パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
【課題】金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１の表面に純アルミニウムからなる金属板１２、１３が接合されたパワーモジュール用基板であって、金属板１２、１３とセラミックス基板１１との接合界面には、Ｃｕ濃度が金属板１２、１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部３２が形成されていることを特徴とする。
【解決手段】ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１の表面に純アルミニウムからなる金属板１２、１３が接合されたパワーモジュール用基板であって、金属板１２、１３とセラミックス基板１１との接合界面には、Ｃｕ濃度が金属板１２、１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部３２が形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）又はＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。
【０００３】
従来、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献１に、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満にしている技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２３４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ２Ｏ３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。
また、熱サイクルが負荷された場合において、接合界面の剥離のみでなく、セラミックス基板に割れが発生することも知られている
【０００６】
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになるため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板においては、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在するＣｕ原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。
なお、金属板中のＣｕ濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００１０】
ここで、前記Ｃｕ高濃度部においては、酸素濃度が、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされていることが好ましい。
この場合、接合界面に酸素が介在することにより、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との接合強度のさらなる向上を図ることが可能となる。
また、接合界面に高濃度で存在する酸素は、セラミックス基板の表面に存在する酸素及び金属板の表面に形成された酸化膜から取り込まれたものであると考えられる。ここで、酸素濃度が接合界面において高濃度に存在するということは、これらの酸化膜等が確実に除去されるように十分に加熱されていることになり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００１１】
さらに、前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、前記Ｃｕ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされていることが好ましい。
あるいは、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記Ｃｕ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５ｗｔ％：１５〜４５ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされていることが好ましい。
【００１２】
接合界面に存在するＣｕ原子の質量比が１０ｗｔ％を超えると、ＡｌとＣｕとの反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。また、この反応物によって金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、Ｃｕ原子の質量比が１ｗｔ％未満であると、Ｃｕ原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面におけるＣｕ原子の質量比は、１〜１０ｗｔ％の範囲内とすることが好ましい。
また、前記Ｃｕ高濃度部を含む接合界面に存在する酸素原子の質量比が２０ｗｔ％を超えると、酸素濃度の高い部分が厚く存在することになり、熱サイクルを負荷した際に、この高濃度部においてクラックが発生してしまい接合信頼性が低下するおそれがある。このため、酸素濃度は２〜２０ｗｔ％とすることが好ましい。
【００１３】
ここで、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点（例えば、１０〜１００点）で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００１４】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００１５】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、ＡｌＮからなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部を形成することを特徴としている
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板及び金属板を、Ｃｕ層を介して積層し、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱するので、Ｃｕ層のＣｕと金属板のＡｌとが共晶反応することによって接合界面近傍の融点が降下し、比較的低温でもセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを接合することができる。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ合金等からなるろう材を使用することなく、セラミックス基板と金属板とを接合することができるのである。
また、Ｃｕ層の厚さが０．１５μｍ未満であると、セラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を十分に形成することができないおそれがある。また、Ｃｕ層の厚さが３μｍを超えると、ＣｕとＡｌとの反応物が接合界面に過剰に発生し、金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にＡｌＮからなるセラミックス基板に割れが発生するおそれがある。このため、ＡｌＮからなるセラミックス基板の場合、Ｃｕ層の厚さは、０．１５μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。
【００１７】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部を形成することを特徴としている。
【００１８】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板及び金属板を、Ｃｕ層を介して積層し、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱するので、Ｃｕ層のＣｕと金属板のＡｌとが共晶反応することによって接合界面近傍の融点が降下し、比較的低温でもセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを接合することができる。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ合金等からなるろう材を使用することなく、セラミックス基板と金属板とを接合することができるのである。
また、Ｃｕ層の厚さが０．１５μｍ未満であると、セラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を十分に形成することができないおそれがある。また、Ｃｕ層の厚さが３μｍを超えると、ＣｕとＡｌとの反応物が接合界面に過剰に発生し、接合を阻害するおそれがある。このため、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の場合、Ｃｕ層の厚さは、０．１５μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。
【００１９】
前記Ｃｕ層が、積層工程において前記セラミックス基板及び前記金属板の間に銅箔を介装することによって形成されていることが好ましい。
あるいは、前記Ｃｕ層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程によって形成されていることが好ましい。
これらの手段によれば、セラミックス基板と金属板との間に、所望の厚さのＣｕ層を形成することが可能となり、確実にセラミックス基板と金属板とを接合することができる。
【００２０】
ここで、前記Ｃｕ固着工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成されるＣｕ層がＡｌを含有することになり、加熱工程において、このＣu層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。
【００２１】
さらに、前記Ｃｕ固着工程は、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はＣｕペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミック基板との接合界面の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】図３における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミック基板との接合界面の模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図８】図７における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図９】実施例１におけるセラミックス基板の割れの評価結果を示す図である。
