パワーモジュール用基板、パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール
【課題】熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１１の一面に、アルミニウムからなる回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２は、本体層１２Ｂと、前記一方の面側に露呈するように配置された表面硬化層１２Ａと、を有しており、回路層１２の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、このインデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上の領域が表面硬化層１２Ａとされており、本体層１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂが、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされている。
【解決手段】セラミックス基板１１の一面に、アルミニウムからなる回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２は、本体層１２Ｂと、前記一方の面側に露呈するように配置された表面硬化層１２Ａと、を有しており、回路層１２の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、このインデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上の領域が表面硬化層１２Ａとされており、本体層１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂが、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の電子部品が搭載される回路層を備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール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素子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、特許文献１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上に、回路層となる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広く用いられている。
また、例えば特許文献２−４に示すように、セラミックス基板の上にアルミニウム合金部材を溶湯接合法によって接合して回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
【０００３】
ここで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがある。そこで、従来は、純度が９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで回路層を構成して熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２８０８７号公報
【特許文献２】特開２００２−３２９８１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２５２１３６号公報
【特許文献４】特開２００７−０９２１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、回路層を純度が９９．９９％以上（４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。このように回路層の表面にうねりやシワが発生すると、はんだ層にクラックが発生してしまうため、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
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、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生するおそれがある。
【０００６】
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、熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール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】
【０００７】
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、セラミックス基板の一面に、アルミニウムからなる回路層が配設され、この回路層の一方の面上に電子部品が配設されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、本体層と、前記一方の面側に露呈するように配置された表面硬化層と、を有しており、前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、前記回路層のうち、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域が前記表面硬化層とされており、前記表面硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、前記本体層のインデンテーション硬度Ｈｂが、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされていることを特徴としている。
【０００８】
なお、本発明におけるインデンテーション硬度Ｈとは、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が１１４．８°以上１１５．１°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を５０００ｍｇｆとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、
Ｈ＝３７．９２６×１０−３×（荷重〔ｍｇｆ〕÷変位〔μｍ〕２）
の式で定義されるものである。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層のうち、はんだ層が形成される回路層の一方の面側に表面硬化層が形成されており、この表面硬化層のインデンテーション硬度が、前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ（５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下）の８０％以上に設定されているので、回路層の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
なお、前記表面硬化層がＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しているので、これらの添加元素によってアルミニウムを硬化させることで前記表面硬化層を形成することが可能となる。
【００１０】
また、回路層は、インデンテーション硬度Ｈｂが、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた本体層を有しているので、この本体層では、変形抵抗が比較的小さくなる。よって、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層の変形によって吸収することが可能となり、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。
【００１１】
ここで、前記表面硬化層の厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされており、前記本体層の厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされていることが好ましい。
この場合、表面硬化層の厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされていることから、回路層の一方の面にうねりやシワが発生することを確実に防止することができる。また、本体層の厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされているので、熱サイクル負荷時の熱応力を本体層で確実に吸収することができる。
【００１２】
また、前記表面硬化層における前記添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされていることが好ましい。
この場合、表面硬化層が、上述の添加元素を合計で０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有していることから、これらの添加元素によって確実にアルミニウムを硬化させることができ、前述のインデンテーション硬度を有する表面硬化層を形成することが可能となる。
【００１３】
さらに、前記セラミックス基板がＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で構成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板が絶縁性に優れていることから、絶縁信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができる。
【００１４】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板の前記一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記回路層を加熱して、前記回路層の内部に向けて前記添加元素を拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成する加熱工程と、を備えていることを特徴としている。
【００１５】
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、加熱工程において、回路層の一方の面に形成された固着層に含有されるＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を回路層の内部へと拡散させることにより、回路層の一方の面側の添加元素濃度が高く、一方の面から離れるに従い添加元素濃度が低くなる。そして、この添加元素の濃度分布によって、回路層の一方の面側に表面硬化層が形成され、この表面硬化層に積層するように本体層が形成されることになる。よって、表面硬化層と本体層とを備えたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００１６】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面側に、ろう材を介して前記セラミックス基板を積層する積層工程と、積層された前記セラミックスと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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成することを特徴としている。
【００１７】
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、前記金属板と前記セラミックス基板とをろう付けするための加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。
【００１８】
さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着して第２固着層を形成する第２固着工程と、前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成することを特徴としている。
【００１９】
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、加熱工程によってＳｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を拡散させて溶融金属領域を形成し、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することで回路層を形成することができる。また、この加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。
【００２０】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素と、を固着し、これら第２添加元素及び活性元素を含有する第２固着層を形成する第２固着工程と、前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックスと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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記金属板に前記添加元素を拡散させることにより、前記金属板の表層に金属硬化層を形成することを特徴としている。
【００２１】
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、加熱工程によって、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素とを拡散させて溶融金属領域を形成し、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することで回路層を形成することができる。特に、前記第２添加元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
また、この加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。
【００２２】
ここで、前記固着工程では、前記添加元素とともにＡｌを固着させることが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにＡｌを固着させているので、添加元素を確実に固着されることができる。なお、前記添加元素とともにＡｌを固着させるには、前記添加元素とＡｌとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とＡｌの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。
【００２３】
また、前記固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって前記添加元素を固着し、前記固着層を形成することが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって、前記添加元素を前記金属板の一方の面に確実に固着でき、前述の固着層を形成することができる。また、前記添加元素の固着量を精度良く調整することが可能となる。
【００２４】
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、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を冷却するヒートシンクと、を備えた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、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板に発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
【００２５】
さらに、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る電子部品と、を備えた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回路層との接合強度が高く、かつ、回路層と半導体素子との間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できるので、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可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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を示す説明図である。
【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回路層を示す説明図である。
【図４】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フロー図である。
【図５】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６】図５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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図８】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示す説明図である。
【図９】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（金属層）とセラミックス基板との接合界面を示す拡大説明図である。
【図１０】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フロー図である。
【図１１】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１２】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図１３】本発明の第３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フロー図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図１５】本発明の第４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フロー図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図１７】本発明の第５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フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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を用いたパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４０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。
【００２９】
パワーモジュール用基板１０は、図１及び図２に示すように、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の一面（図１及び図２において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他面（図１及び図２において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００３０】
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。なお、本実施形態では、図１及び図２に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。
【００３１】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一面（図５において上面）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。
【００３２】
