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及びパワーモジュール
【課題】冷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、冷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の一方の面に回路層１２が接合されてなり、この回路層１２の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、回路層１２の断面の走査型電子顕微鏡観察において、回路層１２のうちセラミックス基板１１との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１２Ａが形成されており、回路層１２の一方の面側においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされていることを特徴とする。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が接合されてなり、この回路層１２の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、回路層１２の断面の走査型電子顕微鏡観察において、回路層１２のうちセラミックス基板１１との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１２Ａが形成されており、回路層１２の一方の面側においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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、回路層となるアルミニウム板が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、使用時に冷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、冷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、はんだ層を介して接合した半導体素子等の電子部品との接合が不十分となり、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、冷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さらに発生しやすい状況になっている。
【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、冷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、冷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回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、前記回路層の断面の走査型電子顕微鏡観察において、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層が形成されており、前記回路層の一方の面側においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされていることを特徴としている。
【０００８】
なお、回路層断面の走査型電子顕微鏡観察において観察される析出物粒子の粒径は、断面円形をなす粒径ｒの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子の粒径をｒとする。
また、析出物粒子の存在比率は、ＥＰＭＡの面分析あるいはマッピングにより析出物粒子を構成する元素を含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出する。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層がアルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、前記回路層の一方の面側においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされていることから、回路層の一方の面側部分が析出強化されることになる。よって、回路層の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、冷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、アルミニウムの母相には、アルミニウム以外の元素が固溶していてもよい。
【００１０】
また、回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層が形成されているので、回路層とセラミックス基板とが、良好に接合されることになる。また、析出物欠乏層においては、変形抵抗が小さくなることから、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層によって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
【００１１】
ここで、前記析出物欠乏層は、前記接合界面からの厚さが２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、前記析出物欠乏層の前記接合界面からの厚さが２μｍ以上とされているので、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層によって確実に緩和することができ、冷熱サイクル負荷時における回路層とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることができる。
また、前記析出物欠乏層の厚さは、セラミックス基板と回路層となるアルミニウム板とを接合する際における、これらセラミックス基板と回路層の界面に形成される溶融金属領域における溶融金属量によって決定される。よって、前記析出物欠乏層の前記接合界面からの厚さが５０μｍ以下とされている場合には、セラミックス基板と回路層となるアルミニウム板との界面に形成される溶融金属領域における溶融金属量が抑えられることになり、余剰な溶融金属による染みの発生を抑制することができる。
【００１２】
また、前記析出物粒子が、ＦｅとＭｎを含有していることが好ましい。
この場合、ＦｅとＭｎを含有する析出物粒子によって、回路層の一方の面側部分の変形抵抗を確実に高くすることができ、冷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、回路層を構成するアルミニウム合金として、例えばＡ３００３合金等を用いることができる。
【００１３】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板と、セラミックス基板とを、ろう材を介して積層する積層工程と、積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層を形成することを特徴としている。
【００１４】
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、回路層となるアルミニウム板とセラミックス基板との界面に介在させたろう材を溶融させることで、アルミニウム板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成し、凝固工程でこの溶融金属領域を凝固させているので、前記アルミニウム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、加熱工程において、溶融金属領域を形成しているので、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層を形成することが可能となる。すなわち、加熱工程において、ろう材が溶融するとともにアルミニウム板の一部も溶融し、溶融金属領域が形成されることになる。このとき、アルミニウム板中の析出物粒子が溶融金属領域に溶出し、析出物欠乏層が形成されることになる。ここで、ろう材箔の材質及び厚さ、加熱工程における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域における溶融金属量が変化し、前記析出物欠乏層の厚さが制御される。
【００１５】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板の接合面又はセラミックス基板の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して固着層を形成する固着工程と、この固着層を介して、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層する積層工程と、積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層を形成することを特徴としている。
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、加熱工程において、回路層となるアルミニウム板とセラミックス基板との界面に介在させた添加元素を回路層側に拡散させることで、溶融金属領域を形成し、凝固工程でこの溶融金属領域を凝固させているので、前記アルミニウム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、加熱工程において、溶融金属領域を形成しているので、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層を形成することが可能となる。すなわち、加熱工程において、添加元素が回路層側に拡散することでアルミニウム板の一部が溶融し、溶融金属領域が形成されることになる。このとき、アルミニウム板中の析出物粒子が溶融金属領域に溶出し、析出物欠乏層が形成されることになる。ここで、添加元素の固着量、加熱工程における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域における溶融金属量が変化し、前記析出物欠乏層の厚さが制御される。
また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素は、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、アルミニウム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。
【００１７】
ここで、前記固着工程では、前記添加元素とともにアルミニウム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アルミニウムを固着させているので、添加元素を確実に固着させることができる。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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、冷熱サイクル時において回路層の一方の面にうねりやシワが発生せず、回路層の一方の面に搭載された電子部品と回路層とを確実に接合することができる。よって、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】
【００２０】
本発明によれば、冷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、冷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】
【００２１】
【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の走査型電子顕微鏡によるＣＯＭＰＯ像である。
【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におけるアルミニウム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及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【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回路層及び金属層とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【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フロー図である。
【図１２】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１３】図１２におけるアルミニウム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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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。
【００２５】
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１、図２及び図５において上面）に、導電性を有するアルミニウム板２２が接合されることにより形成されている。