【図１０】実施例１における接合信頼性の評価結果を示す図である。
【図１１】実施例２におけるセラミックス基板の割れの評価結果を示す図である。
【図１２】実施例２における接合信頼性の評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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１の実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２５】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い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。
【００２６】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板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９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
【００２７】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３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、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
【００２８】
ヒートシンク４は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６とを備えている。ヒートシンク４（天板部５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。
【００２９】
そして、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図２に示すように、接合界面３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部３２が形成されている。このＣｕ高濃度部３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、接合界面３０におけるＣｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
さらに、このＣｕ高濃度部３２においては、酸素濃度が、回路層１２及び金属層１３（中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【００３０】
なお、ここで観察する接合界面３０は、図２に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＣｕ濃度及び酸素濃度とは、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）のうち接合界面３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度及び酸素濃度である。
【００３１】
また、この接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３の結晶粒界とセラミックス基板１１との接合界面３０は測定対象とせず、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３の結晶粒とセラミックス基板１１との接合界面３０のみを測定対象としている。
【００３２】
このようなパワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。図３に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下（本実施形態では３μｍ）の銅箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下（本実施形態では３μｍ）の銅箔２５を介して積層される。
【００３３】
このようにして形成された積層体２０をその積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２）した状態で真空炉内に装入して加熱する（加圧・加熱工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされ、加熱温度は６１０℃〜６５０℃とされている。この加圧・加熱工程によって、図４に示すように、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３の表層と銅箔２４、２５とが溶融し、セラミックス基板１１の表面に溶融アルミニウム層２６、２７が形成される。
【００３４】
次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層２６、２７を凝固させる（凝固工程）。この加圧・加熱工程と凝固工程によって、接合界面３０に、Ｃｕ濃度及び酸素濃度が、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３中のＣｕ濃度及び酸素濃度よりも高くされたＣｕ高濃度部３２が生成される。
このようにして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。
【００３５】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及び付パワーモジュール１においては、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面３０に、Ｃｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部３２が形成されており、さらにＣｕ高濃度部３２において、酸素濃度が、回路層１２及び金属層１３中の酸素濃度よりも高く設定されているので、接合界面３０に酸素原子とＣｕ原子が介在することにより、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と回路層１２、金属層１３との接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００３６】
さらに、本実施形態では、接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされているので、接合界面３０に、ＡｌとＣｕとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Ｃｕ原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面３０に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【００３７】
また、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる金属板２２、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下（本実施形態では３μｍ）の銅箔２４を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下（本実施形態では３μｍ）の銅箔２５を介して積層し、この積層体を加圧・加熱しているので、銅箔２４、２５のＣｕと金属板２２、２３のＡｌとが共晶反応することにより、銅箔２４、２５部分と金属板２２、２３の表層部分の融点が低下することになり、比較的低温（６１０℃〜６５０℃）でもセラミックス基板１１及び金属板２２、２３の界面に溶融アルミニウム層２６、２７を形成することが可能となり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを接合することができる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５に本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０及びパワーモジュール１０１を示す。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３９】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
【００４０】
回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に導電性を有する金属板１２２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１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
【００４１】
金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面に金属板１２３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１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
【００４２】
そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図６に示すように、接合界面１３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部１３２が形成されている。このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、接合界面１３０におけるＣｕ濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
さらに、このＣｕ高濃度部１３２においては、酸素濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【００４３】
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図６に示すように、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層１１２及び金属層１１３中のＣｕ濃度及び酸素濃度とは、回路層１１２及び金属層１３のうち接合界面１３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度及び酸素濃度である。
【００４４】
