movement of the metal elements constituting the metal member more than necessary during solid phase diffusion bonding by Mg present in the vicinity of the bonding surface, and suppress the generation of Kirkendall voids. can do.
  • the aluminum alloy member and the metal member are laminated, and the aluminum alloy member and The metal member is preferably solid phase diffusion bonded.
  • the temperature rise rate can be increased, and solid phase diffusion bonding can be performed in a relatively short time. It becomes. Thereby, even when it joins in air
  • a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink includes an insulating layer, a circuit layer formed on one surface of the insulating layer, and a metal layer formed on the other surface of the insulating layer. And a heat sink disposed on a surface of the metal layer opposite to the insulating layer, and a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, wherein the bonding surface of the metal layer to the heat sink is , Copper, nickel, or silver, and the joining surface with the metal layer of the heat sink is made of an aluminum alloy having a Si concentration in the range of 1 mass% to 25 mass%, and before joining.
  • an Mg concentration in a region from at least a joint surface with the metal layer to a depth direction of 50 ⁇ m is 0.3 mass% or more and 15 mass% or less.
  • ⁇ and a and heat sink the metal layer characterized by solid-phase diffusion bonding.
  • the Mg concentration in the heat sink before bonding is 0.3 mass% or more and 15 mass or more at least in the region from the bonding surface with the metal layer to the depth direction of 50 ⁇ m. %,
  • the metal element composing the joint surface of the metal layer can be prevented from diffusing and moving more than necessary due to Mg present in the vicinity of the joint surface. Generation of voids can be suppressed. Therefore, it is possible to manufacture a power module substrate with a heat sink having a low thermal resistance in the stacking direction and excellent heat dissipation characteristics.
  • the heat sink and the metal layer are laminated, and heated and heated while being pressed in the laminating direction. It is preferable to perform solid phase diffusion bonding with the metal layer.
  • the rate of temperature rise can be increased, and solid phase diffusion bonding can be performed in a relatively short time. . Thereby, even when bonded in the atmosphere, for example, the influence of oxidation on the bonding surface is small, and the heat sink and the metal layer can be bonded well.
  • a heat sink manufacturing method is a heat sink manufacturing method including a heat sink body and a metal member layer bonded to the heat sink body, wherein the metal member layer includes copper, nickel, Or made of silver, and the heat sink body is made of an aluminum alloy having a Si concentration in the range of 1 mass% to 25 mass%.
  • the Mg concentration is in the range of 0.3 mass% to 15 mass%, and the heat sink body and the metal member layer are solid-phase diffusion bonded.
  • the Mg concentration in the region of at least 50 ⁇ m in the depth direction from the bonding surface with the metal member layer is 0.3 mass% or more and 15 mass% or less. Since it is within the range, it is possible to suppress the diffusion and movement of the metal elements constituting the metal member layer more than necessary during solid phase diffusion bonding by Mg existing in the vicinity of the bonding surface, and to suppress the generation of Kirkendall voids. it can. Therefore, it is possible to manufacture a heat sink having low heat resistance in the stacking direction and excellent heat dissipation characteristics.
  • the heat sink body and the metal member layer are laminated, and heated and energized while being pressed in the laminating direction. It is preferable to perform solid phase diffusion bonding with the member layer.
  • the heat sink body and the metal member layer are energized and heated while being pressed in the stacking direction, so that the rate of temperature rise can be increased and solid phase diffusion bonding can be performed in a relatively short time. It becomes. Thereby, even when it joins in air
  • an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing a relatively large amount of Si and a metal member made of copper, nickel, or silver are well bonded, and a bonded body having a low thermal resistance in the stacking direction, and this bonding It is possible to provide a power module substrate with a heat sink and a heat sink having a body, a method for manufacturing a joined body, a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, and a method for manufacturing a heat sink.
  • FIG. 1 It is a schematic explanatory drawing of the power module provided with the board
  • FIG. 5 is a schematic explanatory view showing a method of adding Mg to the joint surface of the heat sink before joining in the method for manufacturing the power module substrate with a heat sink shown in FIG. 4. It is a schematic explanatory drawing of the heat sink which concerns on 2nd embodiment of this invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional enlarged explanatory view of a joining interface between a heat sink body and a metal member layer of the heat sink shown in FIG. 6. It is a flowchart explaining the manufacturing method of the heat sink which concerns on 2nd embodiment. It is a schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the heat sink which concerns on 2nd embodiment. It is a schematic explanatory drawing of the power module provided with the board
  • FIG. 1 the power module 1 using the board
  • the power module 1 includes a power module substrate 30 with a heat sink, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 1) of the power module substrate 30 with a heat sink via a solder layer 2.
  • the power module substrate 30 with a heat sink includes a power module substrate 10 and a heat sink 31 bonded to the power module substrate 10.
  • the power module substrate 10 is disposed on the ceramic substrate 11 constituting the insulating layer, the circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 provided.
  • the ceramic substrate 11 is made of ceramics such as Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), and Al 2 O 3 (alumina) that are excellent in insulation and heat dissipation.
  • the ceramic member 11 is made of AlN (aluminum nitride) that is particularly excellent in heat dissipation.
  • the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, for example, and is set to 0.635 mm in the present embodiment.
  • the circuit layer 12 is formed by joining an aluminum plate 22 made of aluminum or an aluminum alloy to one surface of the ceramic substrate 11.
  • the circuit layer 12 is formed by joining an aluminum (2N aluminum) rolled plate (aluminum plate 22) having a purity of 99% by mass or more to the ceramic substrate 11.
  • the thickness of the aluminum plate 22 used as the circuit layer 12 is set in the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • the metal layer 13 is laminated on the Al layer 13A disposed on the other surface of the ceramic substrate 11 and on the surface of the Al layer 13A opposite to the surface to which the ceramic substrate 11 is bonded.
  • Cu layer 13B As shown in FIG. 4, the Al layer 13 ⁇ / b> A is formed by bonding an aluminum plate 23 ⁇ / b> A made of aluminum or an aluminum alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
  • the Al layer 13A is formed by joining an aluminum (2N aluminum) rolled plate (aluminum plate 23A) having a purity of 99% by mass or more to the ceramic substrate 11.
  • the thickness of the aluminum plate 23A to be joined is set within a range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in this embodiment.
  • the Cu layer 13B is formed by bonding a copper plate 23B made of copper or a copper alloy to the other surface of the Al layer 13A.
  • the Cu layer 13B is formed by bonding an oxygen-free copper rolled plate (copper plate 23B).
  • the thickness of the copper layer 13B is set within a range of 0.1 mm to 6 mm, and is set to 1 mm in this embodiment.
  • the heat sink 31 is for dissipating heat on the power module substrate 10 side, and in the present embodiment, as shown in FIG. 1, a flow path 32 through which a cooling medium flows is provided.
  • the heat sink 31 is made of an aluminum alloy having a Si concentration in the range of 1 mass% to 25 mass%.
  • the heat sink 31 is ADC12 (which is an aluminum alloy for die casting defined in JIS H 2118: 2006).
  • the solidus temperature is 515 ° C.).
  • the ADC 12 is an aluminum alloy containing Cu in a range of 1.5 mass% to 3.5 mass% and Si in a range of 9.6 mass% to 12.0 mass%.
  • the Si concentration of the aluminum alloy is preferably 5 mass% or more and 20 mass% or less, more preferably 7 mass% or more and 13 mass% or less, but is not limited thereto.
  • the heat sink 31 and the metal layer 13 are solid phase diffusion bonded.
  • a compound layer 38 containing Al and Cu is formed at the bonding interface between the metal layer 13 (Cu layer 13 ⁇ / b> B) and the heat sink 31.
  • the compound layer 38 is formed by mutual diffusion of Al atoms of the heat sink 31 and Cu atoms of the Cu layer 13B.
  • the compound layer 38 has a concentration gradient in which the Al atom concentration gradually decreases and the Cu atom concentration increases as the heat sink 31 moves toward the Cu layer 13B.
  • the compound layer 38 is composed of an intermetallic compound composed of Cu and Al.
  • the compound layer 38 has a structure in which a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface.
  • the thickness of the compound layer 38 is set in the range of 1 ⁇ m to 80 ⁇ m, preferably in the range of 5 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the compound layer 38 has a structure in which three kinds of intermetallic compounds are laminated, and in order from the heat sink 31 side to the Cu layer 13B side, at the bonding interface between the heat sink 31 and the Cu layer 13B.
  • the ⁇ phase and the ⁇ 2 phase are laminated, and at least one of the ⁇ 2 phase, the ⁇ phase, and the ⁇ 2 phase is laminated.
  • oxide is dispersed in layers along the bonding interface at the bonding interface between the compound layer 38 and the Cu layer 13B.
  • this oxide is an aluminum oxide such as alumina (Al 2 O 3 ).
  • the oxide is dispersed in a state of being divided at the interface between the compound layer 38 and the Cu layer 13B, and there is a region where the compound layer 38 and the Cu layer 13B are in direct contact.
  • the oxide is dispersed in layers within at least one of the ⁇ phase, ⁇ 2 phase, or ⁇ 2 phase, ⁇ phase, and ⁇ 2 phase.
  • an Mg enriched layer 40 having an Mg concentration of 3 mass% or more is formed inside the compound layer 38.