この回路層１２は、図３に示すように、アルミニウムの母相中に析出物粒子１２Ｃが分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、ＦｅとＭｎとを含む析出物粒子が分散されたアルミニウム合金（例えば、Ａ３００３合金）の圧延板からなるアルミニウム板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。なお、回路層１２の厚さは、０．１〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００２６】
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１、図２及び図５において下面）に、アルミニウム板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、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）の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、金属層１３の厚さは、０．１〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００２７】
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。
【００２８】
そして、図２に示すように、回路層１２は、セラミックス基板１１との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層１２Ａと、この析出物欠乏層１２Ａに積層する本体層１２Ｂと、を備えている。
ここで、析出物欠乏層１２Ａの接合界面からの厚さｔは、２μｍ≦ｔ≦５０μｍの範囲内に設定されている。
また、本体層１２Ｂは、回路層１２の一方の面（すなわち、半導体チップ３が搭載される搭載面）にまで延在している。
【００２９】
そして、回路層１２の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、図３に示すように、セラミックス基板１１との接合界面３０側部分に配設された析出物欠乏層１２Ａにおいては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％未満とされており、本体層１２Ｂにおいては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％以上とされている。すなわち、析出物欠乏層１２Ａと本体層１２Ｂとでは、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの分散状態が異なっているのである。
【００３０】
なお、回路層１２の断面の走査型電子顕微鏡観察において観察される析出物粒子１２Ｃの粒径は、断面円形をなす粒径ｒの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子１２Ｃの粒径をｒとした。
また、析出物粒子１２Ｃの存在比率は、ＥＰＭＡの面分析あるいはマッピングによりＦｅとＭｎを含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出した。
【００３１】
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。
【００３２】
（積層工程Ｓ０１）
まず、図４及び図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となるアルミニウム板２２（Ａ３００３合金の圧延板）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となるアルミニウム板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。
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（Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ）とされている。
【００３３】
（加熱工程Ｓ０２）
次に、積層工程Ｓ０１において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／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Ｓ０２によって、ろう材箔２４、２５とアルミニウム板２２、２３の一部とが溶融し、図６に示すように、アルミニウム板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。
この加熱工程Ｓ０２においては、ろう材箔２４が溶融するとともにアルミニウム板２２の一部も溶融し、溶融金属領域２６が形成されることになる。このとき、アルミニウム板２２中の析出物粒子１２Ｃが溶融金属領域２６に溶出し、上述の析出物欠乏層１２Ａが形成されることになる。
【００３４】
（凝固工程Ｓ０３）
次に、積層体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とアルミニウム板２２、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）がアルミニウム板２２、２３側へと拡散していくことになる。
このようにして、回路層１２及び金属層１３となるアルミニウム板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。
【００３５】
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。
【００３６】
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においては、回路層１２が、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金からなるアルミニウム板２２を接合することで構成されており、回路層１２の一方の面側（すなわち、半導体チップ３が搭載される搭載面）においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％以上とされた本体層１２Ｂが配設されていることから、回路層１２の一方の面側部分が析出強化されることになる。
したがって、回路層１２の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、冷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、一方の面上に搭載された半導体チップ３と回路層１２との間の接合信頼性を大幅に向上させることが可能となる。
【００３７】
また、回路層１２のうちセラミックス基板１１との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１２Ａが形成されているので、回路層１２とセラミックス基板１１とが良好に接合されることになる。また、析出物欠乏層１２Ａにおいては、析出物粒子１２Ｃの分散量が少なく変形抵抗が小さくなることから、セラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層１２Ａによって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。
【００３８】
さらに、本実施形態では、析出物欠乏層１２Ａの接合界面からの厚さｔが、ｔ≧２μｍとされているので、セラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層１２Ａによって確実に緩和することができ、冷熱サイクル負荷時における回路層１２とセラミックス基板１１との接合信頼性を向上させることができる。
また、析出物欠乏層１２Ａの厚さは、セラミックス基板１１と回路層１２の界面に形成される溶融金属領域２６における溶融金属量によって決定される。よって、析出物欠乏層１２Ａの接合界面からの厚さｔを、ｔ≦５０μｍとすることにより、セラミックス基板１１と回路層１２となるアルミニウム板２２との界面に形成される溶融金属領域２６における溶融金属量が抑えられることになり、余剰な溶融金属による染みの発生を抑制することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、回路層１２が、ＦｅとＭｎを含有する析出物粒子１２Ｃが分散されたアルミニウム合金（例えばＡ３００３合金）で構成されているので、回路層１１の一方の面側部分の変形抵抗を確実に高くすることができ、冷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。
【００４０】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、加熱工程Ｓ０２において、回路層１２となるアルミニウム板２２とセラミックス基板１１との界面に介在させたろう材２４を溶融させることで、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域２６を形成し、かつ、金属層１３となるアルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に介在させたろう材２５を溶融させることで、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域２７を形成し、凝固工程Ｓ０３において、これら溶融金属領域２６、２７を凝固させているので、アルミニウム板２２、２３とセラミックス基板１１とを接合することで、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出されることになる。
【００４１】
また、加熱工程Ｓ０２において、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域２６を形成することにより、回路層１２のうちセラミックス基板１１との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１２Ａを形成することが可能となる。ここで、ろう材箔２４の材質及び厚さ、加熱工程Ｓ０２における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域２６における溶融金属量が変化し、析出物欠乏層１２Ａの厚さを制御することが可能となる。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１３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。
【００４３】
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ＡｌＮ（窒化アルミ）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、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００４４】
図１２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アルミニウム板１２２が接合されることにより形成されている。
この回路層１１２は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、ＦｅとＭｎとを含む析出物粒子が分散されたアルミニウム合金（例えば、Ａ３００３合金）の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、回路層１１２の厚さは、０．１〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．４ｍｍに設定されている。
【００４５】
また、金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面にアルミニウム板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、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、金属層１１２の厚さは、０．１〜５．０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
【００４６】
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、天板部１４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４２とを備えている。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、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００４７】
そして、図８に示すように、回路層１１２は、セラミックス基板１１１との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層１１２Ａと、この析出物欠乏層１１２Ａに積層する本体層１１２Ｂと、を備えている。
ここで、析出物欠乏層１１２Ａの接合界面からの厚さｔは、２μｍ≦ｔ≦５０μｍの範囲内に設定されている。
また、本体層１１２Ｂは、回路層１１２の一方の面（すなわち、半導体チップ３が搭載される搭載面）にまで延在している。
【００４８】
そして、回路層１１２の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、セラミックス基板１１１との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層１１２Ａにおいては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされており、本体層１１２Ｂにおいては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされている。すなわち、析出物欠乏層１１２Ａと本体層１１２Ｂとでは、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の分散状態が異なっているのである。