また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５ｗｔ％：１５〜４５ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３の結晶粒界とセラミックス基板１１１との接合界面１３０は測定対象とせず、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３の結晶粒とセラミックス基板１１１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
【００４５】
このようなパワーモジュール用基板１１０は、以下のようにして製造される。図７に示すように、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１の両面に、真空蒸着によってＣｕ固着し、厚さ０．１５μｍ〜３μｍのＣｕ固着層１２４、１２５を形成する。（Ｃｕ固着工程）。Ｃｕ固着層１２４、１２５が形成されたセラミックス基板１１１の一方の面に回路層１１２となる金属板１２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が積層され、セラミックス基板１１１の他方の面に金属層１１３となる金属板１２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が積層される（積層工程）。
【００４６】
このようにして形成された積層体１２０をその積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２）した状態で真空炉内に装入して加熱する（加圧・加熱工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされ、加熱温度は６１０℃〜６５０℃とされている。この加圧・加熱工程によって、図８に示すように、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３の表層及びＣｕ固着層１２４、１２５が溶融し、セラミックス基板１１１の表面に溶融アルミニウム層１２６、１２７が形成される。
【００４７】
次に、積層体１２０を冷却することによって溶融アルミニウム層１２６、１２７を凝固させる（凝固工程）。この加圧・加熱工程と凝固工程によって、接合界面１３０に、Ｃｕ濃度及び酸素濃度が、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３中のＣｕ濃度及び酸素濃度よりも高くされたＣｕ高濃度部１３２が生成される。
このようにして本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
【００４８】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０に、Ｃｕ濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部１３２が形成されており、さらにＣｕ高濃度部１３２において、酸素濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中の酸素濃度よりも高く設定されているので、接合界面１３０に酸素原子とＣｕ原子が介在することにより、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１と回路層１１２、金属層１１３との接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００４９】
さらに、本実施形態では、接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５ｗｔ％：１５〜４５ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下の範囲内に設定されているので、接合界面１３０に、ＡｌとＣｕとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Ｃｕ原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面１３０に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【００５０】
また、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１の両面に、真空蒸着によってＣｕを固着し、Ｃｕ固着層１２４、１２５が形成されたセラミックス基板１１１の一方の面に回路層１１２となる金属板１２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）を積層し、セラミックス基板１１１の他方の面に金属層１１３となる金属板１２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）を積層し、この積層体を加圧・加熱しているので、Ｃｕ固着層１２４、１２５のＣｕと金属板１２２、１２３のＡｌとが共晶反応することによって金属板１２２、１２３の表層部分の融点が低下し、比較的低温（６１０℃〜６５０℃）でもセラミックス基板１１１及び金属板１２２、１２３の界面に溶融アルミニウム層１２６、１２７を形成することが可能となり、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とを接合することができる。
【００５１】
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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板と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％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
【００５２】
また、第２の実施形態において、Ｃｕの固着をセラミックス基板の両面に行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属板の接合面にＣｕを固着してもよいし、金属板及びセラミックス基板と両方にＣｕを固着させてもよい。
さらに、真空蒸着によってＣｕを固着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、スパッタリング、ＣＶＤ、めっき、銅ペーストの塗布等の手段によって、Ｃｕを固着させてもよい。
【００５３】
また、セラミックス基板と金属板との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。
【００５４】
また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、銅や銅合金で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
【実施例１】
【００５５】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、このセラミックス基板の両面に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板をそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧した状態で真空炉（真空度１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
同様に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板の片面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、この金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、両方の金属板の蒸着側をＡｌＮ側になるようにそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧した状態で真空炉（真空度１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
ここで、真空蒸着によるＣｕの固着量（Ｃｕ厚さ）を、０．１μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍの５水準とし、加熱温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とし、計３０種類のパワーモジュール用基板を成形した。
【００５６】
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなり、厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
この試験片を、−４０℃−１０５℃の熱サイクルを３０００回負荷し、セラミックス基板の割れの有無を確認した。なお、同一水準のパワーモジュール用基板をそれぞれ２個ずつ試験に供した。この結果を図９に示す。なお、図９において、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生しなかったものを○、セラミックス基板の割れが一つでも認められたものを△、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生したものを×とした。
【００５７】
また、前述の熱サイクルを３０００回数負荷し、その際の接合面積比率を求めた。この結果を図１０に示す。なお、図１０においては、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が８５％以上のものを○、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％以上８５％未満のものを△、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％未満のものを×とした。
なお、接合面積比率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合面積比率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００５８】
図９に示すように、Ｃｕ固着工程において形成されるＣｕ厚さが厚くなると、ＡｌＮからなるセラミックス基板の割れが発生しやすい傾向が確認される。また、Ｃｕ厚さが２μｍの試験片においては、加熱温度が高いほどセラミックスの割れが抑制される傾向が確認される。
一方、図１０に示すように、加熱温度が高いほど接合信頼性が向上する傾向が認められる。また、Ｃｕ厚さが２μｍ程度の場合には、加熱温度が低温でも接合信頼性が向上していることが確認される。
これらの試験結果から、ＡｌＮからなるセラミックス基板においては、接合時に金属板とセラミックス基板との界面に存在するＣｕ厚さを２．５μｍ以下とすることが好ましいことが確認された。
【実施例２】
