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、金属層の表面にうねりやシワが発生することを抑制できる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の一方の面にアルミニウムからなる回路層１２が配設され、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウムからなる金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０であって、金属層１３は、セラミックス基板１１と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に露呈するように形成された硬化層１３Ａを有しており、金属層１３の前記他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、金属層１３のうち、前記他方の面における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硬化層１３Ａとされている。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面にアルミニウムからなる回路層１２が配設され、セラミックス基板１１の他方の面にアルミニウムからなる金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０であって、金属層１３は、セラミックス基板１１と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に露呈するように形成された硬化層１３Ａを有しており、金属層１３の前記他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、金属層１３のうち、前記他方の面における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硬化層１３Ａとされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設さ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１−３に示すように、セラミックス基板の一方の面に回路層となる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、セラミックス基板の他方の面に金属層となる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。これらのパワーモジュール用基板においては、金属層の他方の面側にはんだ層を介して銅製の放熱板（ヒートシンク）が接合される。
また、例えば特許文献４に示すように、セラミックス基板の一方の面及び他方の面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及び金属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。
【０００３】
ここで、上述のパワーモジュールにおいては、その使用時に熱サイクルが負荷されることになる。ここで、パワーモジュール用基板に熱サイクルが負荷された場合には、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金属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った。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金属層を構成して上述の熱応力を金属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２００７−３１１５２６号公報
【特許文献２】特開２００８−２２７３３６号公報
【特許文献３】特開２００６−２４５３４７号公報
【特許文献４】特開２００２−３２９８１４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、金属層を純度が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、金属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。このように金属層の表面にうねりやシワが発生すると、ヒートシンクとの間に介在する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、金属層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。
【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、金属層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、ヒートシンクとの接合信頼性を向上させることが可能な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方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に露呈するように形成された硬化層を有しており、前記金属層の前記他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、前記金属層のうち、前記他方の面における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硬化層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、はんだ層が形成される金属層の他方の面側に硬化層が形成されており、この硬化層のインデンテーション硬度が、前記金属層の他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、金属層の他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。
よって、ヒートシンクとの間に介在するはんだ層におけるクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００１０】
ここで、前記硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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ことが好ましい。
この場合、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ができ、上述の硬化層を確実に形成することができる。
【００１１】
また、前記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、硬化層が、上述の添加元素を合計で０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で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硬化層を形成することが可能となる。
【００１２】
また、金属層は、前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満のインデンテーション硬度を有する本体層を有していることが好ましい。
この場合、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金属層との接合信頼性を向上させることができる。
なお、硬化層の厚さを１μｍ以上３００μｍ以下の範囲内とすることにより、金属層の他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。一方、本体層の厚さを１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とすることにより、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。
【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、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、前記金属層を加熱して、前記金属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、前記金属層の前記他方の面側に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、金属層の他方の面に形成された固着層に含有されるＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を金属層の内部へと拡散させることにより、金属層の他方の面側に添加元素を分散させることができ、金属層の他方の面側に硬化層を形成することができる。
【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、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、前記金属板の一方の面側に、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、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に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、前記金属層となる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、金属板の他方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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硬化層を形成することができる。よって、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、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、前記金属板の一方の面又は前記セラミックス基板の他方の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、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に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金属層を形成することができる。また、この加熱工程において、前記金属層となる金属板の他方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮ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硬化層を形成することができる。よって、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、前記金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合されたヒートシンクと、を備えており、前記ヒートシンクが銅からなる放熱板とされていることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、熱伝導性に優れた銅製の放熱板を備えているので、パワーモジュール用基板からの熱を効率的に拡げて放散させることができる。また、金属層とヒートシンクとの間に介在するはんだ層において、クラックの発生が抑制されるので、パワーモジュール用基板側の熱を確実にヒートシンクへと伝導させることができる。
【００２１】
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、金属層とヒートシンク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、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】
【００２２】
本発明によれば、熱サイクル負荷時に、金属層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、ヒートシンクとの接合信頼性を向上させることが可能な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】
【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金属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金属層（回路層）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】
【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及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に第２はんだ層４を介して接合された放熱板４０と、この放熱板４０の他方の面側に配設された冷却器５０と、を備えている。
ここで、第１はんだ層２及び第２はんだ層４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と第１はんだ層２との間、及び、金属層１３と第２はんだ層４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、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の一方の面（図２において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００２６】
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。
【００２７】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（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。
【００２８】
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（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。
【００２９】
放熱板４０は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器５０は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路５１を備えている。冷却器５０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。