【００４９】
なお、回路層１１２の断面を走査型電子顕微鏡で観察される析出物粒子の粒径は、断面円形をなす粒径ｒの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子の粒径をｒとした。
また、析出物粒子の存在比率は、ＥＰＭＡの面分析あるいはマッピングによりＦｅとＭｎを含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出した。
【００５０】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１１と回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）との接合界面１３０においては、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。
回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍には、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層１３３が形成されている。ここで、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の添加元素の濃度の合計が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
【００５１】
なお、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図９のグラフは、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
ここで、本実施形態では、Ｃｕを添加元素として用いており、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍のＣｕ濃度が０．０１質量％以上５質量％以下に設定されている。
【００５２】
また、セラミックス基板１１１と回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１０に示すように、接合界面１３０に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部１３２が形成されている。この添加元素高濃度部１３２においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）の２倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００５３】
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図１０に示すように、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）とは、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）のうち接合界面１３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ以上）離れた部分における添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）である。
【００５４】
また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１１２及び金属層１１３を構成するアルミニウム板１２２、１２３の結晶粒界とセラミックス基板１１１との接合界面１３０は測定対象とせず、回路層１１２及び金属層１１３を構成するアルミニウム板１２２、１２３の結晶粒とセラミックス基板１１１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
【００５５】
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００５６】
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１１から図１３を参照して説明する。
【００５７】
（固着工程Ｓ１１）
まず、図１１及び図１２に示すように、回路層１１２となるアルミニウム板１２２のセラミックス基板１１１との接合面及び金属層１１３となるアルミニウム板１２３のセラミックス基板１１１との接合面に、スパッタリングによって、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して固着層１２４、１２５を形成する。このとき、固着層１２４、１２５における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされている。
本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、固着層１２４、１２５における添加元素量（Ｃｕ量）は０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板１２３のうちヒートシンク１４０の天板部１４１との接合面にも、Ｃｕを固着することで固着層１２６を形成している。
【００５８】
（積層工程Ｓ１２）
次に、アルミニウム板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、アルミニウム板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１２に示すように、アルミニウム板１２２、１２３のうち固着層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、アルミニウム板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間に固着層１２４、１２５を介在させているのである。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板１２３の他方の面側に、固着層１２６を介して天板部１４１を積層する。
【００５９】
（加熱工程Ｓ１３）
次に、積層工程Ｓ１２において積層されたアルミニウム板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、天板部１４１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、図１３に示すように、アルミニウム板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１２７、１２８が形成される。これら溶融金属領域１２７、１２８は、固着層１２４、１２５のＣｕがアルミニウム板１２２、１２３側に拡散することによって、アルミニウム板１２２、１２３の固着層１２４、１２５近傍のＣｕ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。同様に、固着層１２６のＣｕがアルミニウム板１２３及び天板部１４１側に拡散することによってアルミニウム板１２３と天板部１４１との界面にも溶融金属領域が形成されることになる。
この加熱工程Ｓ１３においては、アルミニウム板１２２中の析出物粒子が溶融金属領域１２７に溶出し、上述の析出物欠乏層１１２Ａが形成されることになる。
【００６０】
（凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域１２７，１２８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１２７，１２８中のＣｕが、さらにアルミニウム板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１２７，１２８であった部分のＣｕ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とアルミニウム板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。
同様に、アルミニウム板１２３と天板部１４１との間に形成された溶融金属領域中のＣｕがアルミニウム板１２３及び天板部１４１側へと拡散していくことにより、凝固が進行していくことになる。
【００６１】
このようにして、回路層１１２及び金属層１１３となるアルミニウム板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、アルミニウム板１２３と天板部１４１とも接合されて、ヒートシンク付パワーモジュールが構成されることになる。すなわち、本実施形態では、パワーモジュール用基板１１０の形成と、ヒートシンク１４０の接合と、を同時に実施しているのである。
【００６２】
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、上述の第１の実施形態と同様に、回路層１１２が、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２２を接合することで構成されており、回路層１１２の一方の面側（すなわち、半導体チップ３が搭載される搭載面）に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされた本体層１１２Ｂが配設されていることから、回路層１１２の一方の面側部分が析出強化されることになり、冷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。
【００６３】
また、回路層１１２のうちセラミックス基板１１１との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１１２Ａが形成されているので、セラミックス基板１１１と回路層１１２との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層１１２Ａによって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１１の割れの発生を抑制することができる。
【００６４】
さらに、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶されているので、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０側部分が固溶強化することになり、回路層１１２及び金属層１１３部分での破断を防止することができる。
【００６５】
ここで、回路層１１２及び金属層１１３のうち接合界面１３０近傍における添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されているので、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板１１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層１１２及び金属層１１３で緩和することが可能となり、セラミックス基板１１１の割れの発生を抑制できる。
【００６６】
また、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、回路層１１２及び金属層１１３中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部１３２が形成されているので、界面近傍に存在する添加元素原子（Ｃｕ原子）により、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００６７】
また、添加元素高濃度部１３２を含む接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏの質量比が、分析した際のＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されているので、Ａｌと添加元素（Ｃｕ）との反応物が過剰に生成されることがなく、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合を良好に行うことができる。また、この反応物によって回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍が必要以上に強化されることがなく、熱応力を確実に吸収することが可能となり、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板１１１の割れの発生を抑制することができる。
【００６８】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、加熱工程Ｓ１３において、回路層１１２となるアルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１との界面に介在させた添加元素（Ｃｕ）を回路層１１２側に拡散させることで、溶融金属領域１２７を形成し、凝固工程Ｓ１４でこの溶融金属領域１２７を凝固させているので、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１とを接合することで回路層１１２を形成することができる。また、加熱工程Ｓ１３において、溶融金属領域１２７を形成する際に、回路層１１２のうちセラミックス基板１１１との接合界面１３０部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１１２Ａを形成することが可能となる。すなわち、加熱工程Ｓ１３において、添加元素（Ｃｕ）が回路層１１２側に拡散することでアルミニウム板１２２の一部が溶融し、溶融金属領域１２７が形成されることになる。このとき、アルミニウム板１２２中の析出物粒子が溶融金属領域１２７に溶出し、析出物欠乏層１１２Ａが形成されることになる。ここで、添加元素（Ｃｕ）の固着量、加熱工程Ｓ１３における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域１２７における溶融金属量が変化し、析出物欠乏層１１２Ａの厚さを制御することが可能となる。
