パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法
【課題】回路層上に搭載された電子部品等からの熱を効率よく放散できるとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、を備えたパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２は、絶縁基板１１の一方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることを特徴とする。
【解決手段】絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の一方の面に形成された回路層１２と、を備えたパワーモジュール用基板１０であって、回路層１２は、絶縁基板１１の一方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成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、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなる絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面側に第一の金属板が接合されて構成された回路層と、絶縁基板の他方の面側に第二の金属板が接合されて構成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、第一の金属板（回路層）及び第二の金属板（金属層）としてアルミニウム板を用いてなるパワーモジュール用基板が提案されている。
また、特許文献２、３には、第一の金属板（回路層）及び第二の金属板（金属層）を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によって絶縁基板に直接接合してなるパワーモジュール用基板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開平０４−１６２７５６号公報
【特許文献３】特許第３２１１８５６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、特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板においては、回路層を構成する第一の金属板としてアルミニウム板が用いられている。ここで、銅とアルミニウムとを比較すると、アルミニウムの熱伝導率が低いことから、回路層としてアルミニウム板を用いた場合には、銅板を用いた場合に比べて回路層上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を拡げて放散することができない。このため、電子部品の小型化や高出力化により、パワー密度が上昇した場合には、熱を十分に放散することができなくなるおそれがあった。
【０００６】
ここで、特許文献２，３においては、回路層を銅板で構成していることから、回路層上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を効率的に放散することが可能となる。
しかしながら、上述のパワーモジュール用基板においては、その使用環境において冷熱サイクルが負荷されることになるが、特許文献２，３に記載されているように回路層及び金属層を銅板で構成した場合には、上述の冷熱サイクルによって絶縁基板と銅板との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が銅板に作用し、銅板が加工硬化してしまい、絶縁基板に割れ等が発生するといった問題があった。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、回路層上に搭載された電子部品等からの熱を効率よく放散できるとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、前記絶縁基板の一方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板においては、電子部品等が搭載される回路層が銅板で構成されているので、電子部品等から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することができる。
また、回路層を構成する銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされているので、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素又はボロンのうち少なくとも１種以上の元素が、不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。よって、冷熱サイクル時の特に高温域で、回路層において回復・再結晶化が進み、絶縁基板と回路層との熱膨張率の差に起因するせん断応力によって加工硬化された回路層の歪みが減少されることになり、冷熱サイクル時において絶縁基板に負荷される応力が低減される。これにより、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制することが可能となる。
【００１０】
なお、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素の含有量の合計が１ｍｏｌｐｐｍ未満である場合、又は、ボロンの含有量が１００ｍｏｌｐｐｍ未満である場合には、銅中に存在するＳの影響を十分に抑制することができなくなるおそれがある。また、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素の含有量の合計が１００ｍｏｌｐｐｍ超える場合、又は、ボロンの含有量が１０００ｍｏｌｐｐｍ超える場合には、これらの元素によって回路層（銅板）が硬化したり、熱伝導度が低下してしまうおそれがある。
よって、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下の範囲に設定している。
【００１１】
ここで、前記絶縁基板の他方の面に金属層が形成されており、この金属層は、前記絶縁基板の他方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることが好ましい。
【００１２】
この場合、絶縁基板の他方の面に銅板からなる金属層が形成されているので、金属層において熱を拡げることができ、熱の放散をさらに促進することができる。また、絶縁基板の両面にそれぞれ銅板が接合されることから、絶縁基板の反りを抑制することができる。 さらに、金属層を構成する銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされているので、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素又はボロンのうち少なくとも１種以上の元素が、不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。よって、冷熱サイクル時の特に高温域で、金属層において回復・再結晶化が進み、絶縁基板と回路層との熱膨張率の差に起因するせん断応力によって加工硬化された回路層の歪みが減少されることになり、冷熱サイクル時において絶縁基板に負荷される応力が低減される。これにより、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
ここで、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることが好ましい。
この場合、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素の含有量の合計が３ｍｏｌｐｐｍ以上、又は、ボロンの含有量が３００ｍｏｌｐｐｍ以上とされているので、銅中のＳの影響を抑制することができ、再結晶温度が低くなり、加工硬化を確実に抑制することが可能となる。また、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素の含有量の合計が５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンの含有量が１０００ｍｏｌｐｐｍ以下とされているので、銅板の硬化や熱伝導度の低下を抑制することができる。
【００１４】
また、前記銅板は、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされていることが好ましい。
この場合、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素又はボロンのうち少なくとも１種以上の元素が、酸素と反応して酸化物となることが抑制され、確実にＳと反応し、硫化物を生成することができる。よって、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素又はボロンのうち少なくとも１種以上の元素の含有量が少なくても、Ｓの影響を十分に抑制することが可能となる。
【００１５】
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、ヒートシンクと、備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、ヒートシンクによって、パワーモジュール用基板からの熱を効率良く放散することができる。
【００１６】
本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴としている。
また、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、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴としている。
これらの構成のパワーモジュールによれば、回路層上に搭載された電子部品からの熱を効率的に放散することができ、電子部品のパワー密度（発熱量）が向上した場合であっても、十分に対応することができる。
【００１７】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層は、前記絶縁基板の一方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、前記絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程と、前記絶縁基板の一方の面に銅板を接合して前記回路層を形成する回路層形成工程と、を備えており、前記回路層形成工程においては、前記銅板と前記絶縁基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法によって接合することを特徴としている。