なお、放熱板４０と冷却器５０とは、図１に示すように、固定ネジ４１によって締結されている。
【００３０】
そして、図２に示すように、金属層１３は、その他方の面（図２において下面）側に配設された硬化層１３Ａと、この硬化層１３Ａの一方の面側に位置する本体層１３Ｂと、を備えている。
硬化層１３Ａは、金属層１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図２において上側）に向けて延在しており、金属層１３の他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、金属層１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓは５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１３Ｂ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。
【００３１】
なお、本実施形態では、金属層１３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１３Ｂ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１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００３２】
また、硬化層１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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％以下の範囲内で含有している。
金属層１３においては、図３に示すように、その他方の面（図３において下面）が最も添加元素の含有量が高くなっており、一方の面側に向かうにしたがい添加元素の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金属層１３の一部が硬化され、上述の硬化層１３Ａが形成されているのである。
【００３３】
一方、本体層１３Ｂ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１３Ｃにおいては、セラミックス基板１１と金属板２３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１３ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
【００３４】
なお、本実施形態では、図２に示すように、回路層１２においても、その一方の面（図２おいて上面）側から順に、硬化層１２Ａ、本体層１２Ｂ、界面近傍層１２Ｃを備えている。回路層１２の硬化層１２Ａは、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。
また、硬化層１２Ａ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´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´は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】
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。
【００３６】
（固着工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、金属層１３となる金属板２３の他方の面及び回路層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，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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２３Ａ，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。
【００３７】
（積層工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側に、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の他方の面側に、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２３は、固着層２３Ａ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。
【００３８】
（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２３の固着層２３Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が金属板２３の一方の面側に向けて拡散していく。また、金属板２２の固着層２２Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が金属板２２の他方の面側に向けて拡散していく。
【００３９】
（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。
【００４０】
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、金属層１３においては、固着層２３Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層１３Ａ及び本体層１３Ｂが形成される。また、ろう材箔２５に含まれるＳｉが拡散することで界面近傍層１３Ｃが形成される。同様に、回路層１２においては、固着層２２Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層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が拡散することで界面近傍層１２Ｃが形成される。
【００４１】
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、はんだ層４を介して放熱板４０が接合され、この放熱板４０が固定ネジ４１によって冷却器５０に締結される。また、回路層１２の一方の面にはんだ層２を介して半導体チップ３を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００４２】
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、金属層１３の他方の面側に、硬化層１３Ａが形成されており、金属層１３の他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％以上の領域が硬化層１３Ａとされているので、金属層１３の他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。よって、この金属層１３の他方の面と放熱板４０との間に介在されたはんだ層４におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００４３】
また、金属層１３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１３Ｂ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１３Ｂ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と金属層１３との接合信頼性を向上させることができる。
【００４４】
さらに、硬化層１３Ａの厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされていることから、金属層１３の他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１３Ｂ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１３Ｂ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、金属層１３の表面のうねりやシワの発生を抑制でき、放熱板４０との間に介在されるはんだ層４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と金属層１３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。
【００４５】
この硬化層１３Ａにおいては、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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％以下の範囲内で含有しているので、この添加元素（Ｚｒ）によって金属板２３を硬化させることができ、金属層１３の他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。
【００４６】
また、金属層１３となる金属板２３の他方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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（Ｚｒ）を含有する固着層２３Ａを形成し、この金属板２３を加熱することで添加元素（Ｚｒ）を拡散させているので、金属層１３の他方の面側において添加元素の含有量が高くなり、上述した硬化層１３Ａを形成することができる。また、添加元素の含有量は、他方の面から離れるに従い低くなることから、硬化層１３Ａに積層されるように、上述の本体層１３Ｂが形成されることになる。
【００４７】
さらに、本実施形態では、回路層１２の一方の面側に、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硬化層１２Ａが形成されているので、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。よって、この回路層１２の一方の面と半導体チップ３との間に介在されたはんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、回路層１２は、インデンテーション硬度Ｈｂ´が、回路層１２の一方の面の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、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。
【００４８】
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２３Ａ，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。
【００４９】
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及び金属層１１３が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図７において上面）に第１はんだ層１０２を介して接合された半導体チップ１０３と、金属層１１３の他方の面（図７において下面）に第２はんだ層１０４を介して接合された放熱板１４０と、を備えている。なお、放熱板１４０は、熱伝導性に優れた銅板とされている。
第１はんだ層１０２及び第２はんだ層１０４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と第１はんだ層１０２との間、及び、金属層１１３と第２はんだ層１０４との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００５０】
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８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８において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
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。
【００５１】
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（図１１において上面）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（図１１において下面）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。
【００５２】
そして、図８に示すように、金属層１１３は、その他方の面側に配設された硬化層１１３Ａと、この硬化層１１３Ａの一方の面側に位置する本体層１１３Ｂと、を備えている。
硬化層１１３Ａは、金属層１１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側に向けて延在しており、金属層１１３の他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、金属層１１３の他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１１３Ｂ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。
【００５３】
なお、本実施形態では、金属層１１３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１１３Ｂ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１１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層１１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００５４】
また、硬化層１１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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Ｆｅを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。
【００５５】
金属層１１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一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金属層１１３の一部が硬化され、上述の硬化層１１３Ａが形成されている。
一方、本体層１１３Ｂでは、上述の添加元素（Ｆｅ）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。