  • the thickness of the Mg enriched layer 40 is 1 ⁇ m. It is within the range of 30 ⁇ m or less.
  • the Mg concentration of the Mg enriched layer 40 is preferably 5 mass% or more and 15 mass% or less, more preferably 7 mass% or more and 9 mass% or less, but is not limited thereto.
  • an aluminum plate 22 to be the circuit layer 12 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 with an Al—Si brazing material foil 26 interposed therebetween. Further, an aluminum plate 23A to be the Al layer 13A is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 with an Al—Si based brazing material foil 26 interposed therebetween.
  • an Al-8 mass% Si alloy foil having a thickness of 10 ⁇ m is used as the Al—Si brazing material foil 26.
  • circuit layer and Al layer forming step S02 Then, the aluminum plate 22 and the ceramic substrate 11 are joined by placing and heating in a vacuum heating furnace under pressure in the laminating direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 (0.10 to 3.43 MPa)). The circuit layer 12 is formed. Further, the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23A are joined to form the Al layer 13A.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is set to 600 ° C. to 650 ° C.
  • the holding time is set in the range of 30 minutes to 180 minutes. It is preferable.
  • a copper plate 23B to be the Cu layer 13B is laminated on the other surface side of the Al layer 13A.
  • the Al layer 13A and the copper plate 23B are solid-phase diffused by placing them in a vacuum heating furnace under pressure in the stacking direction (pressure 3 to 35 kgf / cm 2 (0.29 to 3.43 MPa)).
  • the metal layer 13 is formed by bonding.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set within the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is set to 400 ° C. to 548 ° C.
  • the holding time is set within the range of 5 minutes to 240 minutes. It is preferable.
  • each surface of the Al layer 13A and the copper plate 23B to be solid-phase diffusion bonded is previously smoothed by removing scratches on the surfaces.
  • Heat sink preparation step S04 Next, a heat sink 31 to be joined is prepared.
  • the Mg concentration in the region 31 ⁇ / b> A from the joint surface of the heat sink 31 joined to the metal layer 13 (Cu layer 13 ⁇ / b> B) to 50 ⁇ m in the depth direction is 0.3 mass% to 15 mass% within the range of
  • a Mg foil 41 having a thickness of 2 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less is disposed on a joint surface of the heat sink 31 to be joined to the metal layer 13 (Cu layer 13B), and a heat treatment furnace 45 is provided.
  • Mg is diffused to the heat sink 31 side by performing heat treatment under conditions of temperature: 420 ° C. or higher and 500 ° C. or lower and holding time: 30 min or longer and 240 min or shorter.
  • the Mg concentration in 31A is in the range of 0.3 mass% to 15 mass%.
  • the furnace atmosphere of the heat treatment furnace 45 during this heat treatment is preferably, for example, a nitrogen atmosphere or a vacuum atmosphere.
  • the heat treatment is preferably performed under conditions of temperature: 450 ° C. or higher and 480 ° C. or lower and holding time: 60 min or longer and 120 min or shorter, but is not limited thereto.
  • various foils containing Mg such as Al—Mg foil and Al—Mg—Si foil can be used.
  • Mg other than the foil can be diffused by arranging Mg on the joint surface by sputtering or the like and performing a heat treatment.
  • the Mg concentration in the region 31A from the joint surface to the depth direction of 50 ⁇ m exceeds 15 mass%, the Mg concentration ranges from 0.3 mass% to 15 mass% by polishing or cutting from the joint surface in the depth direction. It can also be inside.
  • the Mg concentration in the region 31A is preferably 2 mass% or more and 10.8 mass% or less, more preferably 4.9 mass% or more and 8.3 mass% or less, but is not limited thereto.
  • Metal layer / heat sink bonding step S05 Next, the metal layer 13 (Cu layer 13B) and the heat sink 31 are stacked and pressurized in the stacking direction (pressure 5 to 35 kgf / cm 2 (0.49 to 3.43 MPa)) in a vacuum heating furnace.
  • the metal layer 13 (Cu layer 13B) and the heat sink 31 are solid-phase diffusion bonded by arranging and heating.
  • each joining surface of the metal layer 13 (Cu layer 13 ⁇ / b> B) and the heat sink 31 to be solid phase diffusion bonded is previously smoothed by removing scratches on the surfaces.
  • the pressure during the pressurization is more preferably 8 to 20 kgf / cm 2 (0.78 to 1.96 MPa), but is not limited thereto.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is 400 ° C. to 520 ° C.
  • the holding time is in the range of 0.25 hour to 3 hours. It is preferably set.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 ⁇ 5 Pa to 10 ⁇ 4 Pa
  • the heating temperature is set to 480 ° C. to 510 ° C.
  • the holding time is set in the range of 0.5 hours to 2 hours.
  • Cu atoms in the Cu layer 13B diffuse toward the heat sink 31 to form the compound layer 38 as shown in FIG. A concentrated layer 40 is formed. In this way, the power module substrate with heat sink 30 according to the present embodiment is manufactured.
  • semiconductor element bonding step S06 Next, the semiconductor element 3 is stacked on one surface (front surface) of the circuit layer 12 via the solder material 2 and soldered in a reduction furnace. As described above, the power module 1 according to the present embodiment is manufactured.
  • the heat sink 31 is composed of an aluminum alloy having a Si concentration in the range of 1 mass% to 25 mass%. Specifically, it is composed of ADC12 (Si concentration: 9.6 mass% or more and 12.0 mass% or less), which is an aluminum alloy for die casting defined in JIS H 2118: 2006, and thus has a complicated flow path 32.
  • the heat sink 31 having a structure can be configured, and the heat dissipation performance can be improved.
  • a compound layer 38 made of an intermetallic compound of Al and Cu is formed at the bonding interface between the heat sink 31 and the metal layer 13 (Cu layer 13B).
  • An Mg enriched layer 40 having an Mg concentration of 3 mass% or more is formed, and the thickness of the Mg enriched layer 40 is in the range of 1 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the diffusion movement of Cu atoms in the layer 13 (Cu layer 13B) is hindered, and the generation of Kirkendall void can be suppressed.
  • Cu atoms of the metal layer 13 (Cu layer 13B) can be sufficiently diffused to the heat sink 31 side, and the heat sink 31 and the metal layer 13 (Cu layer 13B) can be reliably solid-phase diffusion bonded. Therefore, in this power module substrate 30 with a heat sink, the thermal resistance in the stacking direction is low, and it is possible to suppress the deterioration of the heat dissipation characteristics.
  • the thickness of the Mg concentrated layer 40 is set in the range of 1 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the lower limit of the thickness of the Mg concentrated layer 40 is preferably 7 ⁇ m or more, and more preferably 10 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the thickness of the Mg concentrated layer 40 is preferably 25 ⁇ m or less, and preferably 20 ⁇ m or less. Is more preferable.
  • a compound layer 38 made of a compound layer of Cu and Al is formed at the bonding interface between the metal layer 13 (Cu layer 13B) and the heat sink 31, and the compound layer 38 is composed of a plurality of metals. Since the intermetallic compound is laminated along the bonding interface, the brittle intermetallic compound can be prevented from growing greatly. Further, the volume variation inside the compound layer 38 is reduced, and internal strain is suppressed. In the present embodiment, since oxides are dispersed in layers along the bonding interface between the Cu layer 13 ⁇ / b> B and the compound layer 38, the oxide formed on the bonding surface of the heat sink 31. The film is surely destroyed, the mutual diffusion of Cu and Al is sufficiently advanced, and the Cu layer 13B and the heat sink 31 are reliably bonded.
  • the bonding to be bonded to the metal layer 13 (Cu layer 13B) in the heat sink 31 in the heat sink preparation step S04, as the heat sink 31 before bonding, the bonding to be bonded to the metal layer 13 (Cu layer 13B) in the heat sink 31. Since the Mg concentration in the region 31A from the surface to the depth direction of 50 ⁇ m in the range of 0.3 mass% to 15 mass% is prepared, in the metal layer / heat sink joining step S05, When the metal layer 13 (Cu layer 13B) is solid-phase diffusion bonded, Cu atoms in the Cu layer 13B can be prevented from diffusing and moving more than necessary, and the generation of Kirkendall voids can be suppressed. Therefore, it is possible to manufacture the power module substrate 30 with a heat sink having a low thermal resistance in the stacking direction and excellent heat dissipation characteristics.
  • Mg foil 41 having a thickness of 2 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less is disposed on a joint surface of the heat sink 31 to be joined with the metal layer 13 (Cu layer 13B), and temperature: 420 ° C. or more and 500 ° C. or less. Holding time: By performing heat treatment under conditions of 30 min to 240 min, Mg is diffused to the heat sink 31 side, and the Mg concentration in the region 31A from the bonding surface to 50 ⁇ m in the depth direction is 0.3 mass% to 15 mass%. Therefore, Mg can be disposed on the bonding surface with the metal layer 13 (Cu layer 13B), and the Mg concentrated layer 40 can be formed in the subsequent metal layer / heat sink bonding step S05. It becomes.
  • a gap may be formed at the bonding interface, but in this embodiment, the Cu layer 13B (copper plate 23B) and the surface to which the heat sink 31 is bonded. Since the solid-phase diffusion bonding is performed after the surface scratches have been removed and smoothed in advance, the formation of a gap at the bonding interface can be suppressed, and solid-phase diffusion bonding can be reliably performed.