【００６９】
また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素は、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、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１との界面に溶融金属領域１２７を形成することができる。
【００７０】
また、固着工程Ｓ１１では、スパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着しているので、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１との間に確実に添加元素（Ｃｕ）を配設することができ、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１とを確実に
接合することができる。また、添加元素（Ｃｕ）の固着量を精度良く調整することが可能となり、析出物欠乏層１１２Ａの厚さを制御することができる。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層を、析出物粒子がＦｅ，Ｍｎを含有する析出分散型のアルミニウム合金（Ａ３００３合金）によって構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、他の析出分散型のアルミニウム合金で回路層を構成してもよい。
【００７２】
また、セラミックス基板として、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックス基板であってもよい。
なお、第２の実施形態では、セラミックス基板としてＡｌＮを用いた場合において、接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されているものとして説明したが、例えばセラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３を用いた場合においては、Ａｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００７３】
ここで、接合界面に存在する添加元素原子の質量比が３０質量％を超えると、Ａｌと添加元素との反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。また、この反応物によってアルミニウム板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、添加元素原子の質量比が１質量％未満であると、添加元素原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。
以上のことから、接合界面における添加元素原子の質量比は、１〜３０質量％の範囲内とすることが好ましいのである。
【００７４】
また、固着工程においては、Ａｌとともに添加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、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、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。
【００７５】
さらに、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。例えばコルゲートフィンを有するものであっても良いし、放熱フィンが立設されたものであってもよい。
【実施例】
【００７６】
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。
【００７７】
（本発明例１）
まず、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Ａ３００３合金からなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材（Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ）を用いて、接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、ろう材箔の厚さを１４μｍとし、加圧条件３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度６２５℃、加熱時間３０分、加熱雰囲気を真空とした。
【００７８】
（本発明例２）
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Ａ３００３合金からなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板を、第２の実施形態のように添加元素を固着させてＴＬＰ接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、添加元素としてＣｕを用い、Ｃｕの固着量を０．９ｍｇ／ｃｍ２とし、加圧条件５．０ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度６１０℃、加熱時間（保持時間）３０分、加熱雰囲気を真空とした。
【００７９】
（比較例１）
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４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材（Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ）を用いて、接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、ろう材箔の厚さを１４μｍとし、加圧条件３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度６２５℃、加熱時間３０分、加熱雰囲気を真空とした。
【００８０】
（比較例２）
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４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板を、第２の実施形態のように添加元素を固着させてＴＬＰ接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、添加元素としてＣｕを用い、Ｃｕの固着量を０．９ｍｇ／ｃｍ２とし、加圧条件５．０ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度６１０℃、加熱時間（保持時間）３０分、加熱雰囲気を真空とした。
【００８１】
そして、これらの試験片を用いて冷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１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
【００８２】
また、回路層における析出物欠陥層の厚さ、析出物の平均粒度、を評価した。
本明細書での析出物欠乏層の厚さは、走査型電子顕微鏡によって観察した本発明例１，２及び比較例１，２の試料の断面をＡｄｏｂｅ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ２（Ａｄｏｂｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ製）の明るさ・コントラストコマンドを用いて解析した像又は写真において、最もセラミックス基板に近接した析出物付近に生じる画像コントラストの境界と金属／セラミックス界面との平均距離と定義した。
また、
観察した像及び写真において、その明るさやコントラストを変量させた。すると、析出物欠乏層が存在している試料においては、析出物欠乏層と析出物非欠乏層の間にコントラスト境界が観察される。そこで、本明細書においては、このコントラスト境界と金属/セラミック界面との距離を析出物欠乏層の厚さと定義した。
また、本明細書における析出物の平均粒径は、走査型電子顕微鏡にて本発明例１，２及び比較例１，２の試料の断面を観察した像及び写真のある一定の領域において、以下の式で定義した。
（析出物の平均粒径）＝（Ａ／Ｂ／π）０．５
Ａ＝（観察領域における粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の面積比率）×観察領域の面積
Ｂ＝（観察領域内に存在する粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の個数）
π：円周率
【００８３】
【表１】
【００８４】
比較例１、２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。
これに対して、回路層をＡ３００３合金で構成した本発明例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。
また、本発明例１、２においては、回路層に析出物欠乏層が形成されていることが確認された。
【符号の説明】
【００８５】
１、１０１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１２Ａ、１１２Ａ 析出物欠乏層
１２Ｃ 析出物粒子
２２、１２２ アルミニウム板
２３、１２３ アルミニウム板
２４ ろう材箔
２６ 溶融金属領域
１２４ 固着層
１２７ 溶融金属領域
【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、回路層となるアルミニウム板が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、使用時に冷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、冷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、はんだ層を介して接合した半導体素子等の電子部品との接合が不十分となり、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、冷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さらに発生しやすい状況になっている。
【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、冷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、冷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回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、前記回路層の断面の走査型電子顕微鏡観察において、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層が形成されており、前記回路層の一方の面側においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされていることを特徴としている。
【０００８】
なお、回路層断面の走査型電子顕微鏡観察において観察される析出物粒子の粒径は、断面円形をなす粒径ｒの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子の粒径をｒとする。
また、析出物粒子の存在比率は、ＥＰＭＡの面分析あるいはマッピングにより析出物粒子を構成する元素を含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出する。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板によれば、回路層がアルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、前記回路層の一方の面側においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされていることから、回路層の一方の面側部分が析出強化されることになる。よって、回路層の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、冷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、アルミニウムの母相には、アルミニウム以外の元素が固溶していてもよい。
【００１０】
また、回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層が形成されているので、回路層とセラミックス基板とが、良好に接合されることになる。また、析出物欠乏層においては、変形抵抗が小さくなることから、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層によって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
【００１１】
ここで、前記析出物欠乏層は、前記接合界面からの厚さが２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