【００１８】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前述したパワーモジュール用基板を製造することができる。また、前記銅板と前記絶縁基板とを銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）によって接合しているので、銅板と絶縁基板とを強固に接合することができる。よって、回路層と絶縁基板の接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。さらに、絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ形成工程を備えているので、銅板と絶縁基板とをＤＢＣ法を用いて接合することが可能となる。なお、形成するＡｌ２Ｏ３層の厚さは、１μｍ以上とすることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３層の厚さが１μｍ未満の場合、銅板と絶縁基板とを良好に接合できなくなるおそれがあるためである。
【００１９】
また、前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層を備え、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、前記絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程と、前記絶縁基板の他方の面に銅板を接合して前記金属層を形成する金属層形成工程と、を備えており、前記金属層形成工程においては、前記銅板と前記絶縁基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法によって接合する構成としてもよい。
この場合、前記銅板と前記絶縁基板とを銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）によって接合しているので、銅板と絶縁基板とを強固に接合することができる。よって、金属層と絶縁基板の接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２０】
さらに、前記前記回路層形成工程と前記金属層形成工程とを同時に実施することが好ましい。
この場合、絶縁基板の両面に同時に銅板を接合することから、接合時における絶縁基板の反りを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、回路層上に搭載された電子部品等からの熱を効率よく放散できるとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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及びパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】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概略説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法の製造方法のフロー図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図７】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概略説明図である。
【図８】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のフロー図である。
【図９】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説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０及びパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の搭載面１２Ａにはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、ヒートシンク４１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（いわゆる無鉛はんだ材）とされている。なお、本実施形態では、回路層１２の搭載面１２Ａとはんだ層２との間に、Ｎｉめっき膜（図示なし）が設けられていてもよい。
【００２４】
パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層１３と、を備えている。
【００２５】
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。
【００２６】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図３において上面）に、銅板２２が接合されることにより形成されている。回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面１２Ａとされている。
【００２７】
金属層１３は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図３において下面）に、銅板２３が接合されることにより形成されている。金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
【００２８】
そして、この銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、さらに好ましくは、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有しており、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされている。
本実施形態においては、銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）にＭｇを１５ｍｏｌｐｐｍ添加したＭｇ−Ｄｏｐｅｄ銅とされている。
【００２９】
ヒートシンク４１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る。本実施形態におけるヒートシンク４１は、図１に示すように、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に接合された放熱板４２を備えている。なお、本実施形態では、放熱板４２は、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されたものとされている。
【００３０】
なお、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク４１の天板部４２とは、はんだ層５を介して接合されている。ここで、はんだ層５は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる無鉛はんだ材）とされている。
【００３１】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０及びヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。
【００３２】
図２及び図３に示すように、回路層１２となる銅板２２とセラミックス基板１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ０１）とともに、金属層１３となる銅板２３とセラミックス基板１１とを接合する（金属層形成工程Ｓ０２）。本実施形態では、これら回路層形成工程Ｓ０１と、金属層形成工程Ｓ０２と、を同時に実施することになる。
【００３３】
まず、セラミックス基板１１の一方の面側に銅板２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側に銅板２３を積層する（積層工程Ｓ１１）。
【００３４】
次に、銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３をその積層方向に加圧した状態で、酸素含有雰囲気で加熱する（加熱工程Ｓ１２）。ここで、本実施形態では、加熱温度は１０６５℃以上１０８３℃以下の範囲内に設定している。
すると、図３に示すように、銅板２２とセラミックス基板１１との界面に第１溶融金属領域５５が形成され、セラミックス基板１１と銅板２３との界面に第２溶融金属領域５６が形成される。これら第１溶融金属領域５５及び第２溶融金属領域５６は、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）との共晶反応によって融点が降下することにより形成されるものである。
【００３５】
次に、温度を低下させることにより、第１溶融金属領域５５及び第２溶融金属領域５６を凝固させる（凝固工程Ｓ１３）。
このようして、銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３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が製造されることになる。
【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によれば、半導体素子３が搭載される搭載面１２Ａを有する回路層１２が、銅板２２で構成されているので、半導体素子３から発生する熱を十分に拡げることができ、この熱の放散を促進することができる。よって、パワー密度の高い半導体素子３等の電子部品を搭載することができ、半導体パッケージの小型化、高出力化を図ることが可能となる。
【００３７】
そして、回路層１２を構成する銅板２２及び金属層１３を構成する銅板２３が、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされ、さらに好ましくは、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有しており、本実施形態においては、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）にＭｇを１５ｍｏｌｐｐｍ添加したＭｇ−Ｄｏｐｅｄ銅とされているので、Ｍｇが不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。これにより、銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）の再結晶温度が低くなり、加工硬化が抑制されることになる。よって、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可能となる。
さらに、銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）の酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされているので、Ｍｇが酸素と反応して消費されることが抑制され、ＭｇとＳとを確実に反応させることができる。