  • FIG. 6 shows a heat sink 101 according to the second embodiment of the present invention.
  • the heat sink 101 includes a heat sink body 110 and a metal member layer 117 made of copper, nickel, or silver laminated on one surface of the heat sink body 110 (upper side in FIG. 6).
  • the metal member layer 117 is configured by joining a metal plate 127 made of an oxygen-free copper rolled plate to the heat sink body 110, as shown in FIG.
  • the heat sink body 110 is provided with a flow path 111 through which a cooling medium flows.
  • the heat sink body 110 is made of an aluminum alloy having a Si concentration in the range of 1 mass% to 25 mass%. Specifically, Si is in the range of 9.6 mass% to 12 mass%, and Mg is contained. It is comprised with the aluminum alloy contained within the range of 0.3 mass% or more and 15 mass% or less.
  • the Si concentration of the aluminum alloy is preferably 5 mass% or more and 20 mass% or less, more preferably 7 mass% or more and 13 mass% or less, but is not limited thereto.
  • the heat sink body 110 and the metal member layer 117 are solid phase diffusion bonded.
  • a compound layer 138 is formed at the bonding interface between the heat sink body 110 and the metal member layer 117 as shown in FIG.
  • the compound layer 138 is formed by mutual diffusion of Al atoms in the heat sink body 110 and Cu atoms in the metal member layer 117.
  • the compound layer 138 has a concentration gradient in which the Al atom concentration gradually decreases and the Cu atom concentration increases as the heat sink body 110 moves toward the metal member layer 117.
  • the compound layer 138 is composed of an intermetallic compound composed of Cu and Al.
  • the compound layer 138 has a structure in which a plurality of intermetallic compounds are stacked along the bonding interface.
  • the thickness of the compound layer 138 is set in a range of 1 ⁇ m to 80 ⁇ m, preferably in a range of 5 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the compound layer 138 has a structure in which three kinds of intermetallic compounds are laminated, and the heat sink body 110 and the metal member layer are sequentially arranged from the heat sink body 110 side to the metal member layer 117 side.
  • a ⁇ phase and a ⁇ 2 phase are laminated along a bonding interface with 117, and at least one of a ⁇ 2 phase, a ⁇ phase, and a ⁇ 2 phase is laminated.
  • oxide is dispersed in layers along the bonding interface at the bonding interface between the compound layer 138 and the metal member layer 117.
  • this oxide is an aluminum oxide such as alumina (Al 2 O 3 ).
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • the oxide is dispersed in a state of being divided at the interface between the compound layer 138 and the metal member layer 117, and there is a region where the compound layer 138 and the metal member layer 117 are in direct contact with each other.
  • the oxide is dispersed in layers within at least one of the ⁇ phase, the ⁇ 2 phase, or the ⁇ 2 phase, the ⁇ phase, and the ⁇ 2 phase.
  • an Mg concentrated layer 140 in which the Mg concentration is 3 mass% or more is formed inside the compound layer 138, and the thickness of the Mg concentrated layer 140 is 1 ⁇ m. It is within the range of 30 ⁇ m or less.
  • the Mg concentration of the Mg enriched layer 140 is preferably 5 mass% or more and 15 mass% or less, more preferably 7 mass% or more and 9 mass% or less, but is not limited thereto.
  • the thickness of the Mg concentrated layer 140 is preferably 3 ⁇ m or more and 25 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, but is not limited thereto.
  • the heat sink body 110 to be joined is prepared.
  • the Mg concentration in a region from the joint surface joined to the metal member layer 117 to 50 ⁇ m in the depth direction in the heat sink main body 110 is set in the range of 0.3 mass% to 15 mass%.
  • the entire heat sink body 110 contains Mg within a range of 0.3 mass% to 15 mass%.
  • the Mg concentration in the region of the heat sink body 110 in the depth direction from the joint surface joined to the metal member layer 117 to 50 ⁇ m is preferably 2 mass% to 10.8 mass%, more preferably 4.9 mass% to 8. Although it is 3 mass% or less, it is not limited to this.
  • the heat sink body 110 and the metal plate 127 to be the metal member layer 117 are laminated, and pressure is applied in the laminating direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 (0.10 to 3.43 MPa).
  • pressure is applied in the laminating direction (pressure 1 to 35 kgf / cm 2 (0.10 to 3.43 MPa).
  • the metal plate 127 and the heat sink body 110 are solid-phase diffusion bonded by being placed in a vacuum heating furnace and heated.
  • each joining surface of the metal plate 127 and the heat sink body 110 to be solid phase diffusion bonded is previously smoothed by removing scratches on the surfaces.
  • the pressure during the pressurization is more preferably 8 to 20 kgf / cm 2 (0.78 to 1.96 MPa), but is not limited thereto.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is in the range of 10 ⁇ 6 Pa to 10 ⁇ 3 Pa
  • the heating temperature is 400 ° C. to 520 ° C.
  • the holding time is in the range of 0.25 hour to 3 hours. It is preferably set.
  • the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 ⁇ 5 Pa to 10 ⁇ 4 Pa
  • the heating temperature is set to 480 ° C. to 510 ° C.
  • the holding time is set in the range of 0.5 hours to 2 hours.
  • Cu atoms in the metal plate 127 diffuse toward the heat sink body 110, forming a compound layer 138 as shown in FIG. Then, the Mg concentrated layer 140 is formed.
  • the heat sink 101 which is this embodiment is manufactured.
  • the metal member layer 117 is formed by joining the metal plate 127 made of an oxygen-free copper rolled plate to one surface side of the heat sink body 110. Since it is formed, heat can be spread in the surface direction by the metal member layer 117, and the heat dissipation characteristics can be greatly improved. In addition, other members and the heat sink 101 can be favorably bonded using solder or the like.
  • the heat sink body 110 is made of an aluminum alloy having a Si concentration in the range of 1 mass% to 25 mass%. Specifically, Si is in the range of 9.6 mass% to 12 mass%, Mg Therefore, the heat sink body 110 having a complicated structure having a flow path and the like can be configured since the aluminum alloy is included in the range of 0.3 mass% to 15 mass%.
  • a compound layer 138 is formed at the bonding interface between the heat sink body 110 and the metal member layer 117 as shown in FIG. 7, and the inside of the compound layer 138 is shown in FIG.
  • the Mg concentration layer 140 in which the Mg concentration is 3 mass% or more is formed, and the thickness of the Mg concentration layer 140 is in the range of 1 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the layer 140 prevents the diffusion movement of Cu atoms in the metal member layer 117, and the generation of Kirkendall void can be suppressed. Therefore, the thermal resistance in the stacking direction is low, and the heat dissipation characteristics are excellent.
  • the Mg concentrated layer 140 has a thickness of 30 ⁇ m or less, the diffusion of Cu atoms is not restricted more than necessary, and the heat sink body 110 and the metal member layer 117 are securely solid-phase diffusion bonded. be able to.
  • the bonding interface between the metal member layer 117 and the heat sink body 110 has the same configuration as the bonding interface between the Cu layer 13B and the heat sink 31 in the first embodiment. It is possible to achieve the same function and effect.
  • the thickness of the Ni layer is preferably 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less. If the thickness of the Ni layer is less than 1 ⁇ m, the effect of improving the reliability of bonding with other members may be lost. If the thickness exceeds 30 ⁇ m, the Ni layer becomes a thermal resistor and heat can be transferred efficiently. There is a risk of disappearing.
  • the bonding temperature is set to 400 ° C. or more and 520 ° C. or less for the solid phase diffusion bonding of the Al layer and Ni, but other conditions are the same as in the above-described embodiment. It can be formed under the following conditions.
  • the silver oxide of the silver oxide paste is reduced. Since the silver reduced by the agent and the Ag layer to be bonded are bonded between the same kind of metals, the bonding reliability can be improved. Furthermore, since an Ag layer having a good thermal conductivity is formed, heat can be spread efficiently by spreading in the surface direction.
  • the thickness of the Ag layer is preferably 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. If the thickness of the Ag layer is less than 1 ⁇ m, the effect of improving the reliability of bonding with other members may be lost.
  • the bonding temperature is set to 400 ° C. or more and 520 ° C. or less, but the other conditions are the same as those in the above embodiment. Can be formed.
  • the metal layer 13 has been described as having the Al layer 13A and the Cu layer 13B.
  • the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. Or you may comprise with a copper alloy.
  • a copper plate is joined to the other surface (lower side in FIG. 10) of the ceramic substrate 11 by the DBC method, the active metal brazing method, or the like.
  • a metal layer 213 is formed.
  • the metal layer 213 and the heat sink 31 are solid phase diffusion bonded.
  • the circuit layer 212 is also made of copper or a copper alloy.
  • a power module 201 shown in FIG. 10 includes a power module substrate 230 with a heat sink, and a semiconductor element 3 bonded to one surface (the upper surface in FIG. 10) of the power module substrate 230 with a heat sink via a solder layer 2. It is equipped with.
  • the circuit layer is described as being formed by bonding an aluminum plate having a purity of 99% by mass, but is not limited thereto, and pure aluminum having a purity of 99.99% by mass or more, It may be composed of other metals such as aluminum or aluminum alloy, copper or copper alloy.
  • the circuit layer may have a two-layer structure of an Al layer and a Cu layer. The same applies to the power module substrate 210 shown in FIG.