【００５６】
なお、セラミックス基板１１１側に位置する界面近傍層１１３Ｃにおいては、セラミックス基板１１１と金属板１２３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１１３Ｂ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１１３Ｃ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１１３Ｃ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。
【００５７】
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１１３Ｃ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１１３Ｃ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。
【００５８】
また、セラミックス基板１１１と金属層１１３（金属板１２３）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。
【００５９】
なお、本実施形態では、回路層１１２となる金属板１２２とセラミックス基板１１１との接合についても、金属層１１３となる金属板１２３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、回路層１１２の接合界面近傍にも第２添加元素（Ｃｕ，Ｇｅ）が固溶している。
【００６０】
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。
【００６１】
（第１固着工程Ｓ１１）
まず、図１１に示すように、金属層１１３となる金属板１２３の他方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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１２３Ａを形成する。
本実施形態では、添加元素としてＦｅを固着しており、その固着量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２以上１．６ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【００６２】
（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。
【００６３】
（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が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。
【００６４】
（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１〜３５ｋｇｆ／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。
【００６５】
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１２３の固着層１２３Ａに含有された添加元素（本実施形態ではＦｅ）が金属板１２３の一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。
【００６６】
（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、いわゆる過渡液相接合（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。
【００６７】
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、金属層１１３においては、固着層１２３Ａに含有された添加元素（Ｆｅ）が拡散することで硬化層１１３Ａ及び本体層１１３Ｂが形成される。また、第２固着層１２５に含まれるＣｕ及びＧｅが拡散することで界面近傍層１１３Ｃが形成される。
【００６８】
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、はんだ層１０４を介して放熱板１４０が接合される。また、回路層１１２の表面にはんだ層１０２を介して半導体チップ１０３を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出される。
【００６９】
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、金属層１１３の他方の面側に硬化層１１３Ａが形成されているので、金属層１１３の他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。よって、この金属層１１３の他方の面と放熱板１４０との間に介在されたはんだ層１０４におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００７０】
また、金属層１１３に、前述の硬化層１１３Ａよりもインデンテーション硬度が低い本体層１１３Ｂ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１１３Ｂ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と金属層１１３との接合信頼性を向上させることができる。
【００７１】
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。
【００７２】
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１２３Ａ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。
【００７３】
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。
【００７４】
セラミックス基板２１１は、本実施形態ではＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されたものとしている。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。
【００７５】
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、Ｆｅ，Ｍｎを含有するアルミニウム合金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。
【００７６】
そして、図１２に示すように、金属層２１３は、その他方の面に露呈した硬化層２１３Ａを備えている。この硬化層２１３Ａは、金属層２１３の他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、金属層２１３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。
【００７７】
なお、本実施形態では、金属層２１３のうちセラミックス基板２１１との接合界面近傍には、界面近傍層２１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層２１３Ａの厚さｔｓが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされ、界面近傍層２１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００７８】
また、硬化層２１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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Ｆｅ及びＭｎを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。
【００７９】
なお、セラミックス基板２１１側に位置する界面近傍層２１３Ｃは、セラミックス基板２１１と金属板２１３との接合において利用される元素が拡散することによって形成されている。
詳述すると、界面近傍層２１３Ｃ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２１３Ｃ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。
【００８０】
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２１３Ｃ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２１３Ｃ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。
【００８１】
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。
【００８２】
（第２固着工程Ｓ２１）
まず、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添加元素を固着して、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。
【００８３】
（積層工程Ｓ２２）
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。
【００８４】
（加熱工程Ｓ２３）
次に、積層工程Ｓ２２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。
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。
【００８５】
（凝固工程Ｓ２４）
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、いわゆる過渡液相接合（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。
【００８６】
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。
【００８７】
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、金属層２１３の他方の面側に硬化層２１３Ａが形成されているので、金属層２１３の他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。よって、この金属層２１３の他方の面と放熱板との間に介在されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００８８】
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。
【００８９】
セラミックス基板３１１は、本実施形態では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。
【００９０】
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。
【００９１】
そして、図１４に示すように、金属層３１３は、その他方の面（図１４において下面）側に配設された硬化層３１３Ａと、この硬化層３１３Ａの一方の面側に位置する本体層３１３Ｂと、を備えている。
硬化層３１３Ａは、金属層３１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図１４において上側）に向けて延在しており、金属層３１３の他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、金属層３１３の他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３１３Ｂ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。
【００９２】
なお、本実施形態では、金属層３１３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３１３Ｂ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３１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層３１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層３１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層３１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００９３】
また、硬化層３１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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％以下の範囲内で含有している。
【００９４】
金属層３１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一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金属層３１３の一部が硬化され、上述の硬化層３１３Ａが形成されているのである。
一方、本体層３１３Ｂ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。
【００９５】
なお、セラミックス基板３１１側に位置する界面近傍層３１３Ｃ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３１３Ｂ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３１３Ｃ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。
【００９６】
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。
【００９７】
（積層工程Ｓ３１）
まず、セラミックス基板３１１の一方の面側に、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の他方の面側に、金属層３１３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。
【００９８】
（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。
【００９９】
（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、金属層３１３及び回路層３１２には、界面近傍層３１３Ｃ、３１２Ｃが形成される。
【０１００】