【００３８】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌ２Ｏ３で構成されているので、上述のように、銅板２２、２３とセラミックス基板１１とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）によって接合することができる。よって、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）及びセラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）との接合強度を確保することができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を構成することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、回路層形成工程Ｓ０１と金属層形成工程Ｓ０２とを同時に行う構成としているので、接合時におけるセラミックス基板１１の反りの発生を抑制することができる。また、セラミックス基板１１に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。さらに、このパワーモジュール用基板１０の製造コストを大幅に削減することができる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態について、図４から図６を参照して説明する。
図４に示すパワーモジュール基板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４において上面）に接合された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図４において下面）に接合された金属層１１３と、を備えている。
【００４１】
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、０．２〜１．５ｍｍ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。
また、このセラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面には、Ａｌ２Ｏ３層１２５、１２６が形成されている。
【００４２】
回路層１１２は、図６に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面（図６において上面）に銅板１２２が接合されることにより形成されている。回路層１１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図４において上面）が、半導体素子等の電子部品が搭載される搭載面１１２Ａとされている。
【００４３】
金属層１１３は、図６に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面（図６において下面）に、銅板１２３が接合されることにより形成されている。金属層１１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
【００４４】
そして、銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、さらに好ましくは、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有しており、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされている。
本実施形態においては、銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）にＺｒを１０ｍｏｌｐｐｍ添加したＺｒ−Ｄｏｐｅｄ銅とされている。
【００４５】
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５及び図６を参照して説明する。
【００４６】
本実施形態では、図５及び図６に示すように、回路層１１２となる銅板１２２とセラミックス基板１１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ１０１）とともに、金属層１１３となる銅板１２３とセラミックス基板１１１とを接合する（金属層形成工程Ｓ１０２）。本実施形態では、これら回路層形成工程Ｓ１０１と、金属層形成工程Ｓ１０２と、を同時に実施することになる。
【００４７】
まず、図５及び図６に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５，１２６を形成する（アルミナ層形成工程Ｓ１１０）。このアルミナ層形成工程Ｓ１１０においては、ＡｌＮの酸化処理を１２００℃以上でＡｒ−Ｏ２混合ガス雰囲気にて行った。酸素分圧ＰＯ２を１０ｋＰａとし、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを０．０５ｋＰａに調整した。このように、高酸素分圧／低水蒸気分圧雰囲気にてＡｌＮの酸化処理を行うことにより、ＡｌＮとの密着性に優れた緻密なＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６が形成されることになる。ここで、Ａｌ２Ｏ３層１２５，１２６の厚さは１μｍ以上とされている。
なお、高純度のＡｒガスを脱酸処理した後に酸素ガスを混合することによって酸素分圧を調整した。また、この雰囲気ガスをシリカゲルと五酸化二リンを充填した乾燥系に通すことで脱水処理を行った後に所定温度に調整された水中を通過させることによって水蒸気分圧を調整した。
【００４８】
次に、セラミックス基板１１１の一方の面側に銅板１２２を積層する。また、セラミックス基板１１１の他方の面側に銅板１２３を積層する（積層工程Ｓ１１１）。すなわち、セラミックス基板１１１と銅板１２２との間にＡｌ２Ｏ３層１２５を介在させ、セラミックス基板１１１と銅板１２３との間にＡｌ２Ｏ３層１２６を介在させているのである。
【００４９】
次に、銅板１２２、セラミックス基板１１１、銅板１２３をその積層方向に加圧した状態で、酸素含有雰囲気で加熱する（加熱工程Ｓ１１２）。ここで、本実施形態では、加熱温度は１０６５℃以上１０８３℃以下の範囲内に設定している。
すると、図６に示すように、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に第１溶融金属領域１５５が形成され、セラミックス基板１１１と銅板１２３との界面に第２溶融金属領域１５６が形成される。これら第１溶融金属領域１５５及び第２溶融金属領域１５６は、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）との共晶反応によって融点が降下することにより形成されるものである。
【００５０】
次に、温度を低下させることにより、第１溶融金属領域１５５及び第２溶融金属領域１５６を凝固させる（凝固工程Ｓ１１３）。
このようして、銅板１２２、セラミックス基板１１１、銅板１２３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が製造されることになる。
【００５１】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０によれば、回路層１１２が銅板１２２で構成されているので、回路層１１２の搭載面１１２Ａ上に搭載される半導体素子等の発熱体からの熱を効率良く促進することができる。
また、回路層１１２及び金属層１１３が、Ｚｒを１０ｍｏｌｐｐｍ含有する銅板１２２、１２３で構成されているので、Ｚｒが不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。これにより、銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）の再結晶温度が低くなり、加工硬化が抑制されることになる。よって、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可能となる。
【００５２】
また、本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の一方の面にＡｌ２Ｏ３層１２５を形成し、かつ、他方の面にＡｌ２Ｏ３層１２６を形成し、これらＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６を利用して銅板１２２，１２３とセラミックス基板１１１とをＤＢＣ法によって接合していることから、銅板１２２，１２３とセラミックス基板１１１とを強固に接合することができる。このように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１であっても、ＤＢＣ法を利用して銅板１２２，１２３を接合することが可能となる。
【００５３】
さらに、アルミナ層形成工程Ｓ１１０において、形成するＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６の厚さを１μｍ以上としているので、銅板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とを確実に接合することが可能となる。
また、本実施形態では、高酸素分圧／低水蒸気分圧雰囲気にてＡｌＮの酸化処理を行うことにより、ＡｌＮとの密着性に優れた緻密なＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６を形成しているので、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１とＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６との間での剥離の発生を防止することが可能となる。
【００５４】
次に、本発明の第３の実施形態について、図７から図９を参照して説明する。
図７に示す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７において上面）に形成された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面（図７において下面）に形成された金属層２１３と、を備えている。
【００５５】
セラミックス基板２１１は、回路層２１２と金属層２１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮで構成されている。また、セラミックス基板２１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００５６】
回路層２１２は、図９に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面（図９において上面）に、銅板２２２が接合されることにより形成されている。回路層２１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、この回路層２１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図７において上面）が、半導体素子等の電子部品が搭載される搭載面２１２Ａとされている。
【００５７】
金属層２１３は、図９に示すように、セラミックス基板２１１の他方の面（図９において下面）に、銅板２２３が接合されることにより形成されている。金属層２１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
【００５８】
そして、銅板２２２（回路層２１２）及び銅板２２３（金属層２１３）は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされ、さらに好ましくは、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有しており、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされている。