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他面（図５において下面）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。
【００３３】
ヒートシンク４０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、図１に示すように、天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２とを備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）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４０の天板部４１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。
【００３４】
そして、図２に示すように、回路層１２は、その一方の面（図２おいて上面）側に配設された表面硬化層１２Ａと、この表面硬化層１２Ａの他方の面側に位置する本体層１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層１２Ａは、回路層１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図２において下側）に向けて延在しており、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【００３５】
なお、本実施形態では、回路層１２のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００３６】
また、表面硬化層１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
回路層１２においては、図３に示すように、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層１２Ａが形成されているのである。
【００３７】
一方、本体層１２Ｂでは、図３に示すように、添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
なお、セラミックス基板１１側に位置する界面近傍層１２Ｃにおいては、セラミックス基板１１と金属板２２との接合において利用される元素が拡散することで、本体層１２ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
【００３８】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。
【００３９】
（固着工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層２２Ａを形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【００４０】
（積層工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、セラミックス基板１１の一面側に、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５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他面側に、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５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２５を介して積層される。このとき、金属板２２は、固着層２２Ａが形成された面とは反対の面がセラミックス基板１１側を向くように積層される。このようにして積層体２０を形成する。
なお、本実施形態においては、ろう材箔２４、２５は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
【００４１】
（加熱工程Ｓ０３）
次に、積層工程Ｓ０２において形成された積層体２０を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱する。この加熱工程Ｓ０３によって、ろう材箔２４、２５と金属板２２、２３の一部とが溶融し、図６に示すように、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域２６、２７が形成される。ここで、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。
また、この加熱工程Ｓ０３により、金属板２２の固着層２２Ａに含有された添加元素（本実施形態ではＺｒ）が金属板２２の他方の面側に向けて拡散していく。
【００４２】
（凝固工程Ｓ０４）
次に、積層体２０を冷却することによって溶融金属領域２６、２７を凝固させ、セラミックス基板１１と金属板２２及び金属板２３とを接合する。このとき、ろう材箔２４、２５に含まれる融点降下元素（Ｓｉ）が金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。
【００４３】
このようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
また、回路層１２においては、固着層２２Ａに含有された添加元素が拡散することで表面硬化層１２Ａ及び本体層１２Ｂが形成される。また、ろう材箔２４に含まれるＳｉが拡散することで接合近傍層１２Ｃが形成される。
【００４４】
そして、このパワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、緩衝層１５を介してヒートシンク４０がろう付け等によって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成される。また、回路層１２の表面にはんだ層２を介して半導体チップ３を搭載することで本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００４５】
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及びパワーモジュール用基板の製造方法においては、回路層１２の一方の面側に、表面硬化層１２Ａが形成されており、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、このインデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上の領域が表面硬化層１２Ａとされているので、回路層１２の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
【００４６】
また、回路層１２は、インデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた本体層１２Ｂを有しているので、この本体層１２Ｂでは変形抵抗が比較的小さく、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を向上させることができる。
【００４７】
さらに、表面硬化層１２Ａの厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされていることから、回路層１２の一方の面にうねりやシワが発生することを確実に防止することができる。さらに、本体層１２Ｂの厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされているので、熱サイクル負荷時の熱応力を本体層１２Ｂで確実に吸収することができる。
よって、熱サイクル負荷時において、回路層１２の表面のうねりやシワの発生を抑制でき、はんだ層２におけるクラックの発生を抑制できる。また、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性を向上させることができる。
【００４８】
この表面硬化層１２Ａにおいては、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされており、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有しているので、この添加元素によって金属板２２を硬化させることができ、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬さＨｓを５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内にすることができる。
【００４９】
また、回路層１２となる金属板２２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素（本実施形態ではＺｒ）を含有する固着層２２Ａを形成し、この金属板２２（回路層１２）を加熱することで添加元素を拡散させているので、回路層１２の一方の面側において添加元素の含有量が高くなり、上述した表面硬化層１２Ａを形成することができる。また、添加元素の含有量は、一方の面から離れるに従い低くなることから、表面硬化層１２Ａに積層されるように、上述の本体層１２Ｂが形成されることになる。
【００５０】
ここで、本実施形態では、セラミックス基板１１と金属板２２、２３をろう付けする加熱工程Ｓ０３において固着層２２Ａの添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板１０の製造コストを低く抑えることができる。
【００５１】
次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１１を参照して説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク１４０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１１２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。
【００５２】
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７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７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る。本実施形態では、セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜０．８ｍｍ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。
【００５３】
図１１に示すように、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（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
また、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（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。
【００５４】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、図７に示すように、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１を備えている。本実施形態では、この天板部１４１の下方側に、コルゲートフィン１４６と底板部１４５とが配設されており、これら天板部１４１、コルゲートフィン１４６及び底板部１４５によって、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４２が画成されている。
なお、ヒートシンク１４０（天板部１４１）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、Ａ３００３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００５５】
そして、図８に示すように、回路層１１２は、その一方の面（図８おいて上面）側に配設された表面硬化層１１２Ａと、この表面硬化層１１２Ａの他方の面側に位置する本体層１１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層１１２Ａは、回路層１１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図８において下側）に向けて延在しており、回路層１１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層１１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【００５６】
なお、本実施形態では、回路層１１２のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層１１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層１１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層１１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００５７】
また、表面硬化層１１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【００５８】
回路層１１２においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層１１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層１１２Ａが形成されているのである。
一方、本体層１１２Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
【００５９】
なお、セラミックス基板１１１側に位置する界面近傍層１１２Ｃにおいては、セラミックス基板１１１と金属板１２２との接合において利用される元素が拡散することで、本体層よりもＡｌの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層１１２Ｃにおいては、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素が固溶している。ここで、この界面近傍層１１２Ｃの接合界面側の前記第２添加元素濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
【００６０】
本実施形態では、ＣｕとＧｅを第２添加元素として用いており、界面近傍層１１２ＣのＣｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下、Ｇｅ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、界面近傍層１１２Ｃの前記第２添加元素濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。このＥＰＭＡ分析では、スポット径の全体が接合界面から５０μｍまでの範囲内に入るようにして分析を実施した。
【００６１】
また、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）との接合界面１３０には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素が介在している。なお、本実施形態では、活性元素としてＨｆが介在している。
ここで、接合界面１３０部分には、図９に示すように活性金属であるＨｆと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層１３２が形成されている。この酸化物層１３２は、活性金属であるＨｆとＡｌ２Ｏ３からなるセラミック基板１１１の酸素とが反応することによって生じたものである。この酸化物層１３２の厚さＨは、例えば０．１μｍ以上５μｍ以下とされている。
【００６２】
なお、本実施形態では、金属層１１３となる金属板１２３とセラミックス基板１１１との接合についても、回路層１１２となる金属板１２２とセラミックス基板１１１と同様に行われており、接合界面部分に酸化物層が形成されており、金属層１１３の接合界面近傍にも第２添加元素が固溶している。
【００６３】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。
【００６４】
（第１固着工程Ｓ１１）
まず、図１１に示すように、回路層１１２となる金属板１２２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層１２２Ａを形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【００６５】
（第２固着工程Ｓ１２）
次に、金属板１２２、１２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、第２添加元素であるＣｕ及びＧｅ、並びに、活性元素であるＨｆを固着し、第２固着層１２４、１２５を形成する。
本実施形態では、第２固着層１２４、１２５におけるＣｕ量は０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｇｅ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上２．５ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｈｆ量は０．１ｍｇ／ｃｍ２以上６．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００６６】
（積層工程Ｓ１３）
次に、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、図１１に示すように、金属板１２２、１２３のうち第２固着層１２４、１２５形成された面がセラミックス基板１１１を向くように積層する。すなわち、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間に第２固着層１２４、１２５を介在させているのである。このようにして積層体１２０を形成する。
【００６７】
（加熱工程Ｓ１４）
次に、積層工程Ｓ１３において形成された積層体１２０を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。この溶融金属領域１は、第２固着層１２４、１２５のＣｕ及びＧｅが金属板１２２、１２３側に拡散することによって、金属板１２２、１２３の第２固着層１２４、１２５近傍のＣｕ濃度、Ｇｅ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００６８】
このとき、活性金属であるＨｆは、セラミックス基板１１１を構成するＡｌ２Ｏ３と反応し、Ｈｆと酸素とを含む酸素化合物（例えばＨｆＯ２）が生成し、酸化物層１３２が形成されることになる。
また、この加熱工程Ｓ１４により、金属板１２２の固着層１２２Ａに含有された添加元素（本実施形態ではＺｒ）が金属板１２２の他方の面側に向けて拡散していく。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００６９】
（凝固工程Ｓ１５）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ、Ｇｅが、さらに金属板１２２、１２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度、Ｇｅ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とは、いわゆる等温拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００７０】
このようにして、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とが接合され、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。
また、回路層１１２においては、固着層１２２Ａに含有された添加元素が拡散することで表面硬化層１１２Ａ及び本体層１１２Ｂが形成される。また、第２固着層１２４に含まれるＣｕ及びＧｅが拡散することで接合近傍層１１２Ｃが形成される。
【００７１】