（固着工程Ｓ３４）
次に、金属層３１３の他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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をスパッタリングによって固着しており、その固着量をその固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【０１０１】
（加熱工程Ｓ３５）
そして、固着層が形成された金属層３１３を、接合されたセラミックス基板３１１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、金属層３１３の固着層に含有された添加元素（Ｚｒ）が金属層３１３の一方の面側に向けて拡散していく。これにより、金属層３１３には、固着層に含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層３１３Ａ及び本体層３１３Ｂ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３１０が製出される。
【０１０２】
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、金属層３１３の他方の面側に硬化層３１３Ａが形成されているので、金属層３１３の他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。
【０１０３】
また、金属層３１３は、硬化層３１３Ａよりも硬度が低い本体層３１３Ｂ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３１３Ｂ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３１１と金属層３１３との接合信頼性を向上させることができる。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
そして、図１６に示すように、金属層４１３は、その他方の面（図１６において下面）側に配設された硬化層４１３Ａと、この硬化層４１３Ａの他方の面側に位置する本体層４１３Ｂと、を備えている。
硬化層４１３Ａは、金属層４１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図１６において上側）に向けて延在しており、金属層４１３の他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、金属層４１３の他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４１３Ｂ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。
【０１０７】
なお、本実施形態では、金属層４１３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４１３Ｂ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４１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層４１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層４１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層４１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【０１０８】
また、硬化層４１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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Ｎｉを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【０１０９】
金属層４１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一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金属層４１３の一部が硬化され、上述の硬化層４１３Ａが形成されているのである。
一方、本体層４１３Ｂ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。
【０１１０】
なお、セラミックス基板４１１側に位置する界面近傍層４１３Ｃ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４１３Ｂ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４１３Ｃには、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に含まれるＳｉが固溶している。
【０１１１】
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。
【０１１２】
（固着工程Ｓ４１）
まず、金属層４１３となる金属板の他方の面にＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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Ｎｉをめっきによって固着しており、その固着量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２以上２．０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【０１１３】
（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、１５０℃〜６００℃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（Ｎｉ）が金属板の一方の面側に向けて拡散していく。これにより、金属層４１３となる金属板には、硬化層４１３Ａ、本体層４１３Ｂが形成されることになる。
【０１１４】
（積層工程Ｓ４３）
次に、セラミックス基板４１１の一方の面に、回路層４１２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４１１の他方の面に、固着層の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。
【０１１５】
（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。
【０１１６】
（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、金属層４１３には、界面近傍層４１３Ｃ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。
【０１１７】
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、金属層４１３の他方の面側に硬化層４１３Ａ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、金属層４１３は、硬化層４１３Ａよりも硬度が低い本体層４１３Ｂ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４１３Ｂの変形によって吸収することが可能となる。
【０１１８】
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、硬化層が含有する添加元素は、実施形態で具体的に記載したものに限定されることはなく、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上を用いてもよい。
また、スパッタやめっきによって固着層を形成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、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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
また、ヒートシンクとして銅製の放熱板を備えたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを用いたものであってもよい。
さらに、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。
【０１２１】
また、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】
【０１２２】
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他方の面に、表１に示す添加元素を固着し、加熱することで硬化層を形成した。表１に、添加元素の固着量、加熱条件を示す。
【０１２３】
【表１】
【０１２４】
金属板に形成された硬化層及び本体層について、硬化層の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ、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、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Ａとした。この比較例Ａについても、上述の硬化層の他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。
【０１２５】
【表２】
【０１２６】
試料１−２１について、いずれも金属板の表面に硬化層が形成され、その硬化層に積層するように、硬化層よりも硬度の低い本体層が形成された。
【０１２７】
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、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの金属板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの金属板を、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１，２，９，１０，１４，２１の金属板を用いて金属層を形成したものを本発明例１−６とした。
また、表２の比較例Ａの金属板を用いて金属層を形成したものを比較例Ｂとした。
【０１２８】
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、金属層表面のうねり状態、セラミックス基板と金属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
【０１２９】
【表３】
【０１３０】
比較例Ｂでは、接合率は高いものの金属層の表面にうねりが確認された。
これに対して、硬化層を形成した本発明例１−６においては、金属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】
【０１３１】
１、１０１ パワーモジュール
２、１０２ 第１はんだ層
３、１０３ 半導体チップ（電子部品）
４、１０４ 第２はんだ層
１０、１１０、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
１３、１１３、２１３、３１３、４１３ 金属層
１３Ａ、１１３Ａ、２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａ 硬化層
１３Ｂ、１１３Ｂ、３１３Ｂ、４１３Ｂ 本体層
４０、１４０ 放熱板（ヒートシンク）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設さ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１−３に示すように、セラミックス基板の一方の面に回路層となる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、セラミックス基板の他方の面に金属層となる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。これらのパワーモジュール用基板においては、金属層の他方の面側にはんだ層を介して銅製の放熱板（ヒートシンク）が接合される。
また、例えば特許文献４に示すように、セラミックス基板の一方の面及び他方の面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及び金属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。
【０００３】
ここで、上述のパワーモジュールにおいては、その使用時に熱サイクルが負荷されることになる。ここで、パワーモジュール用基板に熱サイクルが負荷された場合には、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金属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った。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金属層を構成して上述の熱応力を金属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２００７−３１１５２６号公報
【特許文献２】特開２００８−２２７３３６号公報
【特許文献３】特開２００６−２４５３４７号公報
【特許文献４】特開２００２−３２９８１４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、金属層を純度が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、金属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。このように金属層の表面にうねりやシワが発生すると、ヒートシンクとの間に介在する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、金属層の表面にうねりやシワが発生しやすい傾向にある。