  • the metal layer 13 (Cu layer 13B) and the heat sink 31 are laminated, placed in a vacuum heating furnace in a state of being pressurized in the lamination direction, and heated.
  • the heat sink main body / metal member layer joining step S102 of the second embodiment the heat sink main body 110 and the metal plate 127 to be the metal member layer 117 are stacked and pressurized in the stacking direction (pressure 5 to 35 kgf /
  • the present invention is not limited to this, and as shown in FIG.
  • an electric heating method is used. It may be.
  • an aluminum alloy member 301 and a metal member 302 are laminated, and these laminated bodies are laminated by a pair of electrodes 312 and 312 via carbon plates 311 and 311. While pressing in the direction, the aluminum alloy member 301 and the metal member 302 are energized. Then, the carbon plates 311 and 311 and the aluminum alloy member 301 and the metal member 302 are heated by Joule heat, and the aluminum alloy member 301 and the metal member 302 are solid-phase diffusion bonded.
  • the rate of temperature increase can be made relatively fast, for example, 30 to 100 ° C./min, and the solid phase can be obtained in a short time. Diffusion bonding can be performed. Thereby, the influence of the oxidation of the bonding surface is small, and for example, bonding can be performed even in an air atmosphere. Further, depending on the resistance value and specific heat of the aluminum alloy member 301 and the metal member 302, it is possible to join the aluminum alloy member 301 and the metal member 302 in a state where a temperature difference is generated, thereby reducing the difference in thermal expansion, Thermal stress can also be reduced.
  • the pressure load applied by the pair of electrodes 312 and 312 is set to be within a range of 30 kgf / cm 2 to 100 kgf / cm 2 (2.94 MPa to 9.8 MPa). preferable.
  • the pressure load is more preferably 50 kgf / cm 2 or more and 80 kgf / cm 2 or less (4.90 MPa or more and 7.85 MPa or less), but is not limited thereto.
  • the surface roughness of the aluminum alloy member 301 and the metal member 302 is 0.3 ⁇ m or more and 0.6 ⁇ m or less in terms of arithmetic average roughness Ra, or 1.
  • the surface roughness of the bonding surface is small, but in the case of the electric heating method, if the surface roughness of the bonding surface is too small, the interface contact resistance decreases, and the bonding interface Since it becomes difficult to heat locally, it is preferable to be within the above range.
  • the ceramic substrate 11 is an insulator, for example, a jig made of carbon, etc. Therefore, it is necessary to short-circuit the carbon plates 311 and 311.
  • the joining conditions are the same as the joining of the aluminum member 301 and the copper member 302 described above.
  • the surface roughness of the metal layer 13 (Cu layer 13B) and the heat sink 31 is the same as that of the aluminum member 301 and the copper member 302 described above.
  • Example 11-15 an aluminum alloy plate and a metal plate were joined by solid phase diffusion bonding by the electric heating method shown in FIG. Note that the pressure load on the electrode was 15 kgf / cm 2 (1.47 MPa), the heating temperature (copper plate temperature) was 510 ° C., the holding time at the heating temperature was 5 min, and the heating rate was 80 ° C./min.
  • the bonding atmosphere was an air atmosphere.
  • the thickness of the Mg enriched layer is determined by measuring the area of the region where the Mg concentration is 3 mass% or more from the Mg mapping image by EPMA (electron beam microanalyzer) at the joint interface between the aluminum alloy plate and the metal plate, The thickness was obtained by dividing by the above dimensions, and the average of the five fields of view was the thickness of the Mg concentrated layer. The measurement was performed at a magnification of 2000 times, and the measurement was performed in a range of 50 ⁇ m in the stacking direction centering on the contact surface between the aluminum alloy plate and the metal plate.
  • Heat cycle test Next, a heat cycle test was performed on the joined body thus manufactured.
  • the thermal resistance and bonding rate in the stacking direction of the bonded body before the heat cycle test, and the thermal resistance and bonding rate in the stacking direction of the bonded body after the heat cycle test were evaluated as follows.
  • Bonding rate evaluation The joining rate of the joined part between the aluminum plate and the metal plate of the joined body was evaluated using an ultrasonic flaw detector and calculated from the following formula.
  • the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the aluminum plate. Since peeling is indicated by a white part in the ultrasonic flaw detection image, the area of the white part is defined as a peeling area.
  • Bonding rate (%) ⁇ (initial bonding area) ⁇ (peeling area) ⁇ / (initial bonding area) ⁇ 100
  • Comparative Example 1 in which the Mg concentrated layer was not formed, it was confirmed that the thermal resistance was higher than that of the inventive example. Moreover, when Comparative Example 4 using nickel as the metal plate was compared with Invention Examples 9 and 14, it was confirmed that the thermal resistance of Comparative Example 4 was increased. Similarly, when Comparative Example 5 using silver as a metal plate was compared with Invention Examples 10 and 15, it was confirmed that the thermal resistance of Comparative Example 5 was increased. These are presumed to be due to the formation of Kirkendall void.
  • Comparative Example 2 in which the thickness of the Mg concentrated layer exceeded the upper limit of the present invention, the bonding rate was low and the thermal resistance was large. It is presumed that the Mg enriched layer is formed thick, so that the diffusion of the metal element of the metal plate is suppressed. Further, in Comparative Example 3 where the thickness of the Mg concentrated layer is thinner than the lower limit of the present invention, it was confirmed that the resistance was increased as in Comparative Example 1. It is presumed that the generation of Kirkendall voids could not be sufficiently suppressed.
  • the thermal resistance is smaller than that of the comparative example, and the joining rate is sufficiently high. confirmed. It is presumed that by forming the Mg concentrated layer having an appropriate thickness, the diffusion of the metal elements constituting the metal plate is suppressed and the generation of Kirkendall voids is suppressed. Further, in Invention Examples 11-15 to which the energization heating method was applied, the aluminum alloy plate and the metal plate were satisfactorily joined even when they were joined in the air. Furthermore, it was confirmed that an increase in thermal resistance and a decrease in bonding rate after the heat cycle test were hardly observed, and a bonded body with high bonding reliability was obtained.
  • an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing a relatively large amount of Si and a metal member made of copper, nickel, or silver are satisfactorily bonded, and the thermal resistance in the stacking direction is low. It was confirmed that a joined body could be obtained.
  • an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing a relatively large amount of Si and a metal member made of copper, nickel, or silver are well bonded, and a bonded body having a low thermal resistance in the stacking direction, and this bonding It is possible to provide a power module substrate with a heat sink and a heat sink having a body, a method for manufacturing a joined body, a method for manufacturing a power module substrate with a heat sink, and a method for manufacturing a heat sink.