そして、このパワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、ヒートシンク１４０がろう付け等によって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成される。また、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して半導体チップ３を搭載することで本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出される。
【００７２】
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及びパワーモジュール１０１においては、回路層１１２の一方の面に表面硬化層１１２Ａが形成されているので、回路層１１２の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層１１２に、前述の表面硬化層１１２Ａよりもインデンテーション硬度が低い本体層１１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層１１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板１１１と回路層１１２との接合信頼性を向上させることができる。
【００７３】
また、本実施形態では、金属板１２２、１２３の接合面に第２添加元素としてＣｕ、Ｇｅを固着させる第２固着工程Ｓ１２を備えているので、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１の接合界面１３０には、Ｃｕ及びＧｅが介在することになる。
そして、セラミックス基板１１１がＡｌ２Ｏ３で構成されており、金属板１２２，１２３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０に、活性元素としてＨｆが介在しており、より具体的には、接合界面１３０にＨｆと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層１３２が形成されているので、この酸化物層１３２によってセラミックス基板１１１と金属板１２２，１２３との接合強度の向上を図ることができる。なお、この酸化物層１３２は、活性元素であるＨｆとセラミックス基板１１１の酸素との反応によって生成していることからセラミックス基板１１１との接合強度は極めて高い。
【００７４】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程Ｓ１４において、固着層１２２Ａの添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板１１０の製造コストを低く抑えることができる。
【００７５】
次に、本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１２及び図１３を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面（図１２において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面（図１２において下面）に配設された金属層２１３とを備えている。
【００７６】
セラミックス基板２１１は、回路層２１２と金属層２１３との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板２１１は絶縁性の高いＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されている。また、セラミックス基板２１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
【００７７】
回路層２１２は、セラミックス基板２１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層２１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板２１１に接合されることにより形成されている。
金属層２１３は、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層２１３は、回路層２１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板２１１に接合されることで形成されている。
【００７８】
そして、図１２に示すように、回路層２１２は、その一方の面（図１２おいて上面）側に配設された表面硬化層２１２Ａと、この表面硬化層２１２Ａの他方の面側に位置する本体層２１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層２１２Ａは、回路層２１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図１２において下側）に向けて延在しており、回路層２１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層２１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層２１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【００７９】
なお、本実施形態では、回路層２１２のうちセラミックス基板２１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層２１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層２１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層２１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層２１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層２１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００８０】
また、表面硬化層２１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【００８１】
回路層２１２においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層２１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層２１２Ａが形成されているのである。
一方、本体層２１２Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
【００８２】
なお、セラミックス基板２１１側に位置する界面近傍層２１２Ｃにおいては、セラミックス基板２１１と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層２１２ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層２１２Ｃにおいては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素が固溶している。ここで、この界面近傍層２１２Ｃの前記第２添加元素濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
【００８３】
本実施形態では、Ｓｉ及びＣｕを第２添加元素として用いており、界面近傍層２１２ＣのＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、界面近傍層２１２Ｃの前記第２添加元素濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。このＥＰＭＡ分析では、スポット径の全体が接合界面から５０μｍまでの範囲内に入るようにして分析を実施した。
【００８４】
なお、本実施形態では、金属層２１３となる金属板とセラミックス基板２１１との接合についても、回路層２１２となる金属板とセラミックス基板２１１と同様に行われており、金属層２１３の接合界面近傍にも第２添加元素が固溶している。
【００８５】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板２１０の製造方法について、図１３のフロー図を参照して説明する。
【００８６】
（第１固着工程Ｓ２１）
まず、回路層２１２となる金属板の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【００８７】
（第２固着工程Ｓ２２）
次に、回路層２１２となる金属板及び金属層２１３となる金属板のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、第２添加元素であるＳｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着し、第２固着層を形成する。
本実施形態では、第２添加元素としてＣｕ及びＳｉを用いており、第２固着層におけるＣｕ量は０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｓｉ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００８８】
（積層工程Ｓ２３）
次に、セラミックス基板２１１と金属板を積層する。このとき、金属板のうち第２固着層が形成された面がセラミックス基板２１１を向くように積層する。すなわち、金属板とセラミックス基板２１１との間に第２固着層を介在させているのである。このようにして積層体を形成する。
【００８９】
（加熱工程Ｓ２４）
次に、積層工程Ｓ２３において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板２１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。この溶融金属領域は、第２固着層のＣｕ及びＳｉが金属板側に拡散することによって、金属板の第２固着層近傍のＣｕ濃度、Ｓｉ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
そして、この加熱工程Ｓ２４により、回路層２１２となる金属板の固着層に含有された添加元素（本実施形態ではＺｒ）が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００９０】
（凝固工程Ｓ２５）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ、Ｓｉが、さらに金属板側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度、Ｓｉ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板２１１と金属板とは、いわゆる等温拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００９１】
このようにして、回路層２１２及び金属層２１３となる金属板とセラミックス基板２１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製造される。
また、回路層２１２においては、固着層に含有された添加元素が拡散することで表面硬化層２１２Ａ及び本体層２１２Ｂが形成される。また、第２固着層に含まれるＣｕ及びＳｉが拡散することで接合近傍層２１２Ｃが形成される。
【００９２】
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２１０においては、回路層２１２の一方の面に表面硬化層２１２Ａが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層２１２は、表面硬化層２１２Ａよりも硬度が低い本体層２１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層２１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。
【００９３】
また、本実施形態では、セラミックス基板２１１と金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程Ｓ２４において、回路層２１２となる金属板に形成された固着層の添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく表面硬化層２１２Ａを形成することができ、このパワーモジュール用基板２１０の製造コストを低く抑えることができる。
【００９４】
次に、本発明の第４の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１４及び図１５を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板３１０は、セラミックス基板３１１と、このセラミックス基板３１１の一方の面（図１４において上面）に配設された回路層３１２と、セラミックス基板３１１の他方の面（図１４において下面）に配設された金属層３１３とを備えている。
【００９５】
セラミックス基板３１１は、回路層３１２と金属層３１３との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板３１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板３１１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。
【００９６】
回路層３１２は、セラミックス基板３１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層３１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板３１１に接合されることにより形成されている。
金属層３１３は、セラミックス基板３１１の他方の面に金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層３１３は、回路層３１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板３１１に接合されることで形成されている。
【００９７】
そして、図１４に示すように、回路層３１２は、その一方の面（図１４おいて上面）側に配設された表面硬化層３１２Ａと、この表面硬化層３１２Ａの他方の面側に位置する本体層３１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層３１２Ａは、回路層３１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図１４において下側）に向けて延在しており、回路層３１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層３１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層３１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【００９８】
なお、本実施形態では、回路層３１２のうちセラミックス基板３１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層３１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層３１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層３１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層３１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層３１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００９９】
また、表面硬化層３１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【０１００】
回路層３１２においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層３１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層３１２Ａが形成されているのである。
一方、本体層３１２Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
【０１０１】
なお、セラミックス基板３１１側に位置する界面近傍層３１２Ｃにおいては、セラミックス基板３１１と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層３１２ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層３１２Ｃにおいては、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に含まれるＳｉが固溶している。
【０１０２】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板３１０の製造方法について、図１５のフロー図を参照して説明する。
【０１０３】
（積層工程Ｓ３１）
まず、セラミックス基板３１１の一面側に、回路層３１２となる金属板を、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層し、セラミックス基板３１１の他面側に、金属層１３となる金属板を厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層して、積層体を形成する。なお、本実施形態においては、ろう材箔は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
【０１０４】
（接合加熱工程Ｓ３２）
次に、積層工程Ｓ３１において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板３１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【０１０５】
（凝固工程Ｓ３３）
次に、積層体を冷却することによって溶融金属領域を凝固させ、セラミックス基板３１１と金属板とを接合する。このようにして、回路層３１２及び金属層３１３となる金属板とセラミックス基板３１１とが接合される。このとき、ろう材箔に含まれるＳｉが拡散することで、回路層３１２には、接合近傍層３１２Ｃが形成される。
【０１０６】
（固着工程Ｓ３４）
次に、回路層３１２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【０１０７】
（加熱工程Ｓ３５）
そして、固着層が形成された回路層３１２を、接合されたセラミックス基板３１１及び金属層３１３とともに、加熱炉によって加熱する。このときの加熱温度は、上述の接合加熱工程Ｓ３２よりも低い温度とされる。
この加熱工程Ｓ３５により、金属板の固着層に含有された添加元素（本実施形態では ）が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。これにより、回路層３１２には、固着層に含有された添加元素が拡散することで表面硬化層３１２Ａ及び本体層３１２Ｂが形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板３１０が製出される。
【０１０８】
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３１０においては、回路層３１２の一方の面に表面硬化層３１２Ａが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層３１２は、表面硬化層３１２Ａよりも硬度が低い本体層３１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層３１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。
【０１０９】
次に、本発明の第５の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１６及び図１７を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板４１０は、セラミックス基板４１１と、このセラミックス基板４１１の一方の面（図１６において上面）に配設された回路層４１２と、セラミックス基板４１１の他方の面（図１６において下面）に配設された金属層４１３とを備えている。