この場合、前記析出物欠乏層の前記接合界面からの厚さが２μｍ以上とされているので、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層によって確実に緩和することができ、冷熱サイクル負荷時における回路層とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることができる。
また、前記析出物欠乏層の厚さは、セラミックス基板と回路層となるアルミニウム板とを接合する際における、これらセラミックス基板と回路層の界面に形成される溶融金属領域における溶融金属量によって決定される。よって、前記析出物欠乏層の前記接合界面からの厚さが５０μｍ以下とされている場合には、セラミックス基板と回路層となるアルミニウム板との界面に形成される溶融金属領域における溶融金属量が抑えられることになり、余剰な溶融金属による染みの発生を抑制することができる。
【００１２】
また、前記析出物粒子が、ＦｅとＭｎを含有していることが好ましい。
この場合、ＦｅとＭｎを含有する析出物粒子によって、回路層の一方の面側部分の変形抵抗を確実に高くすることができ、冷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、回路層を構成するアルミニウム合金として、例えばＡ３００３合金等を用いることができる。
【００１３】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板と、セラミックス基板とを、ろう材を介して積層する積層工程と、積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層を形成することを特徴としている。
【００１４】
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、回路層となるアルミニウム板とセラミックス基板との界面に介在させたろう材を溶融させることで、アルミニウム板とセラミックス基板との界面に溶融金属領域を形成し、凝固工程でこの溶融金属領域を凝固させているので、前記アルミニウム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、加熱工程において、溶融金属領域を形成しているので、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層を形成することが可能となる。すなわち、加熱工程において、ろう材が溶融するとともにアルミニウム板の一部も溶融し、溶融金属領域が形成されることになる。このとき、アルミニウム板中の析出物粒子が溶融金属領域に溶出し、析出物欠乏層が形成されることになる。ここで、ろう材箔の材質及び厚さ、加熱工程における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域における溶融金属量が変化し、前記析出物欠乏層の厚さが制御される。
【００１５】
また、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板の接合面又はセラミックス基板の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して固着層を形成する固着工程と、この固着層を介して、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層する積層工程と、積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層を形成することを特徴としている。
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、加熱工程において、回路層となるアルミニウム板とセラミックス基板との界面に介在させた添加元素を回路層側に拡散させることで、溶融金属領域を形成し、凝固工程でこの溶融金属領域を凝固させているので、前記アルミニウム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、加熱工程において、溶融金属領域を形成しているので、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層を形成することが可能となる。すなわち、加熱工程において、添加元素が回路層側に拡散することでアルミニウム板の一部が溶融し、溶融金属領域が形成されることになる。このとき、アルミニウム板中の析出物粒子が溶融金属領域に溶出し、析出物欠乏層が形成されることになる。ここで、添加元素の固着量、加熱工程における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域における溶融金属量が変化し、前記析出物欠乏層の厚さが制御される。
また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素は、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、アルミニウム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。
【００１７】
ここで、前記固着工程では、前記添加元素とともにアルミニウム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アルミニウムを固着させているので、添加元素を確実に固着させることができる。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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、冷熱サイクル時において回路層の一方の面にうねりやシワが発生せず、回路層の一方の面に搭載された電子部品と回路層とを確実に接合することができる。よって、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】
【００２０】
本発明によれば、冷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、冷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】
【００２１】
【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の走査型電子顕微鏡によるＣＯＭＰＯ像である。
【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におけるアルミニウム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及び金属層の添加元素の濃度分布を示す説明図である。
【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回路層及び金属層とセラミックス基板との接合界面の模式図である。
【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フロー図である。
【図１２】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１３】図１２におけるアルミニウム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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）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。
【００２５】
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１、図２及び図５において上面）に、導電性を有するアルミニウム板２２が接合されることにより形成されている。
この回路層１２は、図３に示すように、アルミニウムの母相中に析出物粒子１２Ｃが分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、ＦｅとＭｎとを含む析出物粒子が分散されたアルミニウム合金（例えば、Ａ３００３合金）の圧延板からなるアルミニウム板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。なお、回路層１２の厚さは、０．１〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００２６】
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１、図２及び図５において下面）に、アルミニウム板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、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）の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、金属層１３の厚さは、０．１〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
【００２７】
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。
【００２８】
そして、図２に示すように、回路層１２は、セラミックス基板１１との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層１２Ａと、この析出物欠乏層１２Ａに積層する本体層１２Ｂと、を備えている。
ここで、析出物欠乏層１２Ａの接合界面からの厚さｔは、２μｍ≦ｔ≦５０μｍの範囲内に設定されている。
また、本体層１２Ｂは、回路層１２の一方の面（すなわち、半導体チップ３が搭載される搭載面）にまで延在している。
【００２９】
そして、回路層１２の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、図３に示すように、セラミックス基板１１との接合界面３０側部分に配設された析出物欠乏層１２Ａにおいては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％未満とされており、本体層１２Ｂにおいては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％以上とされている。すなわち、析出物欠乏層１２Ａと本体層１２Ｂとでは、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの分散状態が異なっているのである。
【００３０】
なお、回路層１２の断面の走査型電子顕微鏡観察において観察される析出物粒子１２Ｃの粒径は、断面円形をなす粒径ｒの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子１２Ｃの粒径をｒとした。
また、析出物粒子１２Ｃの存在比率は、ＥＰＭＡの面分析あるいはマッピングによりＦｅとＭｎを含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出した。
【００３１】
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。
【００３２】
（積層工程Ｓ０１）
まず、図４及び図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となるアルミニウム板２２（Ａ３００３合金の圧延板）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となるアルミニウム板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。
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（Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ）とされている。
【００３３】
（加熱工程Ｓ０２）
次に、積層工程Ｓ０１において形成された積層体を、その積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／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Ｓ０２によって、ろう材箔２４、２５とアルミニウム板２２、２３の一部とが溶融し、図６に示すように、アルミニウム板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。
この加熱工程Ｓ０２においては、ろう材箔２４が溶融するとともにアルミニウム板２２の一部も溶融し、溶融金属領域２６が形成されることになる。このとき、アルミニウム板２２中の析出物粒子１２Ｃが溶融金属領域２６に溶出し、上述の析出物欠乏層１２Ａが形成されることになる。
【００３４】
（凝固工程Ｓ０３）
次に、積層体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とアルミニウム板２２、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）がアルミニウム板２２、２３側へと拡散していくことになる。
このようにして、回路層１２及び金属層１３となるアルミニウム板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。
【００３５】
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。
【００３６】