【００５９】
４０ｍｍ角で厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の両面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、このセラミックス基板の両面に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板をそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧した状態で真空炉（真空度１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
同様に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板の片面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、この金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の両面に、両方の金属板の蒸着側をＳｉ３Ｎ４側になるようにそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧した状態で真空炉（真空度１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
ここで、真空蒸着によるＣｕの固着量（Ｃｕ厚さ）を、０．１μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍの５水準とし、加熱温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とし、計３０種類のパワーモジュール用基板を成形した。
【００６０】
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなり、厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
この試験片を、−４０℃−１０５℃の熱サイクルを３０００回負荷し、セラミックス基板の割れの有無を確認した。なお、同一水準のパワーモジュール用基板をそれぞれ ２個ずつ試験に供した。この結果を図１１に示す。なお、図１１において、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生しなかったものを○、セラミックス基板の割れが一つでも認められたものを△、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生したものを×とした。
【００６１】
また、前述の熱サイクルを３０００回数負荷し、その際の接合面積比率を求めた。この結果を図１２に示す。なお、図１２においては、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が８５％以上のものを○、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％以上８５％未満のものを△、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％未満のものを×とした。
なお、接合面積比率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合面積比率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００６２】
図１１に示すように、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板においては、本実験条件下では、セラミックス基板の割れは確認されなかった。
また、図１２に示すように、加熱温度が高いほど接合信頼性が向上する傾向が認められる。また、Ｃｕ厚さが２μｍ程度の場合には、加熱温度が低温でも接合信頼性が向上していることが確認される。
これらの試験結果から、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板においては、接合時に金属板とセラミックス基板との界面に存在するＣｕ厚さを０．１５μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましいことが確認された。
【実施例３】
【００６３】
次に、図１０、図１２において、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％未満であった試験片（Ｃｕ厚さ０．１μｍ、接合温度６５０℃）を比較例１−４とし、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が８５％以上であった試験片（Ｃｕ厚さ１．０μｍ、接合温度６５０℃）を本発明例１−４とし、これら比較例１−４及び本発明例１−４について、熱サイクル負荷前の状態で接合界面を透過電子顕微鏡（日本電子製：ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用いて観察した。この接合界面のＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）を、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した。また、金属板のうち接合界面から５ｎｍ離間した位置のＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）を、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した。なお、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】
【００６５】
比較例１−４においては、接合界面におけるＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）が、金属板中のＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）の２倍未満とされており、Ｃｕ原子による接合強度の向上が不十分であることが確認された。
一方、本発明例１−４においては、接合界面におけるＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）が、金属板中のＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）の２倍以上とされており、このＣｕ原子によって接合強度の向上が図られていることが確認された。
【符号の説明】
【００６６】
１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２２、２３、１２２、１２３ 金属板
２４、２５ 銅箔（Ｃｕ層）
２６、２７ 溶融アルミニウム層
３０、１３０ 接合界面
３２、１３２ Ｃｕ高濃度部
１２４、１２５ Ｃｕ固着層（Ｃｕ層）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）又はＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）からなるセラミックス基板上にＡｌ（アルミニウム）の金属板がＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介して接合されたパワーモジュール用基板が用いられる。
また、この金属板は回路層として形成され、その金属板の上には、はんだ材を介してパワー素子の半導体チップが搭載される。
なお、セラミックス基板の下面にも放熱のためにＡｌ等の金属板が接合されて金属層とされ、この金属層を介して放熱板上にパワーモジュール用基板全体が接合されたものが提案されている。
【０００３】
従来、前記回路層及び前記金属層としての金属板とセラミックス基板との良好な接合強度を得るため、例えば下記特許文献１に、セラミックス基板の表面粗さを０．５μｍ未満にしている技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２３４０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、金属板をセラミックス基板に接合する場合、単にセラミックス基板の表面粗さを低減しても十分に高い接合強度が得られず、信頼性の向上が図れないという不都合があった。例えば、セラミックス基板の表面に対して、乾式でＡｌ２Ｏ３粒子によるホーニング処理を行い、表面粗さをＲａ＝０．２μｍにしても、剥離試験で界面剥離が生じてしまう場合があることが分かった。また、研磨法により表面粗さをＲａ＝０．１μｍ以下にしても、やはり同様に界面剥離が生じてしまう場合があった。
また、熱サイクルが負荷された場合において、接合界面の剥離のみでなく、セラミックス基板に割れが発生することも知られている
【０００６】
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のように放熱板上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板が放熱板によって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになるため、さらなる接合強度の向上及び信頼性の向上が求められている。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板であって、前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板においては、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在するＣｕ原子により、セラミックス基板と金属板との接合強度の向上を図ることが可能となる。
なお、金属板中のＣｕ濃度とは、金属板のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００１０】
ここで、前記Ｃｕ高濃度部においては、酸素濃度が、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされていることが好ましい。
この場合、接合界面に酸素が介在することにより、ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板と純アルミニウムからなる金属板との接合強度のさらなる向上を図ることが可能となる。
また、接合界面に高濃度で存在する酸素は、セラミックス基板の表面に存在する酸素及び金属板の表面に形成された酸化膜から取り込まれたものであると考えられる。ここで、酸素濃度が接合界面において高濃度に存在するということは、これらの酸化膜等が確実に除去されるように十分に加熱されていることになり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することが可能となる。