Abstract

本発明の接合体は、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、アルミニウム合金部材は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、アルミニウム合金部材と金属部材とが固相拡散接合されており、アルミニウム合金部材と金属部材との接合界面に、アルミニウム合金部材のＡｌと金属部材の金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。

Description

接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法
　この発明は、アルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合されてなる接合体、絶縁層の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク本体に金属部材層が形成されたヒートシンク、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、ヒートシンクの製造方法に関する。
　本願は、２０１５年４月１６日に、日本に出願された特願２０１５－０８４０３０号、２０１６年２月２４日に、日本に出願された特願２０１６－０３３２０２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造を備えている。
　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においては、発熱量が多い。そのため、大電力制御用のパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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。なお、パワージュール用基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属層を形成したものも提供されている。
　例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にＡｌからなる回路層及び金属層が形成されたパワーモジュール用基板と、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、を備えた構造とされている。
　パワーモジュール用基板の金属層側には、ヒートシンクが接合されており、半導体素子からパワーモジュール用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。
　ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、回路層及び金属層をＡｌで構成した場合には、表面にＡｌの酸化皮膜が形成されるため、はんだ材によって半導体素子やヒートシンクを接合することができない。
　そこで、従来、例えば特許文献２に開示されているように、回路層及び金属層の表面に無電解めっき等によってＮｉめっき膜を形成した上で、半導体素子やヒートシンクをはんだ接合している。
　また、特許文献３には、はんだ材の代替として、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて、回路層と半導体素子、金属層とヒートシンクを接合する技術が提案されている。
　しかしながら、特許文献２に記載されたように、回路層及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成したパワーモジュール用基板においては、半導体素子及びヒートシンクを接合するまでの過程においてＮｉめっき膜の表面が酸化等によって劣化し、はんだ材を介して接合した半導体素子及びヒートシンクとの接合信頼性が低下するおそれがあった。ここで、ヒートシンクと金属層との接合が不十分であると、熱抵抗が上昇し、放熱特性が低下するおそれがあった。また、Ｎｉめっき工程では、不要な領域にＮｉめっきが形成されて電食等のトラブルが発生しないように、マスキング処理を行うことがある。このように、マスキング処理をした上でめっき処理をする場合、回路層表面及び金属層表面にＮｉめっき膜を形成する工程に多大な労力が必要となり、パワーモジュールの製造コストが大幅に増加してしまうといった問題があった。
　また、特許文献３に記載されたように、酸化銀ペーストを用いて回路層と半導体素子、金属層とヒートシンクを接合する場合には、Ａｌと酸化銀ペーストの焼成体との接合性が悪いために、予め回路層表面及び金属層表面にＡｇ下地層を形成する必要があった。Ａｇ下地層をめっきにより形成する場合には、Ｎｉめっきと同様に多大な労力が必要となるといった問題があった。
　そこで、特許文献４には、回路層及び金属層をＡｌ層とＣｕ層の積層構造とし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においては、回路層及び金属層の表面にはＣｕ層が配置されるため、はんだ材を用いて半導体素子及びヒートシンクを良好に接合することができる。このため、積層方向の熱抵抗が小さくなり、半導体素子から発生した熱をヒートシンク側へと効率良く伝達することが可能となる。
　また、特許文献５には、金属層及びヒートシンクの一方がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、他方が銅又は銅合金で構成されており、これら前記金属層と前記ヒートシンクとが固相拡散接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が提案されている。このヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、金属層とヒートシンクとが固相拡散接合されているので、熱抵抗が小さく、放熱特性に優れている。
特許第３１７１２３４号公報 特開２００４－１７２３７８号公報 特開２００８－２０８４４２号公報 特開２０１４－１６０７９９号公報 特開２０１４－０９９５９６号公報
　ところで、内部に冷却媒体の流路等が形成された複雑な構造のヒートシンクにおいては、Ｓｉを比較的多く含むアルミニウム鋳物合金を用いて製造されることがある。
　ここで、Ｓｉを比較的多く含むアルミニウム鋳物合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とを、特許文献５に記載されたように、固相拡散接合した場合には、接合界面近傍に相互拡散の不均衡によって生じるカーケンダルボイドが多数発生することが確認された。このようなカーケンダルボイドがパワーモジュール用基板とヒートシンクとの間に存在すると、熱抵抗が上昇し、放熱特性が低下してしまうといった問題があった。
　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、Ｓｉを比較的多く含むアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法を提供することを目的とする。
　前述の課題を解決するために、本発明の一態様である接合体は、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、前記アルミニウム合金部材は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とが固相拡散接合されており、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材のＡｌと前記金属部材の金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
　なお、本発明において、金属部材は、銅又は銅合金、ニッケル又はニッケル合金、もしくは銀又は銀合金で構成されている。
　この構成の接合体によれば、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材のＡｌと前記金属部材の金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、このＭｇ濃化層によって金属部材を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制されることになり、積層方向の熱抵抗を低くすることができる。
　本発明の一態様であるヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記ヒートシンクのＡｌと前記金属層の接合面を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ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パワーモジュール用基板によれば、前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記ヒートシンクのＡｌと前記金属層の接合面を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、このＭｇ濃化層によって金属層を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制される。このため、積層方向の熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。
　本発明の一態様であるヒートシンクは、ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とが固相拡散接合されており、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との接合界面に、前記ヒートシンク本体のＡｌと前記金属部材層を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ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によれば、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との接合界面に、前記ヒートシンク本体のＡｌと前記金属部材層を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、この前記Ｍｇ濃化層によって金属部材層を構成する金属元素の拡散移動が妨げられて、カーケンダルボイドの発生が抑制される。このため、積層方向の熱抵抗が低く、放熱特性に特に優れている。
　本発明の一態様である接合体の製造方法は、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、前記アルミニウム合金部材は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、接合前の前記アルミニウム合金部材において、少なくとも前記金属部材との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、このアルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することを特徴としている。
　この構成の接合体の製造方法によれば、接合前の前記アルミニウム合金部材において、少なくとも前記金属部材との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としているので、固相拡散接合時に金属部材を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを、接合面近傍に存在するＭｇによって抑制することができ、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
　ここで、本発明の一態様である接合体の製造方法においては、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することが好ましい。
　この場合、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを良好に接合することができる。
　本発明の一態様であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、接合前の前記ヒートシンクにおいて、少なくとも前記金属層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、このヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することを特徴としている。
　この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、接合前の前記ヒートシンクにおいて、少なくとも前記金属層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としているので、固相拡散接合時に金属層の接合面を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを、接合面近傍に存在するＭｇによって抑制することができ、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
　よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することが可能となる。
　ここで、本発明の一態様であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法においては、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することが好ましい。
　この場合、前記ヒートシンクと前記金属層とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記ヒートシンクと前記金属層とを良好に接合することができる。
　本発明の一態様であるヒートシンクの製造方法は、ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、前記ヒートシンク本体は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、接合前の前記ヒートシンク本体において、少なくとも前記金属部材層との接合面から５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、このヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴としている。
　この構成のヒートシンクの製造方法によれば、接合前の前記ヒートシンク本体において、少なくとも前記金属部材層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としているので、固相拡散接合時に金属部材層を構成する金属元素が必要以上に拡散移動することを、接合面近傍に存在するＭｇによって抑制でき、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
　よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンクを製造することが可能となる。
　ここで、本発明の一態様であるヒートシンクの製造方法においては、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することが好ましい。
　この場合、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層方向に加圧しながら通電加熱しているので、昇温速度を速くすることができ、比較的短時間で固相拡散接合を行うことが可能となる。これにより、例えば大気中で接合した場合でも、接合面の酸化の影響が小さく、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを良好に接合することができる。
　本発明によれば、Ｓｉを比較的多く含むアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法を提供することが可能となる。
本発明の第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用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パワーモジュール用基板のヒートシンクと金属層（Ｃｕ層）との接合界面の断面拡大説明図である。 第一実施形態に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を説明するフロー図である。 第一実施形態に係るヒートシンク付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。 図４に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、接合前のヒートシンクの接合面にＭｇを添加する方法を示す概略説明図である。 本発明の第二実施形態に係るヒートシンクの概略説明図である。 図６に示すヒートシンクのヒートシンク本体と金属部材層との接合界面の断面拡大説明図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法を説明するフロー図である。 第二実施形態に係るヒートシンクの製造方法の概略説明図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えたパワーモジュールの概略説明図である。 通電加熱法によって固相拡散接合を行う状況を示す概略説明図である。