【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、金属層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、ヒートシンクとの接合信頼性を向上させることが可能な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方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板であって、前記金属層は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に露呈するように形成された硬化層を有しており、前記金属層の前記他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、前記金属層のうち、前記他方の面における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硬化層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、はんだ層が形成される金属層の他方の面側に硬化層が形成されており、この硬化層のインデンテーション硬度が、前記金属層の他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、金属層の他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。
よって、ヒートシンクとの間に介在するはんだ層におけるクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００１０】
ここで、前記硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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ことが好ましい。
この場合、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ができ、上述の硬化層を確実に形成することができる。
【００１１】
また、前記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、硬化層が、上述の添加元素を合計で０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で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硬化層を形成することが可能となる。
【００１２】
また、金属層は、前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満のインデンテーション硬度を有する本体層を有していることが好ましい。
この場合、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金属層との接合信頼性を向上させることができる。
なお、硬化層の厚さを１μｍ以上３００μｍ以下の範囲内とすることにより、金属層の他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。一方、本体層の厚さを１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲内とすることにより、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。
【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、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、前記金属層を加熱して、前記金属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、前記金属層の前記他方の面側に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、金属層の他方の面に形成された固着層に含有されるＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を金属層の内部へと拡散させることにより、金属層の他方の面側に添加元素を分散させることができ、金属層の他方の面側に硬化層を形成することができる。
【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、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、前記金属板の一方の面側に、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、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に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、前記金属層となる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、金属板の他方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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硬化層を形成することができる。よって、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、前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、前記金属板の一方の面又は前記セラミックス基板の他方の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、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に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金属層を形成することができる。また、この加熱工程において、前記金属層となる金属板の他方の面側に固着されたＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮ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硬化層を形成することができる。よって、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、前記金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合されたヒートシンクと、を備えており、前記ヒートシンクが銅からなる放熱板とされていることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、熱伝導性に優れた銅製の放熱板を備えているので、パワーモジュール用基板からの熱を効率的に拡げて放散させることができる。また、金属層とヒートシンクとの間に介在するはんだ層において、クラックの発生が抑制されるので、パワーモジュール用基板側の熱を確実にヒートシンクへと伝導させることができる。
【００２１】
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、金属層とヒートシンク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、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】
【００２２】
本発明によれば、熱サイクル負荷時に、金属層の表面にうねりやシワが発生することを抑制でき、ヒートシンクとの接合信頼性を向上させることが可能な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】
【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金属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金属層（回路層）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】
【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及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に第１はんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、金属層１３の他方の面（図１において下面）に第２はんだ層４を介して接合された放熱板４０と、この放熱板４０の他方の面側に配設された冷却器５０と、を備えている。
ここで、第１はんだ層２及び第２はんだ層４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と第１はんだ層２との間、及び、金属層１３と第２はんだ層４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、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の一方の面（図２において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００２６】
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。
【００２７】
回路層１２は、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（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。
【００２８】
金属層１３は、図５に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（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。
【００２９】
放熱板４０は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、本実施形態では、熱伝導性に優れた銅板とされている。
冷却器５０は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路５１を備えている。冷却器５０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。
なお、放熱板４０と冷却器５０とは、図１に示すように、固定ネジ４１によって締結されている。
【００３０】
そして、図２に示すように、金属層１３は、その他方の面（図２において下面）側に配設された硬化層１３Ａと、この硬化層１３Ａの一方の面側に位置する本体層１３Ｂと、を備えている。
硬化層１３Ａは、金属層１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図２において上側）に向けて延在しており、金属層１３の他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、金属層１３の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓは５０ｍｇｆ／μｍ２以上２００ｍｇｆ／μｍ２以下の範囲内に設定されている。
本体層１３Ｂ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。
【００３１】
なお、本実施形態では、金属層１３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１３Ｂ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１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００３２】
また、硬化層１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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％以下の範囲内で含有している。
金属層１３においては、図３に示すように、その他方の面（図３において下面）が最も添加元素の含有量が高くなっており、一方の面側に向かうにしたがい添加元素の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金属層１３の一部が硬化され、上述の硬化層１３Ａが形成されているのである。
【００３３】
一方、本体層１３Ｂ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１３Ｃにおいては、セラミックス基板１１と金属板２３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１３ＢよりもＡｌの純度が低くなっている。
【００３４】
なお、本実施形態では、図２に示すように、回路層１２においても、その一方の面（図２おいて上面）側から順に、硬化層１２Ａ、本体層１２Ｂ、界面近傍層１２Ｃを備えている。回路層１２の硬化層１２Ａは、添加元素としてＺｒを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。
また、硬化層１２Ａ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´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´は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】
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。
【００３６】
（固着工程Ｓ０１）
まず、図５に示すように、金属層１３となる金属板２３の他方の面及び回路層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，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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２３Ａ，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。
【００３７】
（積層工程Ｓ０２）
次に、図５に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側に、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の他方の面側に、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２３は、固着層２３Ａ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。
【００３８】
（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２３の固着層２３Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が金属板２３の一方の面側に向けて拡散していく。また、金属板２２の固着層２２Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が金属板２２の他方の面側に向けて拡散していく。