【０１１０】
セラミックス基板４１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されており、その厚さが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４１２は、セラミックス基板４１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層４１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板４１１に接合されることにより形成されている。
金属層４１３は、セラミックス基板４１１の他方の面に金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層４１３は、回路層４１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板４１１に接合されることで形成されている。
【０１１１】
そして、図１６に示すように、回路層４１２は、その一方の面（図１６おいて上面）側に配設された表面硬化層４１２Ａと、この表面硬化層４１２Ａの他方の面側に位置する本体層４１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層４１２Ａは、回路層４１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図１６において下側）に向けて延在しており、回路層４１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層４１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層４１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【０１１２】
なお、本実施形態では、回路層４１２のうちセラミックス基板４１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層４１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層４１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層４１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層４１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層４１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【０１１３】
また、表面硬化層４１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【０１１４】
回路層４１２においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層４１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層４１２Ａが形成されているのである。
一方、本体層４１２Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
【０１１５】
なお、セラミックス基板４１１側に位置する界面近傍層４１２Ｃにおいては、セラミックス基板４１１と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層４１２ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。本実施形態では、界面近傍層４１２Ｃには、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に含まれるＳｉが固溶している。
【０１１６】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板４１０の製造方法について、図１７のフロー図を参照して説明する。
【０１１７】
（固着工程Ｓ４１）
まず、固着層となる金属板の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【０１１８】
（加熱工程Ｓ４２）
次に、固着層が形成された金属板を加熱炉によって加熱する。このときの加熱温度は、５５０℃〜６５０℃に設定されている。
この加熱工程Ｓ４２により、金属板の固着層に含有された添加元素（本実施形態ではＺｒ）が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。これにより、回路層となる金属板には、表面硬化層４１２Ａ、本体層４１２Ｂが形成されることになる。
【０１１９】
（積層工程Ｓ４３）
次に、セラミックス基板４１１の一面側に、添加元素を拡散させた金属板を、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層し、セラミックス基板３１１の他面側に、金属層４１３となる金属板を厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層して、積層体を形成する。なお、本実施形態においては、ろう材箔は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
【０１２０】
（接合加熱工程Ｓ４４）
次に、積層工程Ｓ４３において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板４１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。すなわち、前述の加熱工程Ｓ４２よりも低い温度とされているのである。
【０１２１】
（凝固工程Ｓ４５）
次に、積層体を冷却することによって溶融金属層を凝固させ、セラミックス基板４１１と金属板とを接合する。このようにして、回路層４１２及び金属層４１３となる金属板とセラミックス基板４１１とが接合される。このとき、ろう材箔に含まれるＳｉが拡散することで、回路層４１２には、接合近傍層４１２Ｃが形成される。
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４１０が製出される。
【０１２２】
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４１０においては、回路層４１２の一方の面に表面硬化層４１２Ａが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層４１２は、表面硬化層４１２Ａよりも硬度が低い本体層４１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層４１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。
【０１２３】
そして、本実施形態では、回路層４１２となる金属板に固着層を形成して加熱し、表面硬化層４１２Ａ及び本体層４１２Ｂを形成した後に、金属板をセラミックス基板４１１と接合させているので、金属板とセラミックス基板４１１との接合温度よりも高い温度条件で添加元素を拡散させることが可能となる。よって、添加元素として、アルミニウム中の拡散速度が遅い元素（例えばＨｆ）を使用することができる。
【０１２４】
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、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素をスパッタによって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、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって添加元素を固着させてもよい。
【０１２５】
また、Ａｌとともに添加元素、第２添加元素、活性元素を固着してもよい。この場合、Ｃａ及びＬｉ等の酸化しやすい元素であっても確実に固着させることが可能となる。なお、前記添加元素とともにＡｌを固着させるには、前記添加元素とＡｌとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とＡｌの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。
【０１２６】
また、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、又はアルミニウムを含む複合材等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く、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。
【０１２７】
また、第２、第３の実施形態において、セラミックス基板と金属板との接合を、Ｎ２雰囲気の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、真空炉を用いてセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。この場合の真空度は、１０−６〜１０−３Ｐａの範囲内とすることが好ましい。
【０１２８】
さらに、第２の実施形態において、セラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３を使用し、セラミックス基板と金属板との接合界面に活性元素を含む酸化物層を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、セラミックス基板としてＡｌＮやＳｉ３Ｎ４を使用し、セラミックス基板と金属板との接合界面に活性元素を含む窒化物層を形成したものであってもよい。
【実施例】
【０１２９】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
まず、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板の一方の面に、表１に示す添加元素を固着し、加熱することで表面硬化層及び本体層を形成した。表１に、添加元素の固着量、加熱条件を示す。
【０１３０】
【表１】
【０１３１】
金属板に形成された表面硬化層及び本体層について、表面硬化層の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ、表面硬化層の厚さ、本体層のインデンテーション硬度Ｈｂ、本体層の厚さを評価した。なお、本体層のインデンテーション硬度Ｈｂは、金属板の面中央における金属板の厚さ方向中央部を測定した。
また、表面硬化層を形成しない４Ｎアルミニウムからなる金属板を比較例１とした。さらに、Ｓｉを１質量％含むアルミニウム合金からなる金属板を比較例２とした。これら比較例１Ａ、２Ａについても、上述の表面硬化層の一方の面に相当する位置、及び、本体層に相当する位置で、それぞれインデンテーション硬度を測定した。結果を表２に示す。
結果を表２に示す。
【０１３２】
【表２】
【０１３３】
試料１−４について、いずれも金属板の表面に表面硬化層が形成され、その表面硬化層に積層するように、表面硬化層よりも硬度の低い本体層が形成された。
【０１３４】
次に、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板に、回路層として、厚さ０．６ｍｍの金属板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
ここで、表１及び表２の試料１、２の金属板を用いて回路層を形成したものを本発明例１、２とした。
また、表２の比較例１Ａの金属板を用いて回路層を形成したものを比較例１Ｂとした。さらに、表２の比較例２Ａの金属板を用いて回路層を形成したものを比較例２Ｂとした。
【０１３５】
そして、これらの試験片を用いて熱サイクル試験を実施した。具体的には、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後に、試験片を観察し、回路層表面のうねり状態、セラミックス基板と回路層との間の接合率を評価した。結果を表３に示す。
なお、うねりについては、半径が２μｍの球状先端を有し、テーパ角が９０°の円錐を触針として用い、２．５（ｍｍ／基準長さ）×５区間の距離を、荷重４ｍＮ，速度１ｍｍ／ｓで表面を走査して区間平均の粗さ曲線を測定し、その十点平均粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）を算出した。
また、接合率は、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である。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【０１３６】
【表３】
【０１３７】
比較例１Ｂでは、接合率は高いものの回路層の表面にうねりが確認された。一方、比較例２Ｂでは、回路層表面のうねりは抑制されたが、接合率が低く接合信頼性に劣っていた。
これに対して、表面硬化層を形成した本発明例１、２においては、回路層表面のうねりが抑制され、かつ、接合率も高かった。
【符号の説明】
【０１３８】
１、１０１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１０、２１０、３１０、４１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１、４１１ セラミックス基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２ 回路層
１２Ａ、１１２Ａ、２１２Ａ、３１２Ａ、４１２Ａ 表面硬化層
１２Ｂ、１１２Ｂ、２１２Ｂ、３１２Ｂ、４１２Ｂ 本体層
４０、１４０ ヒートシンク
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の電子部品が搭載される回路層を備えたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール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素子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、特許文献１に示すように、ＡｌＮ（窒化アルミ）からなるセラミックス基板上に、回路層となる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広く用いられている。
また、例えば特許文献２−４に示すように、セラミックス基板の上にアルミニウム合金部材を溶湯接合法によって接合して回路層を形成したパワーモジュール用基板が提案されている。
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
【０００３】
ここで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差による応力がセラミックス基板と回路層との接合界面に作用し、接合信頼性が低下するおそれがある。そこで、従来は、純度が９９．９９％以上の４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで回路層を構成して熱応力を回路層の変形によって吸収することで、接合信頼性の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２８０８７号公報
【特許文献２】特開２００２−３２９８１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２５２１３６号公報
【特許文献４】特開２００７−０９２１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、回路層を純度が９９．９９％以上（４Ｎアルミニウム）等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、熱サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりやシワが発生してしまうといった問題があった。このように回路層の表面にうねりやシワが発生すると、はんだ層にクラックが発生してしまうため、パワーモジュールの信頼性が低下することになる。
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、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、回路層の表面にうねりやシワが発生するおそれがある。
【０００６】
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、熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュール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】
【０００７】
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、セラミックス基板の一面に、アルミニウムからなる回路層が配設され、この回路層の一方の面上に電子部品が配設されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、本体層と、前記一方の面側に露呈するように配置された表面硬化層と、を有しており、前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、前記回路層のうち、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域が前記表面硬化層とされており、前記表面硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、前記本体層のインデンテーション硬度Ｈｂが、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされていることを特徴としている。
【０００８】
なお、本発明におけるインデンテーション硬度Ｈとは、バーコビッチ圧子と呼ばれる稜間角が１１４．８°以上１１５．１°以下の三角錐ダイヤモンド圧子を用いて試験荷重を５０００ｍｇｆとして負荷をかけた際の荷重―変位の相関を計測し、
Ｈ＝３７．９２６×１０−３×（荷重〔ｍｇｆ〕÷変位〔μｍ〕２）
の式で定義されるものである。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層のうち、はんだ層が形成される回路層の一方の面側に表面硬化層が形成されており、この表面硬化層のインデンテーション硬度が、前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ（５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下）の８０％以上に設定されているので、回路層の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
なお、前記表面硬化層がＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しているので、これらの添加元素によってアルミニウムを硬化させることで前記表面硬化層を形成することが可能となる。
【００１０】
また、回路層は、インデンテーション硬度Ｈｂが、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた本体層を有しているので、この本体層では、変形抵抗が比較的小さくなる。よって、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層の変形によって吸収することが可能となり、セラミックス基板と回路層との接合信頼性を向上させることができる。
【００１１】
ここで、前記表面硬化層の厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされており、前記本体層の厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされていることが好ましい。