【００１１】
さらに、前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、前記Ｃｕ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされていることが好ましい。
あるいは、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記Ｃｕ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５ｗｔ％：１５〜４５ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされていることが好ましい。
【００１２】
接合界面に存在するＣｕ原子の質量比が１０ｗｔ％を超えると、ＡｌとＣｕとの反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。また、この反応物によって金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、Ｃｕ原子の質量比が１ｗｔ％未満であると、Ｃｕ原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、接合界面におけるＣｕ原子の質量比は、１〜１０ｗｔ％の範囲内とすることが好ましい。
また、前記Ｃｕ高濃度部を含む接合界面に存在する酸素原子の質量比が２０ｗｔ％を超えると、酸素濃度の高い部分が厚く存在することになり、熱サイクルを負荷した際に、この高濃度部においてクラックが発生してしまい接合信頼性が低下するおそれがある。このため、酸素濃度は２〜２０ｗｔ％とすることが好ましい。
【００１３】
ここで、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記接合界面の複数点（例えば、１０〜１００点）で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、金属板の結晶粒界とセラミックス基板との接合界面は測定対象とせず、結晶粒とセラミックス基板との接合界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００１４】
本発明のパワーモジュールは、前述のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、セラミックス基板と金属板との接合強度が高く、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００１５】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、ＡｌＮからなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部を形成することを特徴としている
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板及び金属板を、Ｃｕ層を介して積層し、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱するので、Ｃｕ層のＣｕと金属板のＡｌとが共晶反応することによって接合界面近傍の融点が降下し、比較的低温でもセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを接合することができる。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ合金等からなるろう材を使用することなく、セラミックス基板と金属板とを接合することができるのである。
また、Ｃｕ層の厚さが０．１５μｍ未満であると、セラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を十分に形成することができないおそれがある。また、Ｃｕ層の厚さが３μｍを超えると、ＣｕとＡｌとの反応物が接合界面に過剰に発生し、金属板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、熱サイクル負荷時にＡｌＮからなるセラミックス基板に割れが発生するおそれがある。このため、ＡｌＮからなるセラミックス基板の場合、Ｃｕ層の厚さは、０．１５μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。
【００１７】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部を形成することを特徴としている。
【００１８】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板及び金属板を、Ｃｕ層を介して積層し、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱するので、Ｃｕ層のＣｕと金属板のＡｌとが共晶反応することによって接合界面近傍の融点が降下し、比較的低温でもセラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを接合することができる。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ合金等からなるろう材を使用することなく、セラミックス基板と金属板とを接合することができるのである。
また、Ｃｕ層の厚さが０．１５μｍ未満であると、セラミックス基板及び金属板の界面に溶融アルミニウム層を十分に形成することができないおそれがある。また、Ｃｕ層の厚さが３μｍを超えると、ＣｕとＡｌとの反応物が接合界面に過剰に発生し、接合を阻害するおそれがある。このため、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の場合、Ｃｕ層の厚さは、０．１５μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。
【００１９】
前記Ｃｕ層が、積層工程において前記セラミックス基板及び前記金属板の間に銅箔を介装することによって形成されていることが好ましい。
あるいは、前記Ｃｕ層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程によって形成されていることが好ましい。
これらの手段によれば、セラミックス基板と金属板との間に、所望の厚さのＣｕ層を形成することが可能となり、確実にセラミックス基板と金属板とを接合することができる。
【００２０】
ここで、前記Ｃｕ固着工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させる構成とすることが好ましい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成されるＣｕ層がＡｌを含有することになり、加熱工程において、このＣu層が優先的に溶融して溶融金属領域を確実に形成することが可能となり、セラミックス基板と金属板とを強固に接合することができる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。
【００２１】
さらに、前記Ｃｕ固着工程は、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はＣｕペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、金属板とセラミックス基板とが確実に接合され、熱サイクル信頼性の高いパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板を備えたパワーモジュール及びこのパワーモジュール用基板の製造方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミック基板との接合界面の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】図３における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層（金属板）とセラミック基板との接合界面の模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図８】図７における金属板とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図９】実施例１におけるセラミックス基板の割れの評価結果を示す図である。
【図１０】実施例１における接合信頼性の評価結果を示す図である。
【図１１】実施例２におけるセラミックス基板の割れの評価結果を示す図である。
【図１２】実施例２における接合信頼性の評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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１の実施形態であるパワーモジュール用基板１０及びパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２５】
パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い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。
【００２６】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板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９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
【００２７】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３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、回路層１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
【００２８】
ヒートシンク４は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部５と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路６とを備えている。ヒートシンク４（天板部５）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク４の天板部５と金属層１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層１５が設けられている。
【００２９】