【００３９】
（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。
【００４０】
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、金属層１３においては、固着層２３Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層１３Ａ及び本体層１３Ｂが形成される。また、ろう材箔２５に含まれるＳｉが拡散することで界面近傍層１３Ｃが形成される。同様に、回路層１２においては、固着層２２Ａに含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層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が拡散することで界面近傍層１２Ｃが形成される。
【００４１】
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、はんだ層４を介して放熱板４０が接合され、この放熱板４０が固定ネジ４１によって冷却器５０に締結される。また、回路層１２の一方の面にはんだ層２を介して半導体チップ３を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００４２】
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、金属層１３の他方の面側に、硬化層１３Ａが形成されており、金属層１３の他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％以上の領域が硬化層１３Ａとされているので、金属層１３の他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。よって、この金属層１３の他方の面と放熱板４０との間に介在されたはんだ層４におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００４３】
また、金属層１３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１３Ｂ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１３Ｂ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と金属層１３との接合信頼性を向上させることができる。
【００４４】
さらに、硬化層１３Ａの厚さが１μｍ以上３００μｍ以下とされていることから、金属層１３の他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１３Ｂ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１３Ｂ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、金属層１３の表面のうねりやシワの発生を抑制でき、放熱板４０との間に介在されるはんだ層４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と金属層１３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。
【００４５】
この硬化層１３Ａにおいては、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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％以下の範囲内で含有しているので、この添加元素（Ｚｒ）によって金属板２３を硬化させることができ、金属層１３の他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。
【００４６】
また、金属層１３となる金属板２３の他方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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（Ｚｒ）を含有する固着層２３Ａを形成し、この金属板２３を加熱することで添加元素（Ｚｒ）を拡散させているので、金属層１３の他方の面側において添加元素の含有量が高くなり、上述した硬化層１３Ａを形成することができる。また、添加元素の含有量は、他方の面から離れるに従い低くなることから、硬化層１３Ａに積層されるように、上述の本体層１３Ｂが形成されることになる。
【００４７】
さらに、本実施形態では、回路層１２の一方の面側に、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硬化層１２Ａが形成されているので、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。よって、この回路層１２の一方の面と半導体チップ３との間に介在されたはんだ層２におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、回路層１２は、インデンテーション硬度Ｈｂ´が、回路層１２の一方の面の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、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。
【００４８】
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２３Ａ，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。
【００４９】
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及び金属層１１３が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の一方の面（図７において上面）に第１はんだ層１０２を介して接合された半導体チップ１０３と、金属層１１３の他方の面（図７において下面）に第２はんだ層１０４を介して接合された放熱板１４０と、を備えている。なお、放熱板１４０は、熱伝導性に優れた銅板とされている。
第１はんだ層１０２及び第２はんだ層１０４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と第１はんだ層１０２との間、及び、金属層１１３と第２はんだ層１０４との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００５０】
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８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８において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
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。
【００５１】
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（図１１において上面）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（図１１において下面）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。
【００５２】
そして、図８に示すように、金属層１１３は、その他方の面側に配設された硬化層１１３Ａと、この硬化層１１３Ａの一方の面側に位置する本体層１１３Ｂと、を備えている。
硬化層１１３Ａは、金属層１１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側に向けて延在しており、金属層１１３の他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、金属層１１３の他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１１３Ｂ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。
【００５３】
なお、本実施形態では、金属層１１３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１１３Ｂ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１１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層１１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層１１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層１１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００５４】
また、硬化層１１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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Ｆｅを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。
【００５５】
金属層１１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一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金属層１１３の一部が硬化され、上述の硬化層１１３Ａが形成されている。
一方、本体層１１３Ｂでは、上述の添加元素（Ｆｅ）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。
【００５６】
なお、セラミックス基板１１１側に位置する界面近傍層１１３Ｃにおいては、セラミックス基板１１１と金属板１２３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１１３Ｂ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１１３Ｃ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１１３Ｃ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。
【００５７】
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１１３Ｃ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１１３Ｃ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。
【００５８】
また、セラミックス基板１１１と金属層１１３（金属板１２３）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。
【００５９】
なお、本実施形態では、回路層１１２となる金属板１２２とセラミックス基板１１１との接合についても、金属層１１３となる金属板１２３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、回路層１１２の接合界面近傍にも第２添加元素（Ｃｕ，Ｇｅ）が固溶している。
【００６０】
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。
【００６１】
（第１固着工程Ｓ１１）
まず、図１１に示すように、金属層１１３となる金属板１２３の他方の面に、スパッタリングによって、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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１２３Ａを形成する。
本実施形態では、添加元素としてＦｅを固着しており、その固着量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２以上１．６ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【００６２】
（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。
【００６３】
（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が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。
【００６４】
（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１〜３５ｋｇｆ／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。
【００６５】
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１２３の固着層１２３Ａに含有された添加元素（本実施形態ではＦｅ）が金属板１２３の一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。
【００６６】
（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、いわゆる過渡液相接合（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。
【００６７】
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、金属層１１３においては、固着層１２３Ａに含有された添加元素（Ｆｅ）が拡散することで硬化層１１３Ａ及び本体層１１３Ｂが形成される。また、第２固着層１２５に含まれるＣｕ及びＧｅが拡散することで界面近傍層１１３Ｃが形成される。
【００６８】
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、はんだ層１０４を介して放熱板１４０が接合される。また、回路層１１２の表面にはんだ層１０２を介して半導体チップ１０３を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１０１が製出される。
【００６９】
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、金属層１１３の他方の面側に硬化層１１３Ａが形成されているので、金属層１１３の他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。よって、この金属層１１３の他方の面と放熱板１４０との間に介在されたはんだ層１０４におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００７０】