この場合、表面硬化層の厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされていることから、回路層の一方の面にうねりやシワが発生することを確実に防止することができる。また、本体層の厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされているので、熱サイクル負荷時の熱応力を本体層で確実に吸収することができる。
【００１２】
また、前記表面硬化層における前記添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされていることが好ましい。
この場合、表面硬化層が、上述の添加元素を合計で０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有していることから、これらの添加元素によって確実にアルミニウムを硬化させることができ、前述のインデンテーション硬度を有する表面硬化層を形成することが可能となる。
【００１３】
さらに、前記セラミックス基板がＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で構成されていることが好ましい。
この場合、セラミックス基板が絶縁性に優れていることから、絶縁信頼性の高いパワーモジュール用基板を提供することができる。
【００１４】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板の前記一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記回路層を加熱して、前記回路層の内部に向けて前記添加元素を拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成する加熱工程と、を備えていることを特徴としている。
【００１５】
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、加熱工程において、回路層の一方の面に形成された固着層に含有されるＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を回路層の内部へと拡散させることにより、回路層の一方の面側の添加元素濃度が高く、一方の面から離れるに従い添加元素濃度が低くなる。そして、この添加元素の濃度分布によって、回路層の一方の面側に表面硬化層が形成され、この表面硬化層に積層するように本体層が形成されることになる。よって、表面硬化層と本体層とを備えたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００１６】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面側に、ろう材を介して前記セラミックス基板を積層する積層工程と、積層された前記セラミックスと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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成することを特徴としている。
【００１７】
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、前記金属板と前記セラミックス基板とをろう付けするための加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。
【００１８】
さらに、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着して第２固着層を形成する第２固着工程と、前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックス基板と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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成することを特徴としている。
【００１９】
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、加熱工程によってＳｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を拡散させて溶融金属領域を形成し、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することで回路層を形成することができる。また、この加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。
【００２０】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、前述のパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素と、を固着し、これら第２添加元素及び活性元素を含有する第２固着層を形成する第２固着工程と、前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、積層された前記セラミックスと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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、前記加熱工程において、前記金属板に前記添加元素を拡散させることにより、前記金属板の表層に金属硬化層を形成することを特徴としている。
【００２１】
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、加熱工程によって、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素とを拡散させて溶融金属領域を形成し、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することで回路層を形成することができる。特に、前記第２添加元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、金属板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成することができる。
また、この加熱工程において、金属板の一方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を拡散させて表面硬化層を形成することができる。よって、表面硬化層を形成するために別途加熱処理を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板の製造コストを削減することができる。
【００２２】
ここで、前記固着工程では、前記添加元素とともにＡｌを固着させることが好ましい。
この場合、前記添加元素とともにＡｌを固着させているので、添加元素を確実に固着されることができる。なお、前記添加元素とともにＡｌを固着させるには、前記添加元素とＡｌとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とＡｌの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。
【００２３】
また、前記固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって前記添加元素を固着し、前記固着層を形成することが好ましい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって、前記添加元素を前記金属板の一方の面に確実に固着でき、前述の固着層を形成することができる。また、前記添加元素の固着量を精度良く調整することが可能となる。
【００２４】
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、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を冷却するヒートシンクと、を備えた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、パワーモジュール用基板を冷却するヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板に発生した熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができる。
【００２５】
さらに、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る電子部品と、を備えた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回路層との接合強度が高く、かつ、回路層と半導体素子との間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制できるので、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可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、熱サイクル負荷時において、回路層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、かつ、セラミックス基板と回路層との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性に優れたパワーモジュール用基板、このパワーモジュール用基板の製造方法、このパワーモジュール用基板を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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を示す説明図である。
【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回路層を示す説明図である。
【図４】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フロー図である。
【図５】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６】図５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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図８】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示す説明図である。
【図９】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（金属層）とセラミックス基板との接合界面を示す拡大説明図である。
【図１０】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フロー図である。
【図１１】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１２】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図１３】本発明の第３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フロー図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図１５】本発明の第４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フロー図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態であるパワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図１７】本発明の第５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フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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を用いたパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４０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。
【００２９】
パワーモジュール用基板１０は、図１及び図２に示すように、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の一面（図１及び図２において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他面（図１及び図２において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００３０】
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。なお、本実施形態では、図１及び図２に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。
【００３１】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一面（図５において上面）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。
【００３２】
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他面（図５において下面）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。
【００３３】
ヒートシンク４０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、図１に示すように、天板部４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２とを備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）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４０の天板部４１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。
【００３４】
そして、図２に示すように、回路層１２は、その一方の面（図２おいて上面）側に配設された表面硬化層１２Ａと、この表面硬化層１２Ａの他方の面側に位置する本体層１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層１２Ａは、回路層１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図２において下側）に向けて延在しており、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【００３５】
なお、本実施形態では、回路層１２のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００３６】
また、表面硬化層１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
回路層１２においては、図３に示すように、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層１２Ａが形成されているのである。
【００３７】
一方、本体層１２Ｂでは、図３に示すように、添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
なお、セラミックス基板１１側に位置する界面近傍層１２Ｃにおいては、セラミックス基板１１と金属板２２との接合において利用される元素が拡散することで、本体層１２ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
【００３８】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４から図６を参照して説明する。
【００３９】
（固着工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層２２Ａを形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【００４０】
（積層工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、セラミックス基板１１の一面側に、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５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２４を介して積層され、セラミックス基板１１の他面側に、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５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２５を介して積層される。このとき、金属板２２は、固着層２２Ａが形成された面とは反対の面がセラミックス基板１１側を向くように積層される。このようにして積層体２０を形成する。
なお、本実施形態においては、ろう材箔２４、２５は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
【００４１】
（加熱工程Ｓ０３）
次に、積層工程Ｓ０２において形成された積層体２０を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱する。この加熱工程Ｓ０３によって、ろう材箔２４、２５と金属板２２、２３の一部とが溶融し、図６に示すように、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域２６、２７が形成される。ここで、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。
また、この加熱工程Ｓ０３により、金属板２２の固着層２２Ａに含有された添加元素（本実施形態ではＺｒ）が金属板２２の他方の面側に向けて拡散していく。
【００４２】
（凝固工程Ｓ０４）
次に、積層体２０を冷却することによって溶融金属領域２６、２７を凝固させ、セラミックス基板１１と金属板２２及び金属板２３とを接合する。このとき、ろう材箔２４、２５に含まれる融点降下元素（Ｓｉ）が金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。
【００４３】
このようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
また、回路層１２においては、固着層２２Ａに含有された添加元素が拡散することで表面硬化層１２Ａ及び本体層１２Ｂが形成される。また、ろう材箔２４に含まれるＳｉが拡散することで接合近傍層１２Ｃが形成される。
【００４４】
そして、このパワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に、緩衝層１５を介してヒートシンク４０がろう付け等によって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成される。また、回路層１２の表面にはんだ層２を介して半導体チップ３を搭載することで本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００４５】
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及びパワーモジュール用基板の製造方法においては、回路層１２の一方の面側に、表面硬化層１２Ａが形成されており、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、このインデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上の領域が表面硬化層１２Ａとされているので、回路層１２の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。
【００４６】