そして、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図２に示すように、接合界面３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部３２が形成されている。このＣｕ高濃度部３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、接合界面３０におけるＣｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
さらに、このＣｕ高濃度部３２においては、酸素濃度が、回路層１２及び金属層１３（中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【００３０】
なお、ここで観察する接合界面３０は、図２に示すように、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）中のＣｕ濃度及び酸素濃度とは、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）のうち接合界面３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度及び酸素濃度である。
【００３１】
また、この接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３の結晶粒界とセラミックス基板１１との接合界面３０は測定対象とせず、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３の結晶粒とセラミックス基板１１との接合界面３０のみを測定対象としている。
【００３２】
このようなパワーモジュール用基板１０は、以下のようにして製造される。図３に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下（本実施形態では３μｍ）の銅箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下（本実施形態では３μｍ）の銅箔２５を介して積層される。
【００３３】
このようにして形成された積層体２０をその積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２）した状態で真空炉内に装入して加熱する（加圧・加熱工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされ、加熱温度は６１０℃〜６５０℃とされている。この加圧・加熱工程によって、図４に示すように、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３の表層と銅箔２４、２５とが溶融し、セラミックス基板１１の表面に溶融アルミニウム層２６、２７が形成される。
【００３４】
次に、積層体２０を冷却することによって溶融アルミニウム層２６、２７を凝固させる（凝固工程）。この加圧・加熱工程と凝固工程によって、接合界面３０に、Ｃｕ濃度及び酸素濃度が、回路層１２及び金属層１３を構成する金属板２２、２３中のＣｕ濃度及び酸素濃度よりも高くされたＣｕ高濃度部３２が生成される。
このようにして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。
【００３５】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１０及び付パワーモジュール１においては、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面３０に、Ｃｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部３２が形成されており、さらにＣｕ高濃度部３２において、酸素濃度が、回路層１２及び金属層１３中の酸素濃度よりも高く設定されているので、接合界面３０に酸素原子とＣｕ原子が介在することにより、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と回路層１２、金属層１３との接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００３６】
さらに、本実施形態では、接合界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされているので、接合界面３０に、ＡｌとＣｕとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Ｃｕ原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面３０に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【００３７】
また、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる金属板２２、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下（本実施形態では３μｍ）の銅箔２４を介して積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属板２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下（本実施形態では３μｍ）の銅箔２５を介して積層し、この積層体を加圧・加熱しているので、銅箔２４、２５のＣｕと金属板２２、２３のＡｌとが共晶反応することにより、銅箔２４、２５部分と金属板２２、２３の表層部分の融点が低下することになり、比較的低温（６１０℃〜６５０℃）でもセラミックス基板１１及び金属板２２、２３の界面に溶融アルミニウム層２６、２７を形成することが可能となり、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを接合することができる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５に本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０及びパワーモジュール１０１を示す。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３９】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図５において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図５において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
セラミックス基板１１１は、回路層１１２と金属層１１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
【００４０】
回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に導電性を有する金属板１２２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１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
【００４１】
金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面に金属板１２３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１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
【００４２】
そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図６に示すように、接合界面１３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部１３２が形成されている。このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、接合界面１３０におけるＣｕ濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
さらに、このＣｕ高濃度部１３２においては、酸素濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中の酸素濃度よりも高く設定されている。
【００４３】
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図６に示すように、回路層１１２（金属板１２２）及び金属層１１３（金属板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層１１２及び金属層１１３中のＣｕ濃度及び酸素濃度とは、回路層１１２及び金属層１３のうち接合界面１３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度及び酸素濃度である。
【００４４】
また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５ｗｔ％：１５〜４５ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３の結晶粒界とセラミックス基板１１１との接合界面１３０は測定対象とせず、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３の結晶粒とセラミックス基板１１１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
【００４５】
このようなパワーモジュール用基板１１０は、以下のようにして製造される。図７に示すように、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１の両面に、真空蒸着によってＣｕ固着し、厚さ０．１５μｍ〜３μｍのＣｕ固着層１２４、１２５を形成する。（Ｃｕ固着工程）。Ｃｕ固着層１２４、１２５が形成されたセラミックス基板１１１の一方の面に回路層１１２となる金属板１２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が積層され、セラミックス基板１１１の他方の面に金属層１１３となる金属板１２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）が積層される（積層工程）。
【００４６】