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においては、回路層１２が、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金からなるアルミニウム板２２を接合することで構成されており、回路層１２の一方の面側（すなわち、半導体チップ３が搭載される搭載面）においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％以上とされた本体層１２Ｂが配設されていることから、回路層１２の一方の面側部分が析出強化されることになる。
したがって、回路層１２の一方の面側部分の変形抵抗が大きくなり、冷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、一方の面上に搭載された半導体チップ３と回路層１２との間の接合信頼性を大幅に向上させることが可能となる。
【００３７】
また、回路層１２のうちセラミックス基板１１との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１２Ａが形成されているので、回路層１２とセラミックス基板１１とが良好に接合されることになる。また、析出物欠乏層１２Ａにおいては、析出物粒子１２Ｃの分散量が少なく変形抵抗が小さくなることから、セラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層１２Ａによって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１の割れの発生を抑制することができる。
【００３８】
さらに、本実施形態では、析出物欠乏層１２Ａの接合界面からの厚さｔが、ｔ≧２μｍとされているので、セラミックス基板１１と回路層１２との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層１２Ａによって確実に緩和することができ、冷熱サイクル負荷時における回路層１２とセラミックス基板１１との接合信頼性を向上させることができる。
また、析出物欠乏層１２Ａの厚さは、セラミックス基板１１と回路層１２の界面に形成される溶融金属領域２６における溶融金属量によって決定される。よって、析出物欠乏層１２Ａの接合界面からの厚さｔを、ｔ≦５０μｍとすることにより、セラミックス基板１１と回路層１２となるアルミニウム板２２との界面に形成される溶融金属領域２６における溶融金属量が抑えられることになり、余剰な溶融金属による染みの発生を抑制することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、回路層１２が、ＦｅとＭｎを含有する析出物粒子１２Ｃが分散されたアルミニウム合金（例えばＡ３００３合金）で構成されているので、回路層１１の一方の面側部分の変形抵抗を確実に高くすることができ、冷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。
【００４０】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法によれば、加熱工程Ｓ０２において、回路層１２となるアルミニウム板２２とセラミックス基板１１との界面に介在させたろう材２４を溶融させることで、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域２６を形成し、かつ、金属層１３となるアルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に介在させたろう材２５を溶融させることで、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域２７を形成し、凝固工程Ｓ０３において、これら溶融金属領域２６、２７を凝固させているので、アルミニウム板２２、２３とセラミックス基板１１とを接合することで、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出されることになる。
【００４１】
また、加熱工程Ｓ０２において、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１との界面に溶融金属領域２６を形成することにより、回路層１２のうちセラミックス基板１１との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子１２Ｃの存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１２Ａを形成することが可能となる。ここで、ろう材箔２４の材質及び厚さ、加熱工程Ｓ０２における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域２６における溶融金属量が変化し、析出物欠乏層１２Ａの厚さを制御することが可能となる。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態について図７から図１３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。
【００４３】
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ＡｌＮ（窒化アルミ）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、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００４４】
図１２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アルミニウム板１２２が接合されることにより形成されている。
この回路層１１２は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、本実施形態では、ＦｅとＭｎとを含む析出物粒子が分散されたアルミニウム合金（例えば、Ａ３００３合金）の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、回路層１１２の厚さは、０．１〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．４ｍｍに設定されている。
【００４５】
また、金属層１１３は、セラミックス基板１１１の他方の面にアルミニウム板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、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）の圧延板からなるアルミニウム板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。なお、金属層１１２の厚さは、０．１〜５．０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、２．０ｍｍに設定されている。
【００４６】
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、天板部１４１と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４２とを備えている。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、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００４７】
そして、図８に示すように、回路層１１２は、セラミックス基板１１１との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層１１２Ａと、この析出物欠乏層１１２Ａに積層する本体層１１２Ｂと、を備えている。
ここで、析出物欠乏層１１２Ａの接合界面からの厚さｔは、２μｍ≦ｔ≦５０μｍの範囲内に設定されている。
また、本体層１１２Ｂは、回路層１１２の一方の面（すなわち、半導体チップ３が搭載される搭載面）にまで延在している。
【００４８】
そして、回路層１１２の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、セラミックス基板１１１との接合界面側部分に配設された析出物欠乏層１１２Ａにおいては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされており、本体層１１２Ｂにおいては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされている。すなわち、析出物欠乏層１１２Ａと本体層１１２Ｂとでは、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の分散状態が異なっているのである。
【００４９】
なお、回路層１１２の断面を走査型電子顕微鏡で観察される析出物粒子の粒径は、断面円形をなす粒径ｒの基準析出物粒子を想定し、この基準析出物粒子と同等の面積を有する析出物粒子の粒径をｒとした。
また、析出物粒子の存在比率は、ＥＰＭＡの面分析あるいはマッピングによりＦｅとＭｎを含むことが確認できている粒子とそれ以外の箇所に二値化分離処理をした際の面積率で算出した。
【００５０】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１１と回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）との接合界面１３０においては、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。
回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍には、接合界面１３０から積層方向に離間するにしたがい漸次添加元素の濃度が低下する濃度傾斜層１３３が形成されている。ここで、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の添加元素の濃度の合計が、０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されている。
【００５１】
なお、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面１３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図９のグラフは、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）の中央部分において積層方向にライン分析を行い、前述の５０μｍ位置での濃度を基準として求めたものである。
ここで、本実施形態では、Ｃｕを添加元素として用いており、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍のＣｕ濃度が０．０１質量％以上５質量％以下に設定されている。
【００５２】
また、セラミックス基板１１１と回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）との接合界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１０に示すように、接合界面１３０に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部１３２が形成されている。この添加元素高濃度部１３２においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）の２倍以上とされている。なお、この添加元素高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００５３】
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図１０に示すように、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の接合界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）とは、回路層１１２（アルミニウム板１２２）及び金属層１１３（アルミニウム板１２３）のうち接合界面１３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ以上）離れた部分における添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）である。
【００５４】
また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では２０点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１１２及び金属層１１３を構成するアルミニウム板１２２、１２３の結晶粒界とセラミックス基板１１１との接合界面１３０は測定対象とせず、回路層１１２及び金属層１１３を構成するアルミニウム板１２２、１２３の結晶粒とセラミックス基板１１１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
【００５５】
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００５６】
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１１から図１３を参照して説明する。
【００５７】
（固着工程Ｓ１１）
まず、図１１及び図１２に示すように、回路層１１２となるアルミニウム板１２２のセラミックス基板１１１との接合面及び金属層１１３となるアルミニウム板１２３のセラミックス基板１１１との接合面に、スパッタリングによって、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して固着層１２４、１２５を形成する。このとき、固着層１２４、１２５における添加元素量は０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされている。