本実施形態においては、銅板２２２（回路層２１２）及び銅板２２３（金属層２１３）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）にＬａを７ｍｏｌｐｐｍ添加したＬａ−Ｄｏｐｅｄ銅とされている。
【００５９】
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８及び図９を参照して説明する。
【００６０】
本実施形態では、図８及び図９に示すように、回路層２１２となる銅板２２２とセラミックス基板２１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ２０１）とともに、金属層２１３となる銅板２２３とセラミックス基板２１１とを接合する（金属層形成工程Ｓ２０２）。本実施形態では、これら回路層形成工程Ｓ２０１と、金属層形成工程Ｓ２０２と、を同時に実施することになる。
【００６１】
銅板２２２、２２３とセラミックス基板２１１とは、いわゆる活性金属法によって接合されている。
まず、セラミックス基板２１１の一方の面側に銅板２２２を積層する。また、セラミックス基板２１１の他方の面側に銅板２２３を積層する（積層工程Ｓ２１１）。このとき、図９に示すように、銅板２２２とセラミックス基板２１１との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなるろう材２２５を配設し、セラミックス基板２１１と銅板２２３との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなるろう材２２６を配設する。
なお、本実施形態では、ろう材２２５、２２６は、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉの組成のものを用いた。
【００６２】
次に、銅板２２２、セラミックス基板２１１、銅板２２３をその積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気で加熱する（加熱工程Ｓ２１２）。なお、本実施形態では、１０−３Ｐａの真空雰囲気で、８５０℃、１０分の条件で加熱した。
すると、図９に示すように、銅板２２２とセラミックス基板２１１との界面に第１溶融金属領域２５５が形成され、セラミックス基板２１１と銅板２２３との界面に第２溶融金属領域２５６が形成される。
【００６３】
次に、温度を低下させることにより、第１溶融金属領域２５５及び第２溶融金属領域２５６を凝固させる（凝固工程Ｓ２１３）。
このようして、銅板２２２、セラミックス基板２１１、銅板２２３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が製造されることになる。
【００６４】
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によれば、回路層２１２が銅板２２２で構成されているので、回路層２１２の搭載面２１２Ａ上に搭載される半導体素子等の発熱体からの熱を効率良く促進することができる。
また、回路層２１２及び金属層２１３が、Ｌａを７ｍｏｌｐｐｍ含有する銅板２２２，２２３で構成されているので、Ｌａが不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。これにより、銅板２２２（回路層２１２）及び銅板２２３（金属層２１３）の再結晶温度が低くなり、加工硬化が抑制されることになる。よって、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板２１１の割れの発生を抑制することが可能となる。
【００６５】
また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉのろう材２２５，２２６を用いた活性金属法によって、銅板２２２，２２３とセラミックス基板２１１とを接合しているので、銅板２２２，２２３とセラミックス基板２１１との界面に酸素を介在させることなく、パワーモジュール用基板２１０を構成することができる。
【００６６】
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、セラミックス基板を、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮで構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等で構成されたものであってもよい。
【００６７】
また、回路層を構成する銅板と金属層を構成する銅板とを、同一の組成のものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層を構成する銅板と金属層を構成する銅板とを互いに組成の異なるものとしてもよい。
さらに、第２の実施形態において、ＡｌＮを酸化処理することによってＡｌ２Ｏ３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、他の手段によってセラミックス基板の表面にＡｌ２Ｏ３層を形成してもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、ヒートシンクの天板部をＡ６０６３合金で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、Ａ１１００合金、Ａ３００３合金、Ａ５０５２合金、Ａ７Ｎ０１合金等の他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、ヒートシンクの構造は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを採用してもよい。
【００６９】
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。
【実施例】
【００７０】
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。
Ａｌ２Ｏ３からなる厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板と、表１に示す組成の銅又は銅合金からなる厚さ０．３ｍｍの銅板と、を準備した。
これらの銅板、セラミックス基板、銅板を、第３の実施形態に記載された方法により接合した。なお、回路層形成工程Ｓ２０１及び金属層形成工程Ｓ２０２における加圧圧力を０．５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度を８５０℃とした。
【００７１】
そして、これらのパワーモジュール用基板に、冷熱サイクル（−４０℃←→１１０℃）を所定回数だけ負荷し、セラミックス基板の割れの有無について確認した。
【００７２】
【表１】
【００７３】
タフピッチ銅を用いた従来例１及び無酸素銅（ＯＦＣ）を用いた従来例２においては、冷熱サイクルを１０００回から２０００回負荷するまでに、セラミックス基板にクラックが認められた。
【００７４】
アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有する本発明例１〜１４においては、冷熱サイクルを２０００回負荷した時点でセラミックス基板に割れは認められなかった。特に、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有する本発明例１〜３、７〜１３では、冷熱サイクルを３０００回負荷した時点でもセラミックス基板に割れは認められなかった。
さらに、酸素含有量が異なる本発明例５と本発明例６とを比較すると、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされた本発明例５の方がセラミックス基板の割れ防止効果が高いことが確認された。
【符号の説明】
【００７５】
１ パワーモジュール
３ 半導体素子（電子部品）
１０、１１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１ セラミックス基板（絶縁基板）
１２、１１２、２１２ 回路層
１３、１１３、２１３ 金属層
２２、１２２、２２２ 銅板
２３、１２３、２２３ 銅板
４０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１ ヒートシンク
１２５、１２６ Ａｌ２Ｏ３層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）などからなる絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面側に第一の金属板が接合されて構成された回路層と、絶縁基板の他方の面側に第二の金属板が接合されて構成された金属層と、を備えたパワーモジュール用基板が用いられる。
このようなパワーモジュール基板では、回路層の上に、はんだ材を介してパワー素子等の半導体素子が搭載される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、第一の金属板（回路層）及び第二の金属板（金属層）としてアルミニウム板を用いてなるパワーモジュール用基板が提案されている。
また、特許文献２、３には、第一の金属板（回路層）及び第二の金属板（金属層）を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によって絶縁基板に直接接合してなるパワーモジュール用基板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１７１２３４号公報
【特許文献２】特開平０４−１６２７５６号公報
【特許文献３】特許第３２１１８５６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、特許文献１に記載されたパワーモジュール用基板においては、回路層を構成する第一の金属板としてアルミニウム板が用いられている。ここで、銅とアルミニウムとを比較すると、アルミニウムの熱伝導率が低いことから、回路層としてアルミニウム板を用いた場合には、銅板を用いた場合に比べて回路層上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を拡げて放散することができない。このため、電子部品の小型化や高出力化により、パワー密度が上昇した場合には、熱を十分に放散することができなくなるおそれがあった。
【０００６】
ここで、特許文献２，３においては、回路層を銅板で構成していることから、回路層上に搭載された電気部品等の発熱体からの熱を効率的に放散することが可能となる。
しかしながら、上述のパワーモジュール用基板においては、その使用環境において冷熱サイクルが負荷されることになるが、特許文献２，３に記載されているように回路層及び金属層を銅板で構成した場合には、上述の冷熱サイクルによって絶縁基板と銅板との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が銅板に作用し、銅板が加工硬化してしまい、絶縁基板に割れ等が発生するといった問題があった。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、回路層上に搭載された電子部品等からの熱を効率よく放散できるとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のパワーモジュール用基板は、絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、前記回路層は、前記絶縁基板の一方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることを特徴としている。