このようにして形成された積層体１２０をその積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２）した状態で真空炉内に装入して加熱する（加圧・加熱工程）。ここで真空炉内の真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａとされ、加熱温度は６１０℃〜６５０℃とされている。この加圧・加熱工程によって、図８に示すように、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３の表層及びＣｕ固着層１２４、１２５が溶融し、セラミックス基板１１１の表面に溶融アルミニウム層１２６、１２７が形成される。
【００４７】
次に、積層体１２０を冷却することによって溶融アルミニウム層１２６、１２７を凝固させる（凝固工程）。この加圧・加熱工程と凝固工程によって、接合界面１３０に、Ｃｕ濃度及び酸素濃度が、回路層１１２及び金属層１１３を構成する金属板１２２、１２３中のＣｕ濃度及び酸素濃度よりも高くされたＣｕ高濃度部１３２が生成される。
このようにして本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０が製造される。
【００４８】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０においては、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０に、Ｃｕ濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部１３２が形成されており、さらにＣｕ高濃度部１３２において、酸素濃度が、回路層１１２及び金属層１１３中の酸素濃度よりも高く設定されているので、接合界面１３０に酸素原子とＣｕ原子が介在することにより、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１と回路層１１２、金属層１１３との接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００４９】
さらに、本実施形態では、接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５ｗｔ％：１５〜４５ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下の範囲内に設定されているので、接合界面１３０に、ＡｌとＣｕとの反応物が過剰に生成して接合を阻害することを防止できるとともに、Ｃｕ原子による接合強度の向上効果を充分に奏功せしめることができる。また、接合界面１３０に酸素濃度の高い部分が厚く存在することが防止され、熱サイクルを負荷した際のクラックの発生を抑制することができる。
【００５０】
また、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１の両面に、真空蒸着によってＣｕを固着し、Ｃｕ固着層１２４、１２５が形成されたセラミックス基板１１１の一方の面に回路層１１２となる金属板１２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）を積層し、セラミックス基板１１１の他方の面に金属層１１３となる金属板１２３（４Ｎアルミニウムの圧延板）を積層し、この積層体を加圧・加熱しているので、Ｃｕ固着層１２４、１２５のＣｕと金属板１２２、１２３のＡｌとが共晶反応することによって金属板１２２、１２３の表層部分の融点が低下し、比較的低温（６１０℃〜６５０℃）でもセラミックス基板１１１及び金属板１２２、１２３の界面に溶融アルミニウム層１２６、１２７を形成することが可能となり、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とを接合することができる。
【００５１】
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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板と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％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
【００５２】
また、第２の実施形態において、Ｃｕの固着をセラミックス基板の両面に行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属板の接合面にＣｕを固着してもよいし、金属板及びセラミックス基板と両方にＣｕを固着させてもよい。
さらに、真空蒸着によってＣｕを固着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、スパッタリング、ＣＶＤ、めっき、銅ペーストの塗布等の手段によって、Ｃｕを固着させてもよい。
【００５３】
また、セラミックス基板と金属板との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。
【００５４】
また、ヒートシンクの天板部と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層がなくてもよい。
さらに、ヒートシンクをアルミニウムで構成したものとして説明したが、アルミニウム合金、銅や銅合金で構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
【実施例１】
【００５５】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、このセラミックス基板の両面に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板をそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧した状態で真空炉（真空度１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
同様に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板の片面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、この金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、両方の金属板の蒸着側をＡｌＮ側になるようにそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧した状態で真空炉（真空度１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
ここで、真空蒸着によるＣｕの固着量（Ｃｕ厚さ）を、０．１μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍの５水準とし、加熱温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とし、計３０種類のパワーモジュール用基板を成形した。
【００５６】
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなり、厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
この試験片を、−４０℃−１０５℃の熱サイクルを３０００回負荷し、セラミックス基板の割れの有無を確認した。なお、同一水準のパワーモジュール用基板をそれぞれ２個ずつ試験に供した。この結果を図９に示す。なお、図９において、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生しなかったものを○、セラミックス基板の割れが一つでも認められたものを△、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生したものを×とした。
【００５７】
また、前述の熱サイクルを３０００回数負荷し、その際の接合面積比率を求めた。この結果を図１０に示す。なお、図１０においては、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が８５％以上のものを○、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％以上８５％未満のものを△、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％未満のものを×とした。
なお、接合面積比率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合面積比率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００５８】
図９に示すように、Ｃｕ固着工程において形成されるＣｕ厚さが厚くなると、ＡｌＮからなるセラミックス基板の割れが発生しやすい傾向が確認される。また、Ｃｕ厚さが２μｍの試験片においては、加熱温度が高いほどセラミックスの割れが抑制される傾向が確認される。
一方、図１０に示すように、加熱温度が高いほど接合信頼性が向上する傾向が認められる。また、Ｃｕ厚さが２μｍ程度の場合には、加熱温度が低温でも接合信頼性が向上していることが確認される。
これらの試験結果から、ＡｌＮからなるセラミックス基板においては、接合時に金属板とセラミックス基板との界面に存在するＣｕ厚さを２．５μｍ以下とすることが好ましいことが確認された。
【実施例２】
【００５９】
４０ｍｍ角で厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の両面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、このセラミックス基板の両面に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板をそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧した状態で真空炉（真空度１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
同様に、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板の片面に、真空蒸着によってＣｕを固着させ、この金属板を４０ｍｍ角で厚さ０．３２ｍｍのＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の両面に、両方の金属板の蒸着側をＳｉ３Ｎ４側になるようにそれぞれ積層し、積層方向に圧力１〜５ｋｇ／ｃｍ２で加圧した状態で真空炉（真空度１０−３Ｐａ〜１０−５Ｐａ）で加熱し、セラミックス基板と回路層及び金属層とを備えたパワーモジュール用基板を製出した。
ここで、真空蒸着によるＣｕの固着量（Ｃｕ厚さ）を、０．１μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍの５水準とし、加熱温度を６１０℃、６３０℃、６５０℃の３水準とし、計３０種類のパワーモジュール用基板を成形した。