また、回路層１２は、インデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた本体層１２Ｂを有しているので、この本体層１２Ｂでは変形抵抗が比較的小さく、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板１１と回路層１２との接合信頼性を向上させることができる。
【００４７】
さらに、表面硬化層１２Ａの厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされていることから、回路層１２の一方の面にうねりやシワが発生することを確実に防止することができる。さらに、本体層１２Ｂの厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされているので、熱サイクル負荷時の熱応力を本体層１２Ｂで確実に吸収することができる。
よって、熱サイクル負荷時において、回路層１２の表面のうねりやシワの発生を抑制でき、はんだ層２におけるクラックの発生を抑制できる。また、セラミックス基板１１と回路層１２との接合界面に熱応力が作用することを抑制でき、熱サイクル信頼性を向上させることができる。
【００４８】
この表面硬化層１２Ａにおいては、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされており、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有しているので、この添加元素によって金属板２２を硬化させることができ、回路層１２の一方の面におけるインデンテーション硬さＨｓを５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内にすることができる。
【００４９】
また、回路層１２となる金属板２２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素（本実施形態ではＺｒ）を含有する固着層２２Ａを形成し、この金属板２２（回路層１２）を加熱することで添加元素を拡散させているので、回路層１２の一方の面側において添加元素の含有量が高くなり、上述した表面硬化層１２Ａを形成することができる。また、添加元素の含有量は、一方の面から離れるに従い低くなることから、表面硬化層１２Ａに積層されるように、上述の本体層１２Ｂが形成されることになる。
【００５０】
ここで、本実施形態では、セラミックス基板１１と金属板２２、２３をろう付けする加熱工程Ｓ０３において固着層２２Ａの添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板１０の製造コストを低く抑えることができる。
【００５１】
次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１１を参照して説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク１４０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１１２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。
【００５２】
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７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７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る。本実施形態では、セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜０．８ｍｍ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。
【００５３】
図１１に示すように、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（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
また、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（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。
【００５４】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものであり、図７に示すように、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１を備えている。本実施形態では、この天板部１４１の下方側に、コルゲートフィン１４６と底板部１４５とが配設されており、これら天板部１４１、コルゲートフィン１４６及び底板部１４５によって、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４２が画成されている。
なお、ヒートシンク１４０（天板部１４１）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、Ａ３００３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００５５】
そして、図８に示すように、回路層１１２は、その一方の面（図８おいて上面）側に配設された表面硬化層１１２Ａと、この表面硬化層１１２Ａの他方の面側に位置する本体層１１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層１１２Ａは、回路層１１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図８において下側）に向けて延在しており、回路層１１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層１１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【００５６】
なお、本実施形態では、回路層１１２のうちセラミックス基板１１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層１１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層１１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層１１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００５７】
また、表面硬化層１１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【００５８】
回路層１１２においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層１１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層１１２Ａが形成されているのである。
一方、本体層１１２Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
【００５９】
なお、セラミックス基板１１１側に位置する界面近傍層１１２Ｃにおいては、セラミックス基板１１１と金属板１２２との接合において利用される元素が拡散することで、本体層よりもＡｌの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層１１２Ｃにおいては、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素が固溶している。ここで、この界面近傍層１１２Ｃの接合界面側の前記第２添加元素濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
【００６０】
本実施形態では、ＣｕとＧｅを第２添加元素として用いており、界面近傍層１１２ＣのＣｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下、Ｇｅ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、界面近傍層１１２Ｃの前記第２添加元素濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。このＥＰＭＡ分析では、スポット径の全体が接合界面から５０μｍまでの範囲内に入るようにして分析を実施した。
【００６１】
また、セラミックス基板１１１と回路層１１２（金属板１２２）との接合界面１３０には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素が介在している。なお、本実施形態では、活性元素としてＨｆが介在している。
ここで、接合界面１３０部分には、図９に示すように活性金属であるＨｆと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層１３２が形成されている。この酸化物層１３２は、活性金属であるＨｆとＡｌ２Ｏ３からなるセラミック基板１１１の酸素とが反応することによって生じたものである。この酸化物層１３２の厚さＨは、例えば０．１μｍ以上５μｍ以下とされている。
【００６２】
なお、本実施形態では、金属層１１３となる金属板１２３とセラミックス基板１１１との接合についても、回路層１１２となる金属板１２２とセラミックス基板１１１と同様に行われており、接合界面部分に酸化物層が形成されており、金属層１１３の接合界面近傍にも第２添加元素が固溶している。
【００６３】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。
【００６４】
（第１固着工程Ｓ１１）
まず、図１１に示すように、回路層１１２となる金属板１２２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層１２２Ａを形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【００６５】
（第２固着工程Ｓ１２）
次に、金属板１２２、１２３のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、第２添加元素であるＣｕ及びＧｅ、並びに、活性元素であるＨｆを固着し、第２固着層１２４、１２５を形成する。
本実施形態では、第２固着層１２４、１２５におけるＣｕ量は０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｇｅ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上２．５ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｈｆ量は０．１ｍｇ／ｃｍ２以上６．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００６６】
（積層工程Ｓ１３）
次に、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、図１１に示すように、金属板１２２、１２３のうち第２固着層１２４、１２５形成された面がセラミックス基板１１１を向くように積層する。すなわち、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間に第２固着層１２４、１２５を介在させているのである。このようにして積層体１２０を形成する。
【００６７】
（加熱工程Ｓ１４）
次に、積層工程Ｓ１３において形成された積層体１２０を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。この溶融金属領域１は、第２固着層１２４、１２５のＣｕ及びＧｅが金属板１２２、１２３側に拡散することによって、金属板１２２、１２３の第２固着層１２４、１２５近傍のＣｕ濃度、Ｇｅ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００６８】
このとき、活性金属であるＨｆは、セラミックス基板１１１を構成するＡｌ２Ｏ３と反応し、Ｈｆと酸素とを含む酸素化合物（例えばＨｆＯ２）が生成し、酸化物層１３２が形成されることになる。
また、この加熱工程Ｓ１４により、金属板１２２の固着層１２２Ａに含有された添加元素（本実施形態ではＺｒ）が金属板１２２の他方の面側に向けて拡散していく。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００６９】
（凝固工程Ｓ１５）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ、Ｇｅが、さらに金属板１２２、１２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度、Ｇｅ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３とは、いわゆる等温拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００７０】
このようにして、回路層１１２及び金属層１１３となる金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とが接合され、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。
また、回路層１１２においては、固着層１２２Ａに含有された添加元素が拡散することで表面硬化層１１２Ａ及び本体層１１２Ｂが形成される。また、第２固着層１２４に含まれるＣｕ及びＧｅが拡散することで接合近傍層１１２Ｃが形成される。
【００７１】
そして、このパワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、ヒートシンク１４０がろう付け等によって接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が形成される。また、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して半導体チップ３を搭載することで本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出される。
【００７２】
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及びパワーモジュール１０１においては、回路層１１２の一方の面に表面硬化層１１２Ａが形成されているので、回路層１１２の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層１１２に、前述の表面硬化層１１２Ａよりもインデンテーション硬度が低い本体層１１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層１１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。よって、セラミックス基板１１１と回路層１１２との接合信頼性を向上させることができる。
【００７３】
また、本実施形態では、金属板１２２、１２３の接合面に第２添加元素としてＣｕ、Ｇｅを固着させる第２固着工程Ｓ１２を備えているので、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１の接合界面１３０には、Ｃｕ及びＧｅが介在することになる。
そして、セラミックス基板１１１がＡｌ２Ｏ３で構成されており、金属板１２２，１２３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０に、活性元素としてＨｆが介在しており、より具体的には、接合界面１３０にＨｆと酸素とを含む酸素化合物からなる酸化物層１３２が形成されているので、この酸化物層１３２によってセラミックス基板１１１と金属板１２２，１２３との接合強度の向上を図ることができる。なお、この酸化物層１３２は、活性元素であるＨｆとセラミックス基板１１１の酸素との反応によって生成していることからセラミックス基板１１１との接合強度は極めて高い。
【００７４】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１１と金属板１２２、１２３との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程Ｓ１４において、固着層１２２Ａの添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく、このパワーモジュール用基板１１０の製造コストを低く抑えることができる。
【００７５】
次に、本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１２及び図１３を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面（図１２において上面）に配設された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面（図１２において下面）に配設された金属層２１３とを備えている。
【００７６】
セラミックス基板２１１は、回路層２１２と金属層２１３との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板２１１は絶縁性の高いＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されている。また、セラミックス基板２１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３２ｍｍに設定されている。
【００７７】
回路層２１２は、セラミックス基板２１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層２１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板２１１に接合されることにより形成されている。
金属層２１３は、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層２１３は、回路層２１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板２１１に接合されることで形成されている。
【００７８】
そして、図１２に示すように、回路層２１２は、その一方の面（図１２おいて上面）側に配設された表面硬化層２１２Ａと、この表面硬化層２１２Ａの他方の面側に位置する本体層２１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層２１２Ａは、回路層２１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図１２において下側）に向けて延在しており、回路層２１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層２１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層２１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【００７９】
なお、本実施形態では、回路層２１２のうちセラミックス基板２１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層２１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層２１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層２１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層２１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層２１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００８０】
また、表面硬化層２１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【００８１】
回路層２１２においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層２１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層２１２Ａが形成されているのである。