【０００９】
この構成のパワーモジュール用基板においては、電子部品等が搭載される回路層が銅板で構成されているので、電子部品等から発生する熱を十分に拡げることができ、熱の放散を促進することができる。
また、回路層を構成する銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされているので、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素又はボロンのうち少なくとも１種以上の元素が、不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。よって、冷熱サイクル時の特に高温域で、回路層において回復・再結晶化が進み、絶縁基板と回路層との熱膨張率の差に起因するせん断応力によって加工硬化された回路層の歪みが減少されることになり、冷熱サイクル時において絶縁基板に負荷される応力が低減される。これにより、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制することが可能となる。
【００１０】
なお、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素の含有量の合計が１ｍｏｌｐｐｍ未満である場合、又は、ボロンの含有量が１００ｍｏｌｐｐｍ未満である場合には、銅中に存在するＳの影響を十分に抑制することができなくなるおそれがある。また、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素の含有量の合計が１００ｍｏｌｐｐｍ超える場合、又は、ボロンの含有量が１０００ｍｏｌｐｐｍ超える場合には、これらの元素によって回路層（銅板）が硬化したり、熱伝導度が低下してしまうおそれがある。
よって、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下の範囲に設定している。
【００１１】
ここで、前記絶縁基板の他方の面に金属層が形成されており、この金属層は、前記絶縁基板の他方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることが好ましい。
【００１２】
この場合、絶縁基板の他方の面に銅板からなる金属層が形成されているので、金属層において熱を拡げることができ、熱の放散をさらに促進することができる。また、絶縁基板の両面にそれぞれ銅板が接合されることから、絶縁基板の反りを抑制することができる。 さらに、金属層を構成する銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされているので、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素又はボロンのうち少なくとも１種以上の元素が、不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。よって、冷熱サイクル時の特に高温域で、金属層において回復・再結晶化が進み、絶縁基板と回路層との熱膨張率の差に起因するせん断応力によって加工硬化された回路層の歪みが減少されることになり、冷熱サイクル時において絶縁基板に負荷される応力が低減される。これにより、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
ここで、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることが好ましい。
この場合、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素の含有量の合計が３ｍｏｌｐｐｍ以上、又は、ボロンの含有量が３００ｍｏｌｐｐｍ以上とされているので、銅中のＳの影響を抑制することができ、再結晶温度が低くなり、加工硬化を確実に抑制することが可能となる。また、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素の含有量の合計が５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンの含有量が１０００ｍｏｌｐｐｍ以下とされているので、銅板の硬化や熱伝導度の低下を抑制することができる。
【００１４】
また、前記銅板は、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされていることが好ましい。
この場合、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素又はボロンのうち少なくとも１種以上の元素が、酸素と反応して酸化物となることが抑制され、確実にＳと反応し、硫化物を生成することができる。よって、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素又はボロンのうち少なくとも１種以上の元素の含有量が少なくても、Ｓの影響を十分に抑制することが可能となる。
【００１５】
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、ヒートシンクと、備えたことを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、ヒートシンクによって、パワーモジュール用基板からの熱を効率良く放散することができる。
【００１６】
本発明のパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴としている。
また、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、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴としている。
これらの構成のパワーモジュールによれば、回路層上に搭載された電子部品からの熱を効率的に放散することができ、電子部品のパワー密度（発熱量）が向上した場合であっても、十分に対応することができる。
【００１７】
本発明のパワーモジュール用基板の製造方法は、絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記回路層は、前記絶縁基板の一方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、前記絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程と、前記絶縁基板の一方の面に銅板を接合して前記回路層を形成する回路層形成工程と、を備えており、前記回路層形成工程においては、前記銅板と前記絶縁基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法によって接合することを特徴としている。
【００１８】
この構成のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、前述したパワーモジュール用基板を製造することができる。また、前記銅板と前記絶縁基板とを銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）によって接合しているので、銅板と絶縁基板とを強固に接合することができる。よって、回路層と絶縁基板の接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。さらに、絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ形成工程を備えているので、銅板と絶縁基板とをＤＢＣ法を用いて接合することが可能となる。なお、形成するＡｌ２Ｏ３層の厚さは、１μｍ以上とすることが好ましい。Ａｌ２Ｏ３層の厚さが１μｍ未満の場合、銅板と絶縁基板とを良好に接合できなくなるおそれがあるためである。
【００１９】
また、前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層を備え、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、前記絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程と、前記絶縁基板の他方の面に銅板を接合して前記金属層を形成する金属層形成工程と、を備えており、前記金属層形成工程においては、前記銅板と前記絶縁基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法によって接合する構成としてもよい。
この場合、前記銅板と前記絶縁基板とを銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）によって接合しているので、銅板と絶縁基板とを強固に接合することができる。よって、金属層と絶縁基板の接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２０】
さらに、前記前記回路層形成工程と前記金属層形成工程とを同時に実施することが好ましい。
この場合、絶縁基板の両面に同時に銅板を接合することから、接合時における絶縁基板の反りを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、回路層上に搭載された電子部品等からの熱を効率よく放散できるとともに、冷熱サイクル負荷時における絶縁基板の割れの発生を抑制できるパワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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及びパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図４】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概略説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法の製造方法のフロー図である。
【図６】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図７】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概略説明図である。
【図８】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のフロー図である。