（第一実施形態）
　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、本発明の第一実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０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、ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０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、を備えている。
　ヒートシンク付パワーモジュール用基板３０は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
　パワーモジュール用基板１０は、絶縁層を構成す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、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、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、セラミックス部材１１は、特に放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、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、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、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、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２２）がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。なお、回路層１２となるアルミニウム板２２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、０．６ｍｍに設定されている。
　金属層１３は、図１に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に配設されたＡｌ層１３Ａと、このＡｌ層１３Ａのうちセラミックス基板１１が接合された面と反対側の面に積層されたＣｕ層１３Ｂと、を有している。
　Ａｌ層１３Ａは、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板２３Ａ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、Ａｌ層１３Ａは、純度が９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）の圧延板（アルミニウム板２３Ａ）がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。接合されるアルミニウム板２３Ａ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、０．６ｍｍに設定されている。
　Ｃｕ層１３Ｂは、図４に示すように、Ａｌ層１３Ａの他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板２３Ｂ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、Ｃｕ層１３Ｂは、無酸素銅の圧延板（銅板２３Ｂ）が接合されることで形成されている。銅層１３Ｂの厚さは０．１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、１ｍｍに設定されている。
　ヒートシンク３１は、パワーモジュール用基板１０側の熱を放散するためのものであり、本実施形態では、図１に示すように、冷却媒体が流通する流路３２が設けられている。このヒートシンク３１は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ　Ｈ　２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（固相線温度５１５℃）で構成されている。なお、このＡＤＣ１２は、Ｃｕを１．５ｍａｓｓ％以上３．５ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｓｉを９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下の範囲内で含むアルミニウム合金である。上記アルミニウム合金のＳｉ濃度は、好ましくは５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、より好ましくは７ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下であるが、これに限定されることはない。
　ここで、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とは、固相拡散接合されている。
　金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１との接合界面には、図２に示すように、ＡｌとＣｕを含有する化合物層３８が形成されている。
　この化合物層３８は、ヒートシンク３１のＡｌ原子と、Ｃｕ層１３ＢのＣｕ原子とが相互拡散することによって形成される。この化合物層３８においては、ヒートシンク３１からＣｕ層１３Ｂに向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
　この化合物層３８は、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、化合物層３８の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
　本実施形態では、化合物層３８は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク３１側からＣｕ層１３Ｂ側に向けて順に、ヒートシンク３１とＣｕ層１３Ｂとの接合界面に沿って、θ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層して構成されている
　また、この化合物層３８とＣｕ層１３Ｂとの接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、化合物層３８とＣｕ層１３Ｂとの界面に分断された状態で分散しており、化合物層３８とＣｕ層１３Ｂとが直接接触している領域も存在している。また、酸化物がθ相、η２相もしくは、ζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。
　そして、この化合物層３８の内部には、図２に示すように、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層４０が形成されており、このＭｇ濃化層４０の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。Ｍｇ濃化層４０のＭｇの濃度は、好ましくは５ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下、より好ましくは７ｍａｓｓ％以上９ｍａｓｓ％以下であるが、これに限定されることはない。
　次に、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造方法について、図３から図５を参照して説明する。
（アルミニウム板積層工程Ｓ０１）
　まず、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に、回路層１２となるアルミニウム板２２を、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。
　また、セラミックス基板１１の他方の面に、Ａｌ層１３Ａとなるアルミニウム板２３Ａを、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔２６を介して積層する。なお、本実施形態では、Ａｌ－Ｓｉ系のろう材箔２６として、厚さ１０μｍのＡｌ－８ｍａｓｓ％Ｓｉ合金箔を用いた。
（回路層及びＡｌ層形成工程Ｓ０２）
　そして、積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０～３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１を接合して回路層１２を形成する。また、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３Ａを接合してＡｌ層１３Ａを形成する。
　ここで、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、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
（Ｃｕ層（金属層）形成工程Ｓ０３）
　次に、Ａｌ層１３Ａの他方の面側に、Ｃｕ層１３Ｂとなる銅板２３Ｂを積層する。
　そして、積層方向に加圧（圧力３～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．２９～３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、Ａｌ層１３Ａと銅板２３Ｂとを固相拡散接合し、金属層１３を形成する。
　ここで、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４００℃以上５４８℃以下、保持時間は５分以上２４０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
　なお、Ａｌ層１３Ａ、銅板２３Ｂのうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。
（ヒートシンク準備工程Ｓ０４）
　次に、接合するヒートシンク３１を準備する。このとき、図５に示すように、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とする。
　本実施形態においては、図５に示すように、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面に、厚さ２μｍ以上２５μｍ以下のＭｇ箔４１を配置し、熱処理炉４５に装入し、温度：４２０℃以上５００℃以下、保持時間：３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の条件で熱処理を行うことで、Ｍｇをヒートシンク３１側に拡散させ、接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としている。なお、この熱処理時における熱処理炉４５の炉内雰囲気は、例えば窒素雰囲気下や真空雰囲気下とすることが好ましい。上記熱処理は、温度：４５０℃以上４８０℃以下、保持時間：６０ｍｉｎ以上１２０ｍｉｎ以下の条件とすることが好ましいがこれに限定されることはない。
　なお、Ｍｇ箔以外にも、Ａｌ－Ｍｇ箔やＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ箔などＭｇを含有する種々の箔を用いることができる。さらに、箔以外でもスパッタ等によって接合面にＭｇを配置し、熱処理することでＭｇを拡散させることもできる。
　また、接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度が１５ｍａｓｓ％を超える場合、接合面から深さ方向に研磨や切削することでＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることもできる。領域３１ＡにおけるＭｇ濃度は、好ましくは２ｍａｓｓ％以上１０．８ｍａｓｓ％以下、より好ましくは４．９ｍａｓｓ％以上８．３ｍａｓｓ％以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。
（金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
　次に、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に加圧（圧力５～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．４９～３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱して、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１を固相拡散接合する。なお、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）及びヒートシンク３１のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。加圧の際の圧力は、より好ましくは８～２０ｋｇｆ／ｃｍ２（０．７８～１．９６ＭＰａ）であるが、これに限定されることはない。
　ここで、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４００℃以上５２０℃以下、保持時間は０．２５時間以上３時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。真空加熱炉内の圧力は、１０－５Ｐａ以上１０－４Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は４８０℃以上５１０℃以下、保持時間は０．５時間以上２時間以下の範囲内に設定されることがより好ましいが、これに限定されることはない。
　この金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５において、Ｃｕ層１３Ｂ中のＣｕ原子がヒートシンク３１側に拡散していき、図２に示すように、化合物層３８が形成されるとともに、この化合物層３８内にＭｇ濃化層４０が形成される。
　このようにして、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板３０が製造される。
（半導体素子接合工程Ｓ０６）
　次いで、回路層１２の一方の面（表面）に、はんだ材２を介して半導体素子３を積層し、還元炉内においてはんだ接合する。
　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に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板３０によれば、ヒートシンク３１が、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、ＪＩＳ　Ｈ　２１１８：２００６で規定されたダイカスト用アルミニウム合金であるＡＤＣ１２（Ｓｉ濃度９．６ｍａｓｓ％以上１２．０ｍａｓｓ％以下）で構成されているので、流路３２を有する複雑な構造のヒートシンク３１を構成することができ、放熱性能を向上させることが可能となる。
　そして、本実施形態では、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合界面に、ＡｌとＣｕの金属間化合物からなる化合物層３８が形成されており、この化合物層３８の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層４０が形成され、このＭｇ濃化層４０の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、このＭｇ濃化層４０によって金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）のＣｕ原子の拡散移動が妨げられることになり、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。また、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）のＣｕ原子を十分にヒートシンク３１側に拡散させることができ、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とを確実に固相拡散接合することができる。
　よって、このヒートシンク付パワーモジュール用基板３０においては、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性の劣化を抑制することが可能となる。
　ここで、Ｍｇ濃化層４０の厚さが１μｍ未満の場合には、Ｃｕ原子の拡散移動を十分に抑制することができず、カーケンダルボイドの発生を抑えることができないおそれがある。一方、Ｍｇ濃化層４０の厚さが３０μｍを超える場合には、Ｃｕ原子の拡散が不足し、接合が不十分となるおそれがある。