一方、本体層２１２Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
【００８２】
なお、セラミックス基板２１１側に位置する界面近傍層２１２Ｃにおいては、セラミックス基板２１１と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層２１２ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層２１２Ｃにおいては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素が固溶している。ここで、この界面近傍層２１２Ｃの前記第２添加元素濃度の合計が、０．０５質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
【００８３】
本実施形態では、Ｓｉ及びＣｕを第２添加元素として用いており、界面近傍層２１２ＣのＳｉ濃度が０．０５質量％以上０．５質量％以下、Ｃｕ濃度が０．０５質量％以上１質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、界面近傍層２１２Ｃの前記第２添加元素濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）で、接合界面から５０μｍまでの範囲内を５点測定した平均値である。このＥＰＭＡ分析では、スポット径の全体が接合界面から５０μｍまでの範囲内に入るようにして分析を実施した。
【００８４】
なお、本実施形態では、金属層２１３となる金属板とセラミックス基板２１１との接合についても、回路層２１２となる金属板とセラミックス基板２１１と同様に行われており、金属層２１３の接合界面近傍にも第２添加元素が固溶している。
【００８５】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板２１０の製造方法について、図１３のフロー図を参照して説明する。
【００８６】
（第１固着工程Ｓ２１）
まず、回路層２１２となる金属板の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【００８７】
（第２固着工程Ｓ２２）
次に、回路層２１２となる金属板及び金属層２１３となる金属板のそれぞれの接合面に、スパッタリングによって、第２添加元素であるＳｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着し、第２固着層を形成する。
本実施形態では、第２添加元素としてＣｕ及びＳｉを用いており、第２固着層におけるＣｕ量は０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下、Ｓｉ量は０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上１．２ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００８８】
（積層工程Ｓ２３）
次に、セラミックス基板２１１と金属板を積層する。このとき、金属板のうち第２固着層が形成された面がセラミックス基板２１１を向くように積層する。すなわち、金属板とセラミックス基板２１１との間に第２固着層を介在させているのである。このようにして積層体を形成する。
【００８９】
（加熱工程Ｓ２４）
次に、積層工程Ｓ２３において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板２１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。この溶融金属領域は、第２固着層のＣｕ及びＳｉが金属板側に拡散することによって、金属板の第２固着層近傍のＣｕ濃度、Ｓｉ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
そして、この加熱工程Ｓ２４により、回路層２１２となる金属板の固着層に含有された添加元素（本実施形態ではＺｒ）が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００９０】
（凝固工程Ｓ２５）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＣｕ、Ｓｉが、さらに金属板側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度、Ｓｉ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、セラミックス基板２１１と金属板とは、いわゆる等温拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。このようにして凝固が進行した後に、常温にまで冷却を行う。
【００９１】
このようにして、回路層２１２及び金属層２１３となる金属板とセラミックス基板２１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製造される。
また、回路層２１２においては、固着層に含有された添加元素が拡散することで表面硬化層２１２Ａ及び本体層２１２Ｂが形成される。また、第２固着層に含まれるＣｕ及びＳｉが拡散することで接合近傍層２１２Ｃが形成される。
【００９２】
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２１０においては、回路層２１２の一方の面に表面硬化層２１２Ａが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層２１２は、表面硬化層２１２Ａよりも硬度が低い本体層２１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層２１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。
【００９３】
また、本実施形態では、セラミックス基板２１１と金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程Ｓ２４において、回路層２１２となる金属板に形成された固着層の添加元素を拡散させているので、特別な熱処理工程を行う必要がなく表面硬化層２１２Ａを形成することができ、このパワーモジュール用基板２１０の製造コストを低く抑えることができる。
【００９４】
次に、本発明の第４の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１４及び図１５を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板３１０は、セラミックス基板３１１と、このセラミックス基板３１１の一方の面（図１４において上面）に配設された回路層３１２と、セラミックス基板３１１の他方の面（図１４において下面）に配設された金属層３１３とを備えている。
【００９５】
セラミックス基板３１１は、回路層３１２と金属層３１３との間の電気的接続を防止するものである。本実施形態では、セラミックス基板３１１は絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板３１１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。
【００９６】
回路層３１２は、セラミックス基板３１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層３１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板３１１に接合されることにより形成されている。
金属層３１３は、セラミックス基板３１１の他方の面に金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層３１３は、回路層３１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板３１１に接合されることで形成されている。
【００９７】
そして、図１４に示すように、回路層３１２は、その一方の面（図１４おいて上面）側に配設された表面硬化層３１２Ａと、この表面硬化層３１２Ａの他方の面側に位置する本体層３１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層３１２Ａは、回路層３１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図１４において下側）に向けて延在しており、回路層３１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層３１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層３１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【００９８】
なお、本実施形態では、回路層３１２のうちセラミックス基板３１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層３１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層３１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層３１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層３１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層３１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００９９】
また、表面硬化層３１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【０１００】
回路層３１２においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層３１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層３１２Ａが形成されているのである。
一方、本体層３１２Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
【０１０１】
なお、セラミックス基板３１１側に位置する界面近傍層３１２Ｃにおいては、セラミックス基板３１１と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層３１２ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
詳述すると、界面近傍層３１２Ｃにおいては、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に含まれるＳｉが固溶している。
【０１０２】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板３１０の製造方法について、図１５のフロー図を参照して説明する。
【０１０３】
（積層工程Ｓ３１）
まず、セラミックス基板３１１の一面側に、回路層３１２となる金属板を、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層し、セラミックス基板３１１の他面側に、金属層１３となる金属板を厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層して、積層体を形成する。なお、本実施形態においては、ろう材箔は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
【０１０４】
（接合加熱工程Ｓ３２）
次に、積層工程Ｓ３１において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板３１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【０１０５】
（凝固工程Ｓ３３）
次に、積層体を冷却することによって溶融金属領域を凝固させ、セラミックス基板３１１と金属板とを接合する。このようにして、回路層３１２及び金属層３１３となる金属板とセラミックス基板３１１とが接合される。このとき、ろう材箔に含まれるＳｉが拡散することで、回路層３１２には、接合近傍層３１２Ｃが形成される。
【０１０６】
（固着工程Ｓ３４）
次に、回路層３１２の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【０１０７】
（加熱工程Ｓ３５）
そして、固着層が形成された回路層３１２を、接合されたセラミックス基板３１１及び金属層３１３とともに、加熱炉によって加熱する。このときの加熱温度は、上述の接合加熱工程Ｓ３２よりも低い温度とされる。
この加熱工程Ｓ３５により、金属板の固着層に含有された添加元素（本実施形態では ）が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。これにより、回路層３１２には、固着層に含有された添加元素が拡散することで表面硬化層３１２Ａ及び本体層３１２Ｂが形成され、本実施形態であるパワーモジュール用基板３１０が製出される。
【０１０８】
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３１０においては、回路層３１２の一方の面に表面硬化層３１２Ａが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層３１２は、表面硬化層３１２Ａよりも硬度が低い本体層３１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層３１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。
【０１０９】
次に、本発明の第５の実施形態であるパワーモジュール用基板について図１６及び図１７を用いて説明する。
本実施形態であるパワーモジュール用基板４１０は、セラミックス基板４１１と、このセラミックス基板４１１の一方の面（図１６において上面）に配設された回路層４１２と、セラミックス基板４１１の他方の面（図１６において下面）に配設された金属層４１３とを備えている。
【０１１０】
セラミックス基板４１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されており、その厚さが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４１２は、セラミックス基板４１１の一方の面に導電性を有する金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層４１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板４１１に接合されることにより形成されている。
金属層４１３は、セラミックス基板４１１の他方の面に金属板が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層４１３は、回路層４１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板がセラミックス基板４１１に接合されることで形成されている。
【０１１１】
そして、図１６に示すように、回路層４１２は、その一方の面（図１６おいて上面）側に配設された表面硬化層４１２Ａと、この表面硬化層４１２Ａの他方の面側に位置する本体層４１２Ｂと、を備えている。
表面硬化層４１２Ａは、回路層４１２の一方の面に露呈し、この一方の面から他方の面側（図１６において下側）に向けて延在しており、回路層４１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓに対して８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域である。ここで、本実施形態では、回路層４１２の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層４１２Ｂは、そのインデンテーション硬度Ｈｂが前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満とされた領域となる。
【０１１２】
なお、本実施形態では、回路層４１２のうちセラミックス基板４１１との接合界面近傍には、そのインデンテーション硬度Ｈｃが本体層４１２Ｂのインデンテーション硬度Ｈｂよりも高くされた界面近傍層４１２Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、表面硬化層４１２Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層４１２Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層４１２Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【０１１３】
また、表面硬化層４１２Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、この添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下とされている。なお、本実施形態では、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【０１１４】
回路層４１２においては、その一方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、他方の面側に向かうにしたがい含有量が低くなるように構成されている。この添加元素によって回路層４１２の一部が硬化され、上述の表面硬化層４１２Ａが形成されているのである。
一方、本体層４１２Ｂでは、上述の添加元素の含有量が少ないことからＡｌの純度が高く、変形抵抗が小さいままである。
【０１１５】
なお、セラミックス基板４１１側に位置する界面近傍層４１２Ｃにおいては、セラミックス基板４１１と金属板との接合において利用される元素が拡散することで、本体層４１２ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。本実施形態では、界面近傍層４１２Ｃには、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に含まれるＳｉが固溶している。
【０１１６】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板４１０の製造方法について、図１７のフロー図を参照して説明する。
【０１１７】
（固着工程Ｓ４１）
まず、固着層となる金属板の一方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する。
本実施形態では、添加元素としてＺｒを固着しており、その固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【０１１８】
（加熱工程Ｓ４２）
次に、固着層が形成された金属板を加熱炉によって加熱する。このときの加熱温度は、５５０℃〜６５０℃に設定されている。
この加熱工程Ｓ４２により、金属板の固着層に含有された添加元素（本実施形態ではＺｒ）が金属板の他方の面側に向けて拡散していく。これにより、回路層となる金属板には、表面硬化層４１２Ａ、本体層４１２Ｂが形成されることになる。
【０１１９】
（積層工程Ｓ４３）
次に、セラミックス基板４１１の一面側に、添加元素を拡散させた金属板を、厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層し、セラミックス基板３１１の他面側に、金属層４１３となる金属板を厚さ１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔を介して積層して、積層体を形成する。なお、本実施形態においては、ろう材箔は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
【０１２０】
（接合加熱工程Ｓ４４）
次に、積層工程Ｓ４３において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱し、金属板とセラミックス基板４１１との界面にそれぞれ溶融金属領域を形成する。
なお、本実施形態では、加熱炉内の雰囲気をＮ２ガス雰囲気としており、加熱温度は、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。すなわち、前述の加熱工程Ｓ４２よりも低い温度とされているのである。