【図９】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説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、ヒートシンク付パワーモジュール用基板４０及びパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の搭載面１２Ａにはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、ヒートシンク４１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（いわゆる無鉛はんだ材）とされている。なお、本実施形態では、回路層１２の搭載面１２Ａとはんだ層２との間に、Ｎｉめっき膜（図示なし）が設けられていてもよい。
【００２４】
パワーモジュール用基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に形成された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に形成された金属層１３と、を備えている。
【００２５】
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。
【００２６】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図３において上面）に、銅板２２が接合されることにより形成されている。回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面１２Ａとされている。
【００２７】
金属層１３は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図３において下面）に、銅板２３が接合されることにより形成されている。金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
【００２８】
そして、この銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、さらに好ましくは、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有しており、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされている。
本実施形態においては、銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）にＭｇを１５ｍｏｌｐｐｍ添加したＭｇ−Ｄｏｐｅｄ銅とされている。
【００２９】
ヒートシンク４１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る。本実施形態におけるヒートシンク４１は、図１に示すように、パワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面側に接合された放熱板４２を備えている。なお、本実施形態では、放熱板４２は、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されたものとされている。
【００３０】
なお、パワーモジュール用基板１０の金属層１３とヒートシンク４１の天板部４２とは、はんだ層５を介して接合されている。ここで、はんだ層５は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる無鉛はんだ材）とされている。
【００３１】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１０及びヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。
【００３２】
図２及び図３に示すように、回路層１２となる銅板２２とセラミックス基板１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ０１）とともに、金属層１３となる銅板２３とセラミックス基板１１とを接合する（金属層形成工程Ｓ０２）。本実施形態では、これら回路層形成工程Ｓ０１と、金属層形成工程Ｓ０２と、を同時に実施することになる。
【００３３】
まず、セラミックス基板１１の一方の面側に銅板２２を積層する。また、セラミックス基板１１の他方の面側に銅板２３を積層する（積層工程Ｓ１１）。
【００３４】
次に、銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３をその積層方向に加圧した状態で、酸素含有雰囲気で加熱する（加熱工程Ｓ１２）。ここで、本実施形態では、加熱温度は１０６５℃以上１０８３℃以下の範囲内に設定している。
すると、図３に示すように、銅板２２とセラミックス基板１１との界面に第１溶融金属領域５５が形成され、セラミックス基板１１と銅板２３との界面に第２溶融金属領域５６が形成される。これら第１溶融金属領域５５及び第２溶融金属領域５６は、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）との共晶反応によって融点が降下することにより形成されるものである。
【００３５】
次に、温度を低下させることにより、第１溶融金属領域５５及び第２溶融金属領域５６を凝固させる（凝固工程Ｓ１３）。
このようして、銅板２２、セラミックス基板１１、銅板２３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が製造されることになる。
【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によれば、半導体素子３が搭載される搭載面１２Ａを有する回路層１２が、銅板２２で構成されているので、半導体素子３から発生する熱を十分に拡げることができ、この熱の放散を促進することができる。よって、パワー密度の高い半導体素子３等の電子部品を搭載することができ、半導体パッケージの小型化、高出力化を図ることが可能となる。
【００３７】
そして、回路層１２を構成する銅板２２及び金属層１３を構成する銅板２３が、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされ、さらに好ましくは、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有しており、本実施形態においては、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）にＭｇを１５ｍｏｌｐｐｍ添加したＭｇ−Ｄｏｐｅｄ銅とされているので、Ｍｇが不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。これにより、銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）の再結晶温度が低くなり、加工硬化が抑制されることになる。よって、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可能となる。
さらに、銅板２２（回路層１２）及び銅板２３（金属層１３）の酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされているので、Ｍｇが酸素と反応して消費されることが抑制され、ＭｇとＳとを確実に反応させることができる。
【００３８】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１がＡｌ２Ｏ３で構成されているので、上述のように、銅板２２、２３とセラミックス基板１１とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）によって接合することができる。よって、セラミックス基板１１と回路層１２（銅板２２）及びセラミックス基板１１と金属層１３（銅板２３）との接合強度を確保することができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を構成することができる。
【００３９】
また、本実施形態では、回路層形成工程Ｓ０１と金属層形成工程Ｓ０２とを同時に行う構成としているので、接合時におけるセラミックス基板１１の反りの発生を抑制することができる。また、セラミックス基板１１に不要な熱負荷が作用することがなく、反り等の発生を抑制することができる。さらに、このパワーモジュール用基板１０の製造コストを大幅に削減することができる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態について、図４から図６を参照して説明する。
図４に示すパワーモジュール基板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４において上面）に接合された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図４において下面）に接合された金属層１１３と、を備えている。
【００４１】
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、０．２〜１．５ｍｍ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。
また、このセラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面には、Ａｌ２Ｏ３層１２５、１２６が形成されている。
【００４２】
回路層１１２は、図６に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面（図６において上面）に銅板１２２が接合されることにより形成されている。回路層１１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、この回路層１１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図４において上面）が、半導体素子等の電子部品が搭載される搭載面１１２Ａとされている。
【００４３】
金属層１１３は、図６に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面（図６において下面）に、銅板１２３が接合されることにより形成されている。金属層１１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
【００４４】
そして、銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、さらに好ましくは、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有しており、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされている。
本実施形態においては、銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）にＺｒを１０ｍｏｌｐｐｍ添加したＺｒ−Ｄｏｐｅｄ銅とされている。
【００４５】
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５及び図６を参照して説明する。
【００４６】
本実施形態では、図５及び図６に示すように、回路層１１２となる銅板１２２とセラミックス基板１１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ１０１）とともに、金属層１１３となる銅板１２３とセラミックス基板１１１とを接合する（金属層形成工程Ｓ１０２）。本実施形態では、これら回路層形成工程Ｓ１０１と、金属層形成工程Ｓ１０２と、を同時に実施することになる。