　以上のことから、本実施形態においては、Ｍｇ濃化層４０の厚さを１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内に設定している。
　なお、カーケンダルボイドの発生を確実に抑制するためには、Ｍｇ濃化層４０の厚さの下限を７μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とを確実に固相拡散接合するためには、Ｍｇ濃化層４０の厚さの上限を２５μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以下とすることがさらに好ましい。
　さらに、本実施形態では、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１との接合界面に、ＣｕとＡｌの化合物層からなる化合物層３８が形成されており、この化合物層３８は、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされているので、脆い金属間化合物が大きく成長してしまうことを抑制できる。また、化合物層３８内部における体積変動が小さくなり、内部歪みが抑えられる。
　また、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ｂと化合物層３８との接合界面においては、酸化物がこれらの接合界面に沿ってそれぞれ層状に分散しているので、ヒートシンク３１の接合面に形成された酸化膜が確実に破壊され、ＣｕとＡｌの相互拡散が十分に進行していることになり、Ｃｕ層１３Ｂとヒートシンク３１とが確実に接合される。
　また、本実施形態のヒートシンク付パワーモジュール用基板３０の製造方法によれば、ヒートシンク準備工程Ｓ０４において、接合前のヒートシンク３１として、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とした構成のものを準備しているので、金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５において、ヒートシンク３１と金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）を固相拡散接合した際に、Ｃｕ層１３ＢのＣｕ原子が必要以上に拡散移動することを抑制でき、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。
　よって、積層方向における熱抵抗が低く、放熱特性に優れたヒートシンク付パワーモジュール用基板３０を製造することが可能となる。
　さらに、本実施形態においては、ヒートシンク３１のうち金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）と接合される接合面に、厚さ２μｍ以上２５μｍ以下のＭｇ箔４１を配置し、温度：４２０℃以上５００℃以下、保持時間：３０ｍｉｎ以上２４０ｍｉｎ以下の条件で熱処理を行うことで、Ｍｇをヒートシンク３１側に拡散させ、接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域３１ＡにおけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内としているので、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）との接合面にＭｇを配置することができ、その後の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５において、Ｍｇ濃化層４０を形成することが可能となる。
　さらに、固相拡散接合する際に、接合面に傷がある場合には接合界面に隙間が生じるおそれがあるが、本実施形態では、Ｃｕ層１３Ｂ（銅板２３Ｂ）、ヒートシンク３１の接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に固相拡散接合されているので、接合界面に隙間が生じることを抑制することができ、確実に固相拡散接合することができる。
（第二実施形態）
　次に、本発明の第二実施形態であるヒートシンクについて説明する。図６に、本発明の第二実施形態に係るヒートシンク１０１を示す。
　このヒートシンク１０１は、ヒートシンク本体１１０と、ヒートシンク本体１１０の一方の面（図６において上側）に積層された銅、ニッケル又は銀からなる金属部材層１１７と、を備えている。本実施形態では、金属部材層１１７は、図９に示すように、無酸素銅の圧延板からなる金属板１２７をヒートシンク本体１１０に接合することによって構成されている。
　ヒートシンク本体１１０は、冷却媒体が流通する流路１１１が設けられている。このヒートシンク本体１１０は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、Ｓｉを９．６ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｇを０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内で含むアルミニウム合金で構成されている。上記アルミニウム合金のＳｉ濃度は、好ましくは５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、より好ましくは７ｍａｓｓ％以上１３ｍａｓｓ％以下であるが、これに限定されることはない。
　ここで、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７は、固相拡散接合されている。
　ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との接合界面には、図７に示すように、化合物層１３８が形成されている。この化合物層１３８は、ヒートシンク本体１１０のＡｌ原子と、金属部材層１１７のＣｕ原子とが相互拡散することによって形成される。この化合物層１３８においては、ヒートシンク本体１１０から金属部材層１１７に向かうにしたがい、漸次Ａｌ原子の濃度が低くなり、かつＣｕ原子の濃度が高くなる濃度勾配を有している。
　この化合物層１３８は、ＣｕとＡｌからなる金属間化合物で構成されており、本実施形態では、複数の金属間化合物が接合界面に沿って積層した構造とされている。ここで、化合物層１３８の厚さは、１μｍ以上８０μｍ以下の範囲内、好ましくは、５μｍ以上８０μｍ以下の範囲内に設定されている。
　また、本実施形態では、化合物層１３８は、３種の金属間化合物が積層された構造とされており、ヒートシンク本体１１０側から金属部材層１１７側に向けて順に、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との接合界面に沿って、θ相、η２相が積層し、さらにζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相が積層して構成されている。
　さらに、この化合物層１３８と金属部材層１１７との接合界面には、酸化物が接合界面に沿って層状に分散している。なお、本実施形態においては、この酸化物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のアルミニウム酸化物とされている。なお、酸化物は、化合物層１３８と金属部材層１１７との界面に分断された状態で分散しており、化合物層１３８と金属部材層１１７とが直接接触している領域も存在している。また、酸化物が、θ相、η２相もしくは、ζ２相、δ相、及びγ２相のうち少なくとも一つの相の内部に層状に分散している場合もある。
　そして、この化合物層１３８の内部には、図７に示すように、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層１４０が形成されており、このＭｇ濃化層１４０の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされている。Ｍｇ濃化層１４０のＭｇの濃度は、好ましくは５ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下、より好ましくは７ｍａｓｓ％以上９ｍａｓｓ％以下であるが、これに限定されることはない。Ｍｇ濃化層１４０の厚さは、好ましくは３μｍ以上２５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上２０μｍ以下であるが、これに限定されることはない。
　次に、本実施形態であるヒートシンク１０１の製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。
（ヒートシンク本体準備工程Ｓ１０１）
　まず、接合するヒートシンク本体１１０を準備する。このとき、ヒートシンク本体１１０のうち金属部材層１１７と接合される接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とする。
　本実施形態においては、上述のように、ヒートシンク本体１１０を構成するアルミニウム合金にＭｇを添加することにより、ヒートシンク本体１１０全体が、Ｍｇを０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内で含む。ヒートシンク本体１１０のうち金属部材層１１７と接合される接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度は、好ましくは２ｍａｓｓ％以上１０．８ｍａｓｓ％以下、より好ましくは４．９ｍａｓｓ％以上８．３ｍａｓｓ％以下であるが、これに限定されることはない。
（ヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２）
　次に、図９に示すように、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７となる金属板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力１～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．１０～３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置し加熱することにより、金属板１２７とヒートシンク本体１１０とを固相拡散接合する。なお、金属板１２７、ヒートシンク本体１１０のうち固相拡散接合されるそれぞれの接合面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされている。加圧の際の圧力は、より好ましくは８～２０ｋｇｆ／ｃｍ２（０．７８～１．９６ＭＰａ）であるが、これに限定されることはない。
　ここで、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４００℃以上５２０℃以下、保持時間は０．２５時間以上３時間以下の範囲内に設定されることが好ましい。真空加熱炉内の圧力は１０－５Ｐａ以上１０－４Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は４８０℃以上５１０℃以下、保持時間は０．５時間以上２時間以下の範囲内に設定されることがより好ましいが、これに限定されることはない。
　このヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２において、金属板１２７中のＣｕ原子がヒートシンク本体１１０側に拡散していき、図７に示すように、化合物層１３８が形成され、この化合物層１３８の内部にＭｇ濃化層１４０が形成される。
　このようにして、本実施形態であるヒートシンク１０１が製造される。
　以上のような構成とされた本実施形態に係るヒートシンク１０１によれば、ヒートシンク本体１１０の一方の面側に、無酸素銅の圧延板からなる金属板１２７を接合することによって金属部材層１１７が形成されているので、熱を金属部材層１１７によって面方向に広げることができ、放熱特性を大幅に向上させることができる。また、はんだ等を用いて他の部材とヒートシンク１０１とを良好に接合することができる。
　また、ヒートシンク本体１１０が、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、具体的には、Ｓｉを９．６ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内、Ｍｇを０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内で含むアルミニウム合金で構成されているので、流路等を有する複雑な構造のヒートシンク本体１１０を構成することができる。
　そして、本実施形態では、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７との接合界面には、図７に示すように、化合物層１３８が形成され、この化合物層１３８の内部には、図７に示すように、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層１４０が形成されており、このＭｇ濃化層１４０の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされているので、このＭｇ濃化層１４０によって金属部材層１１７のＣｕ原子の拡散移動が妨げられることになり、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。よって、積層方向における熱抵抗が低くなり、放熱特性に優れている。
　また、Ｍｇ濃化層１４０の厚さが３０μｍ以下とされているので、Ｃｕ原子の拡散が必要以上に制限されておらず、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７とを確実に固相拡散接合することができる。
　また、本実施形態では、金属部材層１１７とヒートシンク本体１１０との接合界面が、第一実施形態のＣｕ層１３Ｂとヒートシンク３１との接合界面と同様の構成とされているので、第一実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
　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、上記実施の形態では、金属層（Ｃｕ層）又は金属部材層として銅からなるＣｕ層が接合される場合について説明したが、Ｃｕ層に代えて、ニッケル又はニッケル合金からなるＮｉ層、もしくは銀又は銀合金からなるＡｇ層が接合されても良い。
　Ｃｕ層に代えてＮｉ層を形成した場合には、はんだ付け性が良好となり、他の部材との接合信頼性を向上できる。さらに、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合には、無電解めっき等でＮｉめっき膜を形成する際に行われるマスキング処理が不要なので、製造コストを低減できる。この場合、Ｎｉ層の厚さは１μｍ以上３０μｍ以下とすることが望ましい。Ｎｉ層の厚さが１μｍ未満の場合には他の部材との接合信頼性を向上させる効果が無くなるおそれがあり、３０μｍを超える場合にはＮｉ層が熱抵抗体となり効率的に熱を伝達できなくなるおそれがある。また、固相拡散接合によってＮｉ層を形成する場合、Ａｌ層とＮｉの固相拡散接合については、接合温度を４００℃以上５２０℃以下に設定するが、その他の条件は前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。
　Ｃｕ層に代えてＡｇ層を形成した場合には、例えば酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストを用いて他の部材を接合する際に、酸化銀ペーストの酸化銀が還元剤によって還元された銀と、接合するＡｇ層とが同種の金属同士の接合となるため、接合信頼性を向上させることができる。さらには、熱伝導率の良好なＡｇ層が形成されるので、熱を面方向に拡げて効率的に伝達することができる。この場合、Ａｇ層の厚さは１μｍ以上２０μｍ以下とすることが望ましい。Ａｇ層の厚さが１μｍ未満の場合には他の部材との接合信頼性を向上させる効果が無くなるおそれがあり、２０μｍを超える場合には接合信頼性向上の効果が観られなくなり、コストの増加を招く。また、固相拡散接合によってＡｇ層を形成する場合、Ａｌ層とＡｇの固相拡散接合については、接合温度を４００℃以上５２０℃以下に設定するが、その他は前述の実施形態と同様の条件で形成することができる。
　さらに、第一実施形態では、金属層１３を、Ａｌ層１３ＡとＣｕ層１３Ｂとを有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、図１０に示すように、金属層全体を銅又は銅合金で構成してもよい。この図１０に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０においては、セラミックス基板１１の他方の面（図１０において下側）に銅板がＤＢＣ法あるいは活性金属ろう付け法等によって接合され、銅又は銅合金からなる金属層２１３が形成されている。そして、この金属層２１３とヒートシンク３１とが、固相拡散接合されている。なお、図１０に示すパワーモジュール用基板２１０においては、回路層２１２も銅又は銅合金によって構成されている。図１０に示すパワーモジュール２０１は、ヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板２３０の一方の面（図１０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、を備えている。