本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、固着層１２４、１２５における添加元素量（Ｃｕ量）は０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板１２３のうちヒートシンク１４０の天板部１４１との接合面にも、Ｃｕを固着することで固着層１２６を形成している。
【００５８】
（積層工程Ｓ１２）
次に、アルミニウム板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、アルミニウム板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１２に示すように、アルミニウム板１２２、１２３のうち固着層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、アルミニウム板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間に固着層１２４、１２５を介在させているのである。
さらに、本実施形態では、アルミニウム板１２３の他方の面側に、固着層１２６を介して天板部１４１を積層する。
【００５９】
（加熱工程Ｓ１３）
次に、積層工程Ｓ１２において積層されたアルミニウム板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、天板部１４１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、図１３に示すように、アルミニウム板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１２７、１２８が形成される。これら溶融金属領域１２７、１２８は、固着層１２４、１２５のＣｕがアルミニウム板１２２、１２３側に拡散することによって、アルミニウム板１２２、１２３の固着層１２４、１２５近傍のＣｕ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。同様に、固着層１２６のＣｕがアルミニウム板１２３及び天板部１４１側に拡散することによってアルミニウム板１２３と天板部１４１との界面にも溶融金属領域が形成されることになる。
この加熱工程Ｓ１３においては、アルミニウム板１２２中の析出物粒子が溶融金属領域１２７に溶出し、上述の析出物欠乏層１１２Ａが形成されることになる。
【００６０】
（凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域１２７，１２８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１２７，１２８中のＣｕが、さらにアルミニウム板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１２７，１２８であった部分のＣｕ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とアルミニウム板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。
同様に、アルミニウム板１２３と天板部１４１との間に形成された溶融金属領域中のＣｕがアルミニウム板１２３及び天板部１４１側へと拡散していくことにより、凝固が進行していくことになる。
【００６１】
このようにして、回路層１１２及び金属層１１３となるアルミニウム板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、アルミニウム板１２３と天板部１４１とも接合されて、ヒートシンク付パワーモジュールが構成されることになる。すなわち、本実施形態では、パワーモジュール用基板１１０の形成と、ヒートシンク１４０の接合と、を同時に実施しているのである。
【００６２】
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、上述の第１の実施形態と同様に、回路層１１２が、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金からなるアルミニウム板１２２を接合することで構成されており、回路層１１２の一方の面側（すなわち、半導体チップ３が搭載される搭載面）に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上とされた本体層１１２Ｂが配設されていることから、回路層１１２の一方の面側部分が析出強化されることになり、冷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。
【００６３】
また、回路層１１２のうちセラミックス基板１１１との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１１２Ａが形成されているので、セラミックス基板１１１と回路層１１２との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの析出物欠乏層１１２Ａによって緩和することができ、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板１１１の割れの発生を抑制することができる。
【００６４】
さらに、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では、添加元素としてＣｕが固溶されているので、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０側部分が固溶強化することになり、回路層１１２及び金属層１１３部分での破断を防止することができる。
【００６５】
ここで、回路層１１２及び金属層１１３のうち接合界面１３０近傍における添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内に設定されているので、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍の強度が過剰に高くなることを防止でき、このパワーモジュール用基板１１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱応力を回路層１１２及び金属層１１３で緩和することが可能となり、セラミックス基板１１１の割れの発生を抑制できる。
【００６６】
また、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面１３０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素の濃度（本実施形態ではＣｕ濃度）が、回路層１１２及び金属層１１３中の前記添加元素の濃度の２倍以上とされた添加元素高濃度部１３２が形成されているので、界面近傍に存在する添加元素原子（Ｃｕ原子）により、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００６７】
また、添加元素高濃度部１３２を含む接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏの質量比が、分析した際のＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されているので、Ａｌと添加元素（Ｃｕ）との反応物が過剰に生成されることがなく、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合を良好に行うことができる。また、この反応物によって回路層１１２及び金属層１１３の接合界面１３０近傍が必要以上に強化されることがなく、熱応力を確実に吸収することが可能となり、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板１１１の割れの発生を抑制することができる。
【００６８】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法によれば、加熱工程Ｓ１３において、回路層１１２となるアルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１との界面に介在させた添加元素（Ｃｕ）を回路層１１２側に拡散させることで、溶融金属領域１２７を形成し、凝固工程Ｓ１４でこの溶融金属領域１２７を凝固させているので、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１とを接合することで回路層１１２を形成することができる。また、加熱工程Ｓ１３において、溶融金属領域１２７を形成する際に、回路層１１２のうちセラミックス基板１１１との接合界面１３０部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層１１２Ａを形成することが可能となる。すなわち、加熱工程Ｓ１３において、添加元素（Ｃｕ）が回路層１１２側に拡散することでアルミニウム板１２２の一部が溶融し、溶融金属領域１２７が形成されることになる。このとき、アルミニウム板１２２中の析出物粒子が溶融金属領域１２７に溶出し、析出物欠乏層１１２Ａが形成されることになる。ここで、添加元素（Ｃｕ）の固着量、加熱工程Ｓ１３における加熱温度及び加熱時間を調整することで、溶融金属領域１２７における溶融金属量が変化し、析出物欠乏層１１２Ａの厚さを制御することが可能となる。
【００６９】
また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素は、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、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１との界面に溶融金属領域１２７を形成することができる。
【００７０】
また、固着工程Ｓ１１では、スパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着しているので、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１との間に確実に添加元素（Ｃｕ）を配設することができ、アルミニウム板１２２とセラミックス基板１１１とを確実に
接合することができる。また、添加元素（Ｃｕ）の固着量を精度良く調整することが可能となり、析出物欠乏層１１２Ａの厚さを制御することができる。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層を、析出物粒子がＦｅ，Ｍｎを含有する析出分散型のアルミニウム合金（Ａ３００３合金）によって構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、他の析出分散型のアルミニウム合金で回路層を構成してもよい。
【００７２】
また、セラミックス基板として、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックス基板であってもよい。
なお、第２の実施形態では、セラミックス基板としてＡｌＮを用いた場合において、接合界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：１〜１０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されているものとして説明したが、例えばセラミックス基板としてＡｌ２Ｏ３を用いた場合においては、Ａｌ、添加元素（Ｃｕ）、Ｏの質量比が、Ａｌ：添加元素（Ｃｕ）：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜３０質量％：４５質量％以下の範囲内に設定されていることが好ましい。
【００７３】
ここで、接合界面に存在する添加元素原子の質量比が３０質量％を超えると、Ａｌと添加元素との反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。また、この反応物によってアルミニウム板の接合界面近傍が必要以上に強化されることになり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス基板に応力が作用し、セラミックス基板が割れてしまうおそれがある。一方、添加元素原子の質量比が１質量％未満であると、添加元素原子による接合強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。
以上のことから、接合界面における添加元素原子の質量比は、１〜３０質量％の範囲内とすることが好ましいのである。
【００７４】
また、固着工程においては、Ａｌとともに添加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、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、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。
【００７５】
さらに、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。例えばコルゲートフィンを有するものであっても良いし、放熱フィンが立設されたものであってもよい。
【実施例】
【００７６】
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。
【００７７】
（本発明例１）