【００６０】
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなり、厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。
この試験片を、−４０℃−１０５℃の熱サイクルを３０００回負荷し、セラミックス基板の割れの有無を確認した。なお、同一水準のパワーモジュール用基板をそれぞれ ２個ずつ試験に供した。この結果を図１１に示す。なお、図１１において、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生しなかったものを○、セラミックス基板の割れが一つでも認められたものを△、全ての試験片でセラミックス基板の割れが発生したものを×とした。
【００６１】
また、前述の熱サイクルを３０００回数負荷し、その際の接合面積比率を求めた。この結果を図１２に示す。なお、図１２においては、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が８５％以上のものを○、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％以上８５％未満のものを△、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％未満のものを×とした。
なお、接合面積比率は、以下の式で算出した。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のこととした。
接合面積比率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００６２】
図１１に示すように、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板においては、本実験条件下では、セラミックス基板の割れは確認されなかった。
また、図１２に示すように、加熱温度が高いほど接合信頼性が向上する傾向が認められる。また、Ｃｕ厚さが２μｍ程度の場合には、加熱温度が低温でも接合信頼性が向上していることが確認される。
これらの試験結果から、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板においては、接合時に金属板とセラミックス基板との界面に存在するＣｕ厚さを０．１５μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましいことが確認された。
【実施例３】
【００６３】
次に、図１０、図１２において、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が７０％未満であった試験片（Ｃｕ厚さ０．１μｍ、接合温度６５０℃）を比較例１−４とし、熱サイクルを３０００回負荷後の接合面積比率が８５％以上であった試験片（Ｃｕ厚さ１．０μｍ、接合温度６５０℃）を本発明例１−４とし、これら比較例１−４及び本発明例１−４について、熱サイクル負荷前の状態で接合界面を透過電子顕微鏡（日本電子製：ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用いて観察した。この接合界面のＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）を、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した。また、金属板のうち接合界面から５ｎｍ離間した位置のＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）を、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した。なお、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】
【００６５】
比較例１−４においては、接合界面におけるＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）が、金属板中のＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）の２倍未満とされており、Ｃｕ原子による接合強度の向上が不十分であることが確認された。
一方、本発明例１−４においては、接合界面におけるＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）が、金属板中のＣｕ濃度（Ｃｕ質量比）の２倍以上とされており、このＣｕ原子によって接合強度の向上が図られていることが確認された。
【符号の説明】
【００６６】
１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１３、１１３ 金属層
２２、２３、１２２、１２３ 金属板
２４、２５ 銅箔（Ｃｕ層）
２６、２７ 溶融アルミニウム層
３０、１３０ 接合界面
３２、１３２ Ｃｕ高濃度部
１２４、１２５ Ｃｕ固着層（Ｃｕ層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記Ｃｕ高濃度部においては、酸素濃度が、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、
前記Ｃｕ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：
２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、
前記Ｃｕ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５ｗｔ％：１５〜４５ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
ＡｌＮからなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
前記Ｃｕ層が、前記積層工程において前記セラミックス基板及び前記金属板の間に銅箔を介装することによって形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記Ｃｕ層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程によって形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｃｕ固着工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１１】
前記Ｃｕ固着工程は、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はＣｕペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１】
ＡｌＮ又はＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記Ｃｕ高濃度部においては、酸素濃度が、前記金属板中及び前記セラミックス基板中の酸素濃度よりも高くされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、
前記Ｃｕ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：
２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、
前記Ｃｕ高濃度部を含む前記接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５ｗｔ％：１５〜４５ｗｔ％：１〜１０ｗｔ％：２〜２０ｗｔ％：２５ｗｔ％以下とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、このパワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項６】
ＡｌＮからなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板の表面に純アルミニウムからなる金属板が接合されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板と前記金属板とを、厚さ０．１５μｍ以上３μｍ以下のＣｕ層を介して積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板及び前記金属板を積層方向に加圧するとともに加熱し、前記セラミックス基板及び前記金属板の界面に溶融アルミニウム層を形成する溶融工程と、冷却によって前記溶融アルミニウム層を凝固させる凝固工程と、を有し、
前記溶融工程及び前記凝固工程において、前記セラミックス基板と前記金属板との接合界面に、Ｃｕ濃度が前記金属板中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部を形成することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
前記Ｃｕ層が、前記積層工程において前記セラミックス基板及び前記金属板の間に銅箔を介装することによって形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記Ｃｕ層が、前記積層工程の前に、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させるＣｕ固着工程によって形成されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｃｕ固着工程では、ＣｕとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１１】
前記Ｃｕ固着工程は、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、めっき又はＣｕペーストの塗布のいずれかから選択される手段により、前記セラミックス基板及び前記金属板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着させることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−６６３８４（Ｐ２０１１−６６３８４Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５５９６２（Ｐ２０１０−５５９６２）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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