また、金属層１１３に、前述の硬化層１１３Ａよりもインデンテーション硬度が低い本体層１１３Ｂ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１１３Ｂ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と金属層１１３との接合信頼性を向上させることができる。
【００７１】
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。
【００７２】
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１２３Ａ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。
【００７３】
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。
【００７４】
セラミックス基板２１１は、本実施形態ではＳｉ３Ｎ４（窒化珪素）で構成されたものとしている。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。
【００７５】
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、Ｆｅ，Ｍｎを含有するアルミニウム合金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。
【００７６】
そして、図１２に示すように、金属層２１３は、その他方の面に露呈した硬化層２１３Ａを備えている。この硬化層２１３Ａは、金属層２１３の他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、金属層２１３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。
【００７７】
なお、本実施形態では、金属層２１３のうちセラミックス基板２１１との接合界面近傍には、界面近傍層２１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層２１３Ａの厚さｔｓが１００μｍ以上１５００μｍ以下とされ、界面近傍層２１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００７８】
また、硬化層２１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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Ｆｅ及びＭｎを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内で含有している。
【００７９】
なお、セラミックス基板２１１側に位置する界面近傍層２１３Ｃは、セラミックス基板２１１と金属板２１３との接合において利用される元素が拡散することによって形成されている。
詳述すると、界面近傍層２１３Ｃ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２１３Ｃ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。
【００８０】
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２１３Ｃ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２１３Ｃ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。
【００８１】
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。
【００８２】
（第２固着工程Ｓ２１）
まず、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添加元素を固着して、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。
【００８３】
（積層工程Ｓ２２）
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。
【００８４】
（加熱工程Ｓ２３）
次に、積層工程Ｓ２２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。
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。
【００８５】
（凝固工程Ｓ２４）
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、いわゆる過渡液相接合（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。
【００８６】
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。
【００８７】
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、金属層２１３の他方の面側に硬化層２１３Ａが形成されているので、金属層２１３の他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。よって、この金属層２１３の他方の面と放熱板との間に介在されたはんだ層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００８８】
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。
【００８９】
セラミックス基板３１１は、本実施形態では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。
【００９０】
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。
【００９１】
そして、図１４に示すように、金属層３１３は、その他方の面（図１４において下面）側に配設された硬化層３１３Ａと、この硬化層３１３Ａの一方の面側に位置する本体層３１３Ｂと、を備えている。
硬化層３１３Ａは、金属層３１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図１４において上側）に向けて延在しており、金属層３１３の他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、金属層３１３の他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３１３Ｂ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。
【００９２】
なお、本実施形態では、金属層３１３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３１３Ｂ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３１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層３１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層３１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層３１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【００９３】
また、硬化層３１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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％以下の範囲内で含有している。
【００９４】
金属層３１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一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金属層３１３の一部が硬化され、上述の硬化層３１３Ａが形成されているのである。
一方、本体層３１３Ｂ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。
【００９５】
なお、セラミックス基板３１１側に位置する界面近傍層３１３Ｃ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３１３Ｂ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３１３Ｃ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。
【００９６】
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。
【００９７】
（積層工程Ｓ３１）
まず、セラミックス基板３１１の一方の面側に、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の他方の面側に、金属層３１３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。
【００９８】
（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。
【００９９】
（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、金属層３１３及び回路層３１２には、界面近傍層３１３Ｃ、３１２Ｃが形成される。
【０１００】
（固着工程Ｓ３４）
次に、金属層３１３の他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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をスパッタリングによって固着しており、その固着量をその固着量を０．００２ｍｇ／ｃｍ２以上０．１５ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【０１０１】
（加熱工程Ｓ３５）
そして、固着層が形成された金属層３１３を、接合されたセラミックス基板３１１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、金属層３１３の固着層に含有された添加元素（Ｚｒ）が金属層３１３の一方の面側に向けて拡散していく。これにより、金属層３１３には、固着層に含有された添加元素（Ｚｒ）が拡散することで硬化層３１３Ａ及び本体層３１３Ｂ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３１０が製出される。
【０１０２】
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、金属層３１３の他方の面側に硬化層３１３Ａが形成されているので、金属層３１３の他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。
【０１０３】
また、金属層３１３は、硬化層３１３Ａよりも硬度が低い本体層３１３Ｂ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３１３Ｂ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３１１と金属層３１３との接合信頼性を向上させることができる。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
そして、図１６に示すように、金属層４１３は、その他方の面（図１６において下面）側に配設された硬化層４１３Ａと、この硬化層４１３Ａの他方の面側に位置する本体層４１３Ｂと、を備えている。
硬化層４１３Ａは、金属層４１３の他方の面に露呈し、この他方の面から一方の面側（図１６において上側）に向けて延在しており、金属層４１３の他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、金属層４１３の他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４１３Ｂ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。
【０１０７】
なお、本実施形態では、金属層４１３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４１３Ｂ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４１３Ｃが形成されている。
ここで、本実施形態では、硬化層４１３Ａの厚さｔｓが１μｍ以上３００μｍ以下とされ、本体層４１３Ｂの厚さｔｂが１００μｍ以上１５００μｍ以下、界面近傍層４１３Ｃの厚さｔｃが５０μｍ以上３００μｍ以下とされている。
【０１０８】
また、硬化層４１３Ａは、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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Ｎｉを０．２ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有している。
【０１０９】
金属層４１３においては、その他方の面が最も添加元素の含有量が高くなっており、一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金属層４１３の一部が硬化され、上述の硬化層４１３Ａが形成されているのである。
一方、本体層４１３Ｂ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。
【０１１０】
なお、セラミックス基板４１１側に位置する界面近傍層４１３Ｃ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４１３Ｂ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４１３Ｃには、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材に含まれるＳｉが固溶している。
【０１１１】
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。
【０１１２】
（固着工程Ｓ４１）