まず、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Ａ３００３合金からなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材（Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ）を用いて、接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、ろう材箔の厚さを１４μｍとし、加圧条件３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度６２５℃、加熱時間３０分、加熱雰囲気を真空とした。
【００７８】
（本発明例２）
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Ａ３００３合金からなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板を、第２の実施形態のように添加元素を固着させてＴＬＰ接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、添加元素としてＣｕを用い、Ｃｕの固着量を０．９ｍｇ／ｃｍ２とし、加圧条件５．０ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度６１０℃、加熱時間（保持時間）３０分、加熱雰囲気を真空とした。
【００７９】
（比較例１）
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４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板を、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材（Ａｌ−７．５質量％Ｓｉ）を用いて、接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、ろう材箔の厚さを１４μｍとし、加圧条件３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度６２５℃、加熱時間３０分、加熱雰囲気を真空とした。
【００８０】
（比較例２）
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４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板、及び、金属層として厚さ０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなるアルミニウム板を、第２の実施形態のように添加元素を固着させてＴＬＰ接合し、パワーモジュール用基板を製作した。
なお、添加元素としてＣｕを用い、Ｃｕの固着量を０．９ｍｇ／ｃｍ２とし、加圧条件５．０ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度６１０℃、加熱時間（保持時間）３０分、加熱雰囲気を真空とした。
【００８１】
そして、これらの試験片を用いて冷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１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
【００８２】
また、回路層における析出物欠陥層の厚さ、析出物の平均粒度、を評価した。
本明細書での析出物欠乏層の厚さは、走査型電子顕微鏡によって観察した本発明例１，２及び比較例１，２の試料の断面をＡｄｏｂｅ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳ２（Ａｄｏｂｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ製）の明るさ・コントラストコマンドを用いて解析した像又は写真において、最もセラミックス基板に近接した析出物付近に生じる画像コントラストの境界と金属／セラミックス界面との平均距離と定義した。
また、
観察した像及び写真において、その明るさやコントラストを変量させた。すると、析出物欠乏層が存在している試料においては、析出物欠乏層と析出物非欠乏層の間にコントラスト境界が観察される。そこで、本明細書においては、このコントラスト境界と金属/セラミック界面との距離を析出物欠乏層の厚さと定義した。
また、本明細書における析出物の平均粒径は、走査型電子顕微鏡にて本発明例１，２及び比較例１，２の試料の断面を観察した像及び写真のある一定の領域において、以下の式で定義した。
（析出物の平均粒径）＝（Ａ／Ｂ／π）０．５
Ａ＝（観察領域における粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の面積比率）×観察領域の面積
Ｂ＝（観察領域内に存在する粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の個数）
π：円周率
【００８３】
【表１】
【００８４】
比較例１、２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。
これに対して、回路層をＡ３００３合金で構成した本発明例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。
また、本発明例１、２においては、回路層に析出物欠乏層が形成されていることが確認された。
【符号の説明】
【００８５】
１、１０１ パワーモジュール
３ 半導体チップ（電子部品）
１０、１１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１ セラミックス基板
１２、１１２ 回路層
１２Ａ、１１２Ａ 析出物欠乏層
１２Ｃ 析出物粒子
２２、１２２ アルミニウム板
２３、１２３ アルミニウム板
２４ ろう材箔
２６ 溶融金属領域
１２４ 固着層
１２７ 溶融金属領域
【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回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、
前記回路層の断面の走査型電子顕微鏡観察において、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層が形成されており、
前記回路層の一方の面側においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上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】
前記析出物欠乏層は、前記接合界面からの厚さが２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定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】
前記析出物粒子が、Ｆｅ及びＭｎを含有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板と、セラミックス基板とを、ろう材を介して積層する積層工程と、
積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、
前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏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５】
セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板の接合面又はセラミックス基板の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して固着層を形成する固着工程と、
この固着層を介して、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層する積層工程と、
積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、
前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏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６】
前記固着工程では、前記添加元素とともにアルミニウムを固着することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
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又は請求項６に記載の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３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層の表面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回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されており、
前記回路層の断面の走査型電子顕微鏡観察において、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分には、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏層が形成されており、
前記回路層の一方の面側においては、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％以上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】
前記析出物欠乏層は、前記接合界面からの厚さが２μｍ以上５０μｍ以下の範囲内に設定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】
前記析出物粒子が、Ｆｅ及びＭｎを含有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項４】
セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板と、セラミックス基板とを、ろう材を介して積層する積層工程と、
積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、
前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏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５】
セラミックス基板の一方の面に回路層が接合されてなり、この回路層の表面に電子部品が搭載されるパワーモジュール用基板の製造方法であって、
回路層となる金属板として、アルミニウムの母相中に析出物粒子が分散された析出分散型のアルミニウム合金で構成されたアルミニウム板を準備し、このアルミニウム板の接合面又はセラミックス基板の接合面のうちの少なくとも一方に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇｅ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着して固着層を形成する固着工程と、
この固着層を介して、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層する積層工程と、
積層された前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記アルミニウム板と前記セラミックス基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、前記アルミニウム板と前記セラミックス基板とを接合して前記回路層を形成する凝固工程と、を備えており、
前記加熱工程及び前記凝固工程により、前記回路層のうち前記セラミックス基板との接合界面部分に、粒径０．１μｍ以上の析出物粒子の存在比率が３％未満とされた析出物欠乏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６】
前記固着工程では、前記添加元素とともにアルミニウムを固着することを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項７】
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又は請求項６に記載の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３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層の表面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４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−５９８３６（Ｐ２０１２−５９８３６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２００１４１（Ｐ２０１０−２００１４１）
【出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【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２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【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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