【００４７】
まず、図５及び図６に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５，１２６を形成する（アルミナ層形成工程Ｓ１１０）。このアルミナ層形成工程Ｓ１１０においては、ＡｌＮの酸化処理を１２００℃以上でＡｒ−Ｏ２混合ガス雰囲気にて行った。酸素分圧ＰＯ２を１０ｋＰａとし、水蒸気分圧ＰＨ２Ｏを０．０５ｋＰａに調整した。このように、高酸素分圧／低水蒸気分圧雰囲気にてＡｌＮの酸化処理を行うことにより、ＡｌＮとの密着性に優れた緻密なＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６が形成されることになる。ここで、Ａｌ２Ｏ３層１２５，１２６の厚さは１μｍ以上とされている。
なお、高純度のＡｒガスを脱酸処理した後に酸素ガスを混合することによって酸素分圧を調整した。また、この雰囲気ガスをシリカゲルと五酸化二リンを充填した乾燥系に通すことで脱水処理を行った後に所定温度に調整された水中を通過させることによって水蒸気分圧を調整した。
【００４８】
次に、セラミックス基板１１１の一方の面側に銅板１２２を積層する。また、セラミックス基板１１１の他方の面側に銅板１２３を積層する（積層工程Ｓ１１１）。すなわち、セラミックス基板１１１と銅板１２２との間にＡｌ２Ｏ３層１２５を介在させ、セラミックス基板１１１と銅板１２３との間にＡｌ２Ｏ３層１２６を介在させているのである。
【００４９】
次に、銅板１２２、セラミックス基板１１１、銅板１２３をその積層方向に加圧した状態で、酸素含有雰囲気で加熱する（加熱工程Ｓ１１２）。ここで、本実施形態では、加熱温度は１０６５℃以上１０８３℃以下の範囲内に設定している。
すると、図６に示すように、銅板１２２とセラミックス基板１１１との界面に第１溶融金属領域１５５が形成され、セラミックス基板１１１と銅板１２３との界面に第２溶融金属領域１５６が形成される。これら第１溶融金属領域１５５及び第２溶融金属領域１５６は、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）との共晶反応によって融点が降下することにより形成されるものである。
【００５０】
次に、温度を低下させることにより、第１溶融金属領域１５５及び第２溶融金属領域１５６を凝固させる（凝固工程Ｓ１１３）。
このようして、銅板１２２、セラミックス基板１１１、銅板１２３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が製造されることになる。
【００５１】
以上のような構成とされた本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０によれば、回路層１１２が銅板１２２で構成されているので、回路層１１２の搭載面１１２Ａ上に搭載される半導体素子等の発熱体からの熱を効率良く促進することができる。
また、回路層１１２及び金属層１１３が、Ｚｒを１０ｍｏｌｐｐｍ含有する銅板１２２、１２３で構成されているので、Ｚｒが不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。これにより、銅板１２２（回路層１１２）及び銅板１２３（金属層１１３）の再結晶温度が低くなり、加工硬化が抑制されることになる。よって、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可能となる。
【００５２】
また、本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の一方の面にＡｌ２Ｏ３層１２５を形成し、かつ、他方の面にＡｌ２Ｏ３層１２６を形成し、これらＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６を利用して銅板１２２，１２３とセラミックス基板１１１とをＤＢＣ法によって接合していることから、銅板１２２，１２３とセラミックス基板１１１とを強固に接合することができる。このように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１であっても、ＤＢＣ法を利用して銅板１２２，１２３を接合することが可能となる。
【００５３】
さらに、アルミナ層形成工程Ｓ１１０において、形成するＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６の厚さを１μｍ以上としているので、銅板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とを確実に接合することが可能となる。
また、本実施形態では、高酸素分圧／低水蒸気分圧雰囲気にてＡｌＮの酸化処理を行うことにより、ＡｌＮとの密着性に優れた緻密なＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６を形成しているので、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１とＡｌ２Ｏ３層１２５、１２６との間での剥離の発生を防止することが可能となる。
【００５４】
次に、本発明の第３の実施形態について、図７から図９を参照して説明する。
図７に示す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７において上面）に形成された回路層２１２と、セラミックス基板２１１の他方の面（図７において下面）に形成された金属層２１３と、を備えている。
【００５５】
セラミックス基板２１１は、回路層２１２と金属層２１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮで構成されている。また、セラミックス基板２１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００５６】
回路層２１２は、図９に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面（図９において上面）に、銅板２２２が接合されることにより形成されている。回路層２１２の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、この回路層２１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図７において上面）が、半導体素子等の電子部品が搭載される搭載面２１２Ａとされている。
【００５７】
金属層２１３は、図９に示すように、セラミックス基板２１１の他方の面（図９において下面）に、銅板２２３が接合されることにより形成されている。金属層２１３の厚さは０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。
【００５８】
そして、銅板２２２（回路層２１２）及び銅板２２３（金属層２１３）は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされ、さらに好ましくは、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有しており、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされている。
本実施形態においては、銅板２２２（回路層２１２）及び銅板２２３（金属層２１３）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）にＬａを７ｍｏｌｐｐｍ添加したＬａ−Ｄｏｐｅｄ銅とされている。
【００５９】
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８及び図９を参照して説明する。
【００６０】
本実施形態では、図８及び図９に示すように、回路層２１２となる銅板２２２とセラミックス基板２１１とを接合する（回路層形成工程Ｓ２０１）とともに、金属層２１３となる銅板２２３とセラミックス基板２１１とを接合する（金属層形成工程Ｓ２０２）。本実施形態では、これら回路層形成工程Ｓ２０１と、金属層形成工程Ｓ２０２と、を同時に実施することになる。
【００６１】
銅板２２２、２２３とセラミックス基板２１１とは、いわゆる活性金属法によって接合されている。
まず、セラミックス基板２１１の一方の面側に銅板２２２を積層する。また、セラミックス基板２１１の他方の面側に銅板２２３を積層する（積層工程Ｓ２１１）。このとき、図９に示すように、銅板２２２とセラミックス基板２１１との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなるろう材２２５を配設し、セラミックス基板２１１と銅板２２３との間にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなるろう材２２６を配設する。
なお、本実施形態では、ろう材２２５、２２６は、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉの組成のものを用いた。
【００６２】
次に、銅板２２２、セラミックス基板２１１、銅板２２３をその積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気で加熱する（加熱工程Ｓ２１２）。なお、本実施形態では、１０−３Ｐａの真空雰囲気で、８５０℃、１０分の条件で加熱した。
すると、図９に示すように、銅板２２２とセラミックス基板２１１との界面に第１溶融金属領域２５５が形成され、セラミックス基板２１１と銅板２２３との界面に第２溶融金属領域２５６が形成される。
【００６３】
次に、温度を低下させることにより、第１溶融金属領域２５５及び第２溶融金属領域２５６を凝固させる（凝固工程Ｓ２１３）。
このようして、銅板２２２、セラミックス基板２１１、銅板２２３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が製造されることになる。
【００６４】
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によれば、回路層２１２が銅板２２２で構成されているので、回路層２１２の搭載面２１２Ａ上に搭載される半導体素子等の発熱体からの熱を効率良く促進することができる。
また、回路層２１２及び金属層２１３が、Ｌａを７ｍｏｌｐｐｍ含有する銅板２２２，２２３で構成されているので、Ｌａが不可避不純物のひとつとして銅中に存在するＳ（硫黄）と反応して硫化物を生成し、Ｓの影響を抑制することが可能となる。これにより、銅板２２２（回路層２１２）及び銅板２２３（金属層２１３）の再結晶温度が低くなり、加工硬化が抑制されることになる。よって、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板２１１の割れの発生を抑制することが可能となる。
【００６５】
また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉのろう材２２５，２２６を用いた活性金属法によって、銅板２２２，２２３とセラミックス基板２１１とを接合しているので、銅板２２２，２２３とセラミックス基板２１１との界面に酸素を介在させることなく、パワーモジュール用基板２１０を構成することができる。
【００６６】