　第一実施形態において、回路層を純度９９質量％のアルミニウム板を接合することで形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、純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムや、他のアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金等の他の金属で構成したものであってもよい。また、回路層をＡｌ層とＣｕ層の２層構造のものとしてもよい。これは、図１０に示すパワーモジュール用基板２１０でも同様である。
　第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５においては、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１とを積層し、積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に配置して加熱する構成とし、第二の実施形態のヒートシンク本体／金属部材層接合工程Ｓ１０２においては、ヒートシンク本体１１０と金属部材層１１７となる金属板１２７とを積層し、積層方向に加圧（圧力５～３５ｋｇｆ／ｃｍ２（０．４９～３．４３ＭＰａ））した状態で真空加熱炉内に配置して加熱する構成として、説明したが、これに限定されることはなく、図１１に示すように、アルミニウム合金部材３０１（ヒートシンク３１、ヒートシンク本体１１０）と金属部材３０２（金属層１３、金属部材層１１７）とを固相拡散接合する際に通電加熱法を適用してもよい。
　通電加熱を行う場合には、図１１に示すように、アルミニウム合金部材３０１と金属部材３０２とを積層し、これらの積層体を、カーボン板３１１，３１１を介して一対の電極３１２、３１２によって積層方向に加圧するとともに、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２に対して通電を行う。すると、ジュール熱によってカーボン板３１１，３１１及びアルミニウム合金部材３０１と金属部材３０２が加熱され、アルミニウム合金部材３０１と金属部材３０２とが固相拡散接合される。
　上述の通電加熱法においては、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２が直接通電加熱されることから、昇温速度を例えば３０～１００℃／ｍｉｎと比較的速くすることができ、短時間で固相拡散接合を行うことができる。これにより、接合面の酸化の影響が小さく、例えば大気雰囲気でも接合することが可能となる。また、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２の抵抗値や比熱によっては、これらアルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２に温度差が生じた状態で接合することも可能となり、熱膨張の差を小さくし、熱応力の低減を図ることもできる。
　ここで、上述の通電加熱法においては、一対の電極３１２，３１２による加圧荷重は、３０ｋｇｆ／ｃｍ２以上１００ｋｇｆ／ｃｍ２以下（２．９４ＭＰａ以上９．８ＭＰａ以下）の範囲内とすることが好ましい。上記加圧荷重は、５０ｋｇｆ／ｃｍ２以上８０ｋｇｆ／ｃｍ２以下（４．９０ＭＰａ以上７．８５ＭＰａ以下）とすることがより好ましいが、これに限定されることはない。
　また、通電加熱法を適用する場合には、アルミニウム合金部材３０１及び金属部材３０２の表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．３μｍ以上０．６μｍ以下、または、最大高さＲｚで１．３μｍ以上２．３μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。通常の固相拡散接合では、接合面の表面粗さは小さいことが好ましいが、通電加熱法の場合には、接合面の表面粗さが小さすぎると、界面接触抵抗が低下し、接合界面を局所的に加熱することが困難となるため、上述の範囲内とすることが好ましい。
　なお、第一の実施形態の金属層／ヒートシンク接合工程Ｓ０５に上述の通電加熱法を用いることも可能であるが、その場合、セラミックス基板１１が絶縁体であるため、例えば、カーボンからなる冶具等でカーボン板３１１，３１１を短絡する必要がある。接合条件は、上述したアルミニウム部材３０１と銅部材３０２の接合と同様である。
　また、金属層１３（Ｃｕ層１３Ｂ）とヒートシンク３１の表面粗さについては、上述したアルミニウム部材３０１及び銅部材３０２の場合と同様である。
　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。
（試験片の作製）
　表１に示すアルミニウム合金板（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の一方の面を表１記載のＭｇ濃度となるまで研磨し、その面に表１に示す金属板（４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さは表１参照）を、上述の実施形態に記載した方法によって固相拡散接合した。
　本発明例１－１０及び比較例１－５においては、アルミニウム板と金属板とを積層方向に１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）の荷重で押圧し、真空加熱炉で５００℃、１８０ｍｉｎの条件で固相拡散接合を実施した。
　本発明例１１－１５においては、アルミニウム合金板と金属板とを図１１に示す通電加熱法によって固相拡散接合した。なお、電極に加圧荷重を１５ｋｇｆ／ｃｍ２（１．４７ＭＰａ）とし、加熱温度（銅板温度）を５１０℃、加熱温度での保持時間を５ｍｉｎとし、昇温速度を８０℃／ｍｉｎとした。また、接合雰囲気を大気雰囲気とした。
（Ｍｇ濃化層の厚さ）
　固相拡散接合されたアルミニウム合金板と金属板との接合体の断面観察を行い、接合界面に形成されたＭｇ濃化層の厚さを以下のように測定した。評価結果を表１に示す。
　Ｍｇ濃化層の厚さは、アルミニウム合金板と金属板の接合界面のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）によるＭｇマッピング像から、Ｍｇ濃度が３ｍａｓｓ％以上の領域の面積を測定し、測定視野の幅の寸法で除して厚さを求め、５視野の平均をＭｇ濃化層の厚さとした。なお、測定は倍率：２０００倍で行い、アルミニウム合金板と金属板の接触面を中心に積層方向に５０μｍの範囲で行った。
（ヒートサイクル試験）
　次に、このようにして製造された接合体において、ヒートサイクル試験を実施した。冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ－５１を使用し、試験片（ヒートシンク付パワーモジュール）に対して、液相（フロリナート）で、－４０℃で５分、１５０℃で５分のヒートサイクルを４０００回実施した。
　そして、ヒートサイクル試験前における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率、及び、ヒートサイクル試験後における接合体の積層方向の熱抵抗と接合率を以下のようにして評価した。
（接合率評価）
　接合体のアルミニウム板と金属板との接合部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、すなわちアルミニウム板の面積とした。超音波探傷像において剥離は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。評価結果を表１に示す。
　接合率（％）＝｛（初期接合面積）－（剥離面積）｝／（初期接合面積）×１００
（熱抵抗の測定）
　ヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を金属板の表面に半田付けし、アルミニウム合金板を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。
　なお、Ｍｇ濃化層が形成されていない比較例１のヒートサイクル試験前の熱抵抗を基準として１とし、この比較例１との比率で熱抵抗を評価した。評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　Ｍｇ濃化層を形成しなかった比較例１においては、本発明例と比べ熱抵抗が大きくなっていることが確認された。また、金属板としてニッケルを用いた比較例４と本発明例９及び１４を比べると、比較例４の熱抵抗が大きくなっていることが確認された。同様に金属板として銀を用いた比較例５と本発明例１０及び１５を比べると比較例５の熱抵抗が大きくなっていることが確認された。これらは、カーケンダルボイドが形成されたためと推測される。
　また、Ｍｇ濃化層の厚さが本発明の上限を超えた比較例２においては、接合率が低く、かつ、熱抵抗が大きくなった。Ｍｇ濃化層が厚く形成されているため、金属板の金属元素の拡散が抑制されたためと推測される。
　さらに、Ｍｇ濃化層の厚さが本発明の下限よりも薄い比較例３においては、比較例１と同様に、抵抗が大きくなっていることが確認された。カーケンダルボイドの発生を十分に抑制できなかったためと推測される。
　これに対して、Ｍｇ濃化層の厚さが本発明の範囲内とされた本発明例においては、比較例に比べて熱抵抗が小さくなっており、接合率も十分高くなっていることが確認された。適正な厚さのＭｇ濃化層を形成させることにより、金属板を構成する金属元素の拡散が抑制され、カーケンダルボイドの発生が抑制されたためと推測される。
　また、通電加熱法を適用した本発明例１１－１５においては、大気中で接合してもアルミニウム合金板と金属板とが良好に接合されていた。
　さらに、ヒートサイクル試験後の熱抵抗の上昇や接合率の低下がほぼ観られず、接合信頼性の高い接合体が得られることが確認された。
　以上の結果から、本発明によれば、Ｓｉを比較的多く含むアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体を得ることが可能であることが確認された。
　本発明によれば、Ｓｉを比較的多く含むアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが良好に接合され、積層方向の熱抵抗が低い接合体、この接合体を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法を提供することが可能となる。
　１０、２１０　パワーモジュール用基板
　１１　セラミックス基板
　１３，２１３　金属層
　１３Ｂ　Ｃｕ層（金属部材）
　３１　ヒートシンク（アルミニウム合金部材）
　４０　Ｍｇ濃化層
　１０１　ヒートシンク
　１１０　ヒートシンク本体（アルミニウム合金部材）
　１１７　金属部材層
　１４０　Ｍｇ濃化層 

Claims (9)

  1. 　アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合された接合体であって、
    　前記アルミニウム合金部材は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、
    　前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とが固相拡散接合されており、
    　前記アルミニウム合金部材と前記金属部材との接合界面に、前記アルミニウム合金部材のＡｌと前記金属部材の金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、
    　この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体。
  2. 　絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    　前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、
    　前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、
    　前記ヒートシンクと前記金属層とが固相拡散接合されており、
    　前記ヒートシンクと前記金属層との接合界面に、前記ヒートシンクのＡｌと前記金属層の接合面を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、
    　この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  3. 　ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、を備えたヒートシンクであって、
    　前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、
    　前記ヒートシンク本体は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成され、
    　前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とが固相拡散接合されており、
    　前記ヒートシンク本体と前記金属部材層との接合界面に、前記ヒートシンク本体のＡｌと前記金属部材層を構成する金属元素とが拡散して形成された化合物層を備え、
    　この化合物層の内部に、Ｍｇの濃度が３ｍａｓｓ％以上とされたＭｇ濃化層が形成されており、前記Ｍｇ濃化層の厚さが１μｍ以上３０μｍ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。
  4. 　アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材と、銅、ニッケル、又は銀からなる金属部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、
    　前記アルミニウム合金部材は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、
    　接合前の前記アルミニウム合金部材において、少なくとも前記金属部材との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
    　このアルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することを特徴とする接合体の製造方法。
  5. 　前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記アルミニウム合金部材と前記金属部材とを固相拡散接合することを特徴とする請求項４に記載の接合体の製造方法。
  6. 　絶縁層と、この絶縁層の一方の面に形成された回路層と、前記絶縁層の他方の面に形成された金属層と、この金属層の前記絶縁層とは反対側の面に配置されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
    　前記金属層のうち前記ヒートシンクとの接合面は、銅、ニッケル、又は銀で構成され、
    　前記ヒートシンクのうち前記金属層との接合面は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、
    　接合前の前記ヒートシンクにおいて、少なくとも前記金属層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
    　このヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  7. 　前記ヒートシンクと前記金属層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンクと前記金属層とを固相拡散接合することを特徴とする請求項６に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
  8. 　ヒートシンク本体と、前記ヒートシンク本体に接合された金属部材層と、を備えたヒートシンクの製造方法であって、
    　前記金属部材層は、銅、ニッケル、又は銀からなり、
    　前記ヒートシンク本体は、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上２５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされたアルミニウム合金で構成されており、
    　接合前の前記ヒートシンク本体において、少なくとも前記金属部材層との接合面から深さ方向に５０μｍまでの領域におけるＭｇ濃度を０．３ｍａｓｓ％以上１５ｍａｓｓ％以下の範囲内とし、
    　このヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴とするヒートシンクの製造方法。
  9. 　前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを積層し、積層方向に加圧しながら通電して加熱することにより、前記ヒートシンク本体と前記金属部材層とを固相拡散接合することを特徴とする請求項８に記載のヒートシンクの製造方法。
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