まず、金属層４１３となる金属板の他方の面にＺｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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Ｎｉをめっきによって固着しており、その固着量を０．０５ｍｇ／ｃｍ２以上２．０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定している。
【０１１３】
（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、１５０℃〜６００℃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（Ｎｉ）が金属板の一方の面側に向けて拡散していく。これにより、金属層４１３となる金属板には、硬化層４１３Ａ、本体層４１３Ｂが形成されることになる。
【０１１４】
（積層工程Ｓ４３）
次に、セラミックス基板４１１の一方の面に、回路層４１２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４１１の他方の面に、固着層の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。
【０１１５】
（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。
【０１１６】
（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、金属層４１３には、界面近傍層４１３Ｃ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。
【０１１７】
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、金属層４１３の他方の面側に硬化層４１３Ａ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、金属層４１３は、硬化層４１３Ａよりも硬度が低い本体層４１３Ｂ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４１３Ｂの変形によって吸収することが可能となる。
【０１１８】
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、硬化層が含有する添加元素は、実施形態で具体的に記載したものに限定されることはなく、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉから選択される１種又は２種以上を用いてもよい。
また、スパッタやめっきによって固着層を形成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、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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
また、ヒートシンクとして銅製の放熱板を備えたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを用いたものであってもよい。
さらに、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。
【０１２１】
また、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】
【０１２２】
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他方の面に、表１に示す添加元素を固着し、加熱することで硬化層を形成した。表１に、添加元素の固着量、加熱条件を示す。
【０１２３】
【表１】
【０１２４】
金属板に形成された硬化層及び本体層について、硬化層の他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓ、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、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Ａとした。この比較例Ａについても、上述の硬化層の他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。
【０１２５】
【表２】
【０１２６】
試料１−２１について、いずれも金属板の表面に硬化層が形成され、その硬化層に積層するように、硬化層よりも硬度の低い本体層が形成された。
【０１２７】
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、４Ｎアルミニウムからなる厚さ０．６ｍｍの金属板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの金属板を、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１，２，９，１０，１４，２１の金属板を用いて金属層を形成したものを本発明例１−６とした。
また、表２の比較例Ａの金属板を用いて金属層を形成したものを比較例Ｂとした。
【０１２８】
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、金属層表面のうねり状態、セラミックス基板と金属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
【０１２９】
【表３】
【０１３０】
比較例Ｂでは、接合率は高いものの金属層の表面にうねりが確認された。
これに対して、硬化層を形成した本発明例１−６においては、金属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】
【０１３１】
１、１０１ パワーモジュール
２、１０２ 第１はんだ層
３、１０３ 半導体チップ（電子部品）
４、１０４ 第２はんだ層
１０、１１０、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
１３、１１３、２１３、３１３、４１３ 金属層
１３Ａ、１１３Ａ、２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａ 硬化層
１３Ｂ、１１３Ｂ、３１３Ｂ、４１３Ｂ 本体層
４０、１４０ 放熱板（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方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属層は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に露呈するように形成された硬化層を有しており、
前記金属層の前記他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、前記金属層のうち、前記他方の面における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硬化層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】
前記硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記金属層は、前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満のインデンテーション硬度を有する本体層を有し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】
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４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６】
請求項１から請求項５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、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、
前記金属層を加熱して、前記金属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、前記金属層の前記他方の面側に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７】
請求項１から請求項５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、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、
前記金属板の一方の面側に、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、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に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５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、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、
前記金属板の一方の面又は前記セラミックス基板の他方の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、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に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】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合されたヒートシンクと、を備えており、前記ヒートシンクが銅からなる放熱板とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１０】
請求項１から請求項５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方の面にアルミニウムからなる回路層が配設され、前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板であって、
前記金属層は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に露呈するように形成された硬化層を有しており、
前記金属層の前記他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、前記金属層のうち、前記他方の面における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硬化層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】
前記硬化層は、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記金属層は、前記他方の面におけるインデンテーション硬度Ｈｓの８０％未満のインデンテーション硬度を有する本体層を有し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】
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４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６】
請求項１から請求項５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、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、
前記金属層を加熱して、前記金属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、前記金属層の前記他方の面側に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７】
請求項１から請求項５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、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、
前記金属板の一方の面側に、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、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に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５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、
前記金属層となる金属板は、前記セラミックス基板と接合する一方の面と、その反対面である他方の面を有しており、前記他方の面に、Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｌｉ及びＮｉ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、
前記金属板の一方の面又は前記セラミックス基板の他方の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、前記金属層の内部に向けて拡散させることにより、前記金属層の他方の面側に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】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合されたヒートシンクと、を備えており、前記ヒートシンクが銅からなる放熱板とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項１０】
請求項１から請求項５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２０１３−５８５３５（Ｐ２０１３−５８５３５Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９４８２６（Ｐ２０１１−１９４８２６）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【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２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【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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