【０１２１】
（凝固工程Ｓ４５）
次に、積層体を冷却することによって溶融金属層を凝固させ、セラミックス基板４１１と金属板とを接合する。このようにして、回路層４１２及び金属層４１３となる金属板とセラミックス基板４１１とが接合される。このとき、ろう材箔に含まれるＳｉが拡散することで、回路層４１２には、接合近傍層４１２Ｃが形成される。
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４１０が製出される。
【０１２２】
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４１０においては、回路層４１２の一方の面に表面硬化層４１２Ａが形成されているので、熱サイクル負荷時におけるうねりやシワの発生を抑制することが可能となる。また、回路層４１２は、表面硬化層４１２Ａよりも硬度が低い本体層４１２Ｂを有しているので、熱サイクル負荷時の熱応力をこの本体層４１２Ｂの変形によって吸収することが可能となる。
【０１２３】
そして、本実施形態では、回路層４１２となる金属板に固着層を形成して加熱し、表面硬化層４１２Ａ及び本体層４１２Ｂを形成した後に、金属板をセラミックス基板４１１と接合させているので、金属板とセラミックス基板４１１との接合温度よりも高い温度条件で添加元素を拡散させることが可能となる。よって、添加元素として、アルミニウム中の拡散速度が遅い元素（例えばＨｆ）を使用することができる。
【０１２４】
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、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素をスパッタによって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、めっき、蒸着、ＣＶＤ、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって添加元素を固着させてもよい。
【０１２５】
また、Ａｌとともに添加元素、第２添加元素、活性元素を固着してもよい。この場合、Ｃａ及びＬｉ等の酸化しやすい元素であっても確実に固着させることが可能となる。なお、前記添加元素とともにＡｌを固着させるには、前記添加元素とＡｌとを同時に蒸着してもよいし、前記添加元素とＡｌの合金をターゲットとして用いてスパッタリングを行ってもよい。
【０１２６】
また、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、又はアルミニウムを含む複合材等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く、種々の構成のヒートシンクを用いることができる。
【０１２７】
また、第２、第３の実施形態において、セラミックス基板と金属板との接合を、Ｎ２雰囲気の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、真空炉を用いてセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。この場合の真空度は、１０−６〜１０−３Ｐａの範囲内とすることが好ましい。
【０１２８】
さらに、第２の実施形態において、セラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３を使用し、セラミックス基板と金属板との接合界面に活性元素を含む酸化物層を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、セラミックス基板としてＡｌＮやＳｉ３Ｎ４を使用し、セラミックス基板と金属板との接合界面に活性元素を含む窒化物層を形成したものであってもよい。
【実施例】
【０１２９】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
まず、厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板の一方の面に、表１に示す添加元素を固着し、加熱することで表面硬化層及び本体層を形成した。表１に、添加元素の固着量、加熱条件を示す。
【０１３０】
【表１】
【０１３１】
金属板に形成された表面硬化層及び本体層について、表面硬化層の一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ、表面硬化層の厚さ、本体層のインデンテーション硬度Ｈｂ、本体層の厚さを評価した。なお、本体層のインデンテーション硬度Ｈｂは、金属板の面中央における金属板の厚さ方向中央部を測定した。
また、表面硬化層を形成しない４Ｎアルミニウムからなる金属板を比較例１とした。さらに、Ｓｉを１質量％含むアルミニウム合金からなる金属板を比較例２とした。これら比較例１Ａ、２Ａについても、上述の表面硬化層の一方の面に相当する位置、及び、本体層に相当する位置で、それぞれインデンテーション硬度を測定した。結果を表２に示す。
結果を表２に示す。
【０１３２】
【表２】
【０１３３】
試料１−４について、いずれも金属板の表面に表面硬化層が形成され、その表面硬化層に積層するように、表面硬化層よりも硬度の低い本体層が形成された。
【０１３４】
次に、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板に、回路層として、厚さ０．６ｍｍの金属板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる金属板を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
ここで、表１及び表２の試料１、２の金属板を用いて回路層を形成したものを本発明例１、２とした。
また、表２の比較例１Ａの金属板を用いて回路層を形成したものを比較例１Ｂとした。さらに、表２の比較例２Ａの金属板を用いて回路層を形成したものを比較例２Ｂとした。
【０１３５】
そして、これらの試験片を用いて熱サイクル試験を実施した。具体的には、冷熱サイクル（−４５℃−１２５℃）を２０００回繰り返した後に、試験片を観察し、回路層表面のうねり状態、セラミックス基板と回路層との間の接合率を評価した。結果を表３に示す。
なお、うねりについては、半径が２μｍの球状先端を有し、テーパ角が９０°の円錐を触針として用い、２．５（ｍｍ／基準長さ）×５区間の距離を、荷重４ｍＮ，速度１ｍｍ／ｓで表面を走査して区間平均の粗さ曲線を測定し、その十点平均粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）を算出した。
また、接合率は、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である。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【０１３６】
【表３】
【０１３７】
比較例１Ｂでは、接合率は高いものの回路層の表面にうねりが確認された。一方、比較例２Ｂでは、回路層表面のうねりは抑制されたが、接合率が低く接合信頼性に劣っていた。
これに対して、表面硬化層を形成した本発明例１、２においては、回路層表面のうねりが抑制され、かつ、接合率も高かった。
【符号の説明】
【０１３８】
１、１０１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１０、２１０、３１０、４１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１、４１１ セラミックス基板
１２、１１２、２１２、３１２、４１２ 回路層
１２Ａ、１１２Ａ、２１２Ａ、３１２Ａ、４１２Ａ 表面硬化層
１２Ｂ、１１２Ｂ、２１２Ｂ、３１２Ｂ、４１２Ｂ 本体層
４０、１４０ ヒートシンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一面に、アルミニウムからなる回路層が配設され、この回路層の一方の面上に電子部品が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、本体層と、前記一方の面側に露呈するように配置された表面硬化層と、を有しており、
前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、
前記回路層のうち、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域が前記表面硬化層とされており、
前記表面硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、
前記本体層のインデンテーション硬度Ｈｂが、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満と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】
前記表面硬化層の厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされており、前記本体層の厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下と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】
前記表面硬化層における前記添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％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ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の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されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板の前記一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記回路層を加熱して、前記回路層の内部に向けて前記添加元素を拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成する加熱工程と、
を備えてい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６】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面側に、ろう材を介して前記セラミックス基板を積層する積層工程と、
積層された前記セラミックスと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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層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】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着して第２固着層を形成する第２固着工程と、
前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層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】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素と、を固着し、これら第２添加元素及び活性元素を含有する第２固着層を形成する第２固着工程と、
前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックスと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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記金属板に前記添加元素を拡散させることにより、前記金属板の表層に金属硬化層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９】
前記固着工程では、前記添加元素とともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって前記添加元素を固着し、前記固着層を形成することを特徴とする請求項５から請求項９のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１１】
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を冷却するヒートシンクと、を備えた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。
【請求項１２】
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１】
セラミックス基板の一面に、アルミニウムからなる回路層が配設され、この回路層の一方の面上に電子部品が配設されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、本体層と、前記一方の面側に露呈するように配置された表面硬化層と、を有しており、
前記回路層の前記一方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓが５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定され、
前記回路層のうち、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％以上のインデンテーション硬度を有する領域が前記表面硬化層とされており、
前記表面硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有しており、
前記本体層のインデンテーション硬度Ｈｂが、前記インデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満と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】
前記表面硬化層の厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされており、前記本体層の厚さが１００μｍ以上１５００μｍ以下と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】
前記表面硬化層における前記添加元素の含有量の合計が０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％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ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の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されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板の前記一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記回路層を加熱して、前記回路層の内部に向けて前記添加元素を拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層を形成する加熱工程と、
を備えてい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６】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面側に、ろう材を介して前記セラミックス基板を積層する積層工程と、
積層された前記セラミックスと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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層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】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の第２添加元素を固着して第２固着層を形成する第２固着工程と、
前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックス基板と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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記加熱工程において、前記固着層の前記添加元素を、前記回路層の内部に向けて拡散させることにより、前記回路層の前記一方の面に表面硬化層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】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板を製造するパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層となる金属板の一方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着し、この添加元素を含有する固着層を形成する固着工程と、
前記金属板の他方の面又は前記セラミックス基板の一面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ及びＧｅから選択される１種又は２種以上の第２添加元素と、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ及びＭｏから選択される１種又は２種以上の活性元素と、を固着し、これら第２添加元素及び活性元素を含有する第２固着層を形成する第２固着工程と、
前記第２固着層を介して、前記セラミックス基板と前記金属板とを積層する積層工程と、
積層された前記セラミックスと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と前記金属板との界面に溶融金属領域を形成する加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記セラミックス基板と前記金属板とを接合する凝固工程と、を有し、
前記金属板に前記添加元素を拡散させることにより、前記金属板の表層に金属硬化層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９】
前記固着工程では、前記添加元素とともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、前記添加元素を含有する粉末が分散されたペースト若しくはインクの塗布によって前記添加元素を固着し、前記固着層を形成することを特徴とする請求項５から請求項９のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１１】
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を冷却するヒートシンクと、を備えた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。
【請求項１２】
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。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−１８１８４６（Ｐ２０１１−１８１８４６Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４７１１４（Ｐ２０１０−４７１１４）
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【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９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【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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