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、セラミックス基板を、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮで構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等で構成されたものであってもよい。
【００６７】
また、回路層を構成する銅板と金属層を構成する銅板とを、同一の組成のものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層を構成する銅板と金属層を構成する銅板とを互いに組成の異なるものとしてもよい。
さらに、第２の実施形態において、ＡｌＮを酸化処理することによってＡｌ２Ｏ３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、他の手段によってセラミックス基板の表面にＡｌ２Ｏ３層を形成してもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、ヒートシンクの天板部をＡ６０６３合金で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、Ａ１１００合金、Ａ３００３合金、Ａ５０５２合金、Ａ７Ｎ０１合金等の他の金属材料で構成されたものであってもよい。
さらに、ヒートシンクの構造は、本実施形態に限定されることはなく、他の構造のヒートシンクを採用してもよい。
【００６９】
また、本実施形態では、ヒートシンクの上に一つのパワーモジュール用基板が接合された構成として説明したが、これに限定されることはなく、一つのヒートシンクの上に複数のパワーモジュール用基板が接合されていてもよい。
【実施例】
【００７０】
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。
Ａｌ２Ｏ３からなる厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板と、表１に示す組成の銅又は銅合金からなる厚さ０．３ｍｍの銅板と、を準備した。
これらの銅板、セラミックス基板、銅板を、第３の実施形態に記載された方法により接合した。なお、回路層形成工程Ｓ２０１及び金属層形成工程Ｓ２０２における加圧圧力を０．５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度を８５０℃とした。
【００７１】
そして、これらのパワーモジュール用基板に、冷熱サイクル（−４０℃←→１１０℃）を所定回数だけ負荷し、セラミックス基板の割れの有無について確認した。
【００７２】
【表１】
【００７３】
タフピッチ銅を用いた従来例１及び無酸素銅（ＯＦＣ）を用いた従来例２においては、冷熱サイクルを１０００回から２０００回負荷するまでに、セラミックス基板にクラックが認められた。
【００７４】
アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有する本発明例１〜１４においては、冷熱サイクルを２０００回負荷した時点でセラミックス基板に割れは認められなかった。特に、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有する本発明例１〜３、７〜１３では、冷熱サイクルを３０００回負荷した時点でもセラミックス基板に割れは認められなかった。
さらに、酸素含有量が異なる本発明例５と本発明例６とを比較すると、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされた本発明例５の方がセラミックス基板の割れ防止効果が高いことが確認された。
【符号の説明】
【００７５】
１ パワーモジュール
３ 半導体素子（電子部品）
１０、１１０、２１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１ セラミックス基板（絶縁基板）
１２、１１２、２１２ 回路層
１３、１１３、２１３ 金属層
２２、１２２、２２２ 銅板
２３、１２３、２２３ 銅板
４０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１ ヒートシンク
１２５、１２６ Ａｌ２Ｏ３層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、前記絶縁基板の一方の面に銅板が接合されて構成されており、
前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成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】
前記絶縁基板の他方の面に金属層が形成されており、この金属層は、前記絶縁基板の他方の面に銅板が接合されて構成されており、
前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされ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】
前記銅板は、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、ヒートシンクと、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項６】
請求項５に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層は、前記絶縁基板の一方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、
前記絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程と、前記絶縁基板の一方の面に銅板を接合して前記回路層を形成する回路層形成工程と、を備えており、
前記回路層形成工程においては、前記銅板と前記絶縁基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層を備え、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、
前記絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程と、前記絶縁基板の他方の面に銅板を接合して前記金属層を形成する金属層形成工程と、を備えており、
前記金属層形成工程においては、前記銅板と前記絶縁基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法によって接合することを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記前記回路層形成工程と前記金属層形成工程とを同時に実施することを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１】
絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板であって、
前記回路層は、前記絶縁基板の一方の面に銅板が接合されて構成されており、
前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成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】
前記絶縁基板の他方の面に金属層が形成されており、この金属層は、前記絶縁基板の他方の面に銅板が接合されて構成されており、
前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされていることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で３ｍｏｌｐｐｍ以上５０ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを３００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされ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】
前記銅板は、酸素含有量が１質量ｐｐｍ以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、ヒートシンクと、を備えたことを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項６】
請求項５に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板と、前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
絶縁基板と、この絶縁基板の一方の面に形成された回路層と、を備えたパワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記回路層は、前記絶縁基板の一方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、
前記絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程と、前記絶縁基板の一方の面に銅板を接合して前記回路層を形成する回路層形成工程と、を備えており、
前記回路層形成工程においては、前記銅板と前記絶縁基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法によって接合することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記パワーモジュール用基板は、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層を備え、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面に銅板が接合されて構成されており、前記銅板は、接合される前において、少なくとも、アルカリ土類元素、遷移金属元素、希土類元素のうちの１種以上を合計で１ｍｏｌｐｐｍ以上１００ｍｏｌｐｐｍ以下、又は、ボロンを１００ｍｏｌｐｐｍ以上１０００ｍｏｌｐｐｍ以下のいずれか一方を含有し、残部が銅及び不可避不純物とされた組成とされており、
前記絶縁基板の接合面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程と、前記絶縁基板の他方の面に銅板を接合して前記金属層を形成する金属層形成工程と、を備えており、
前記金属層形成工程においては、前記銅板と前記絶縁基板とを、銅（Ｃｕ）と亜酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）の共晶域での液相を利用したＤＢＣ法によって接合することを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記前記回路層形成工程と前記金属層形成工程とを同時に実施することを特徴とする請求項９に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−４１９１３（Ｐ２０１３−４１９１３Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７６７１２（Ｐ２０１１−１７６７１２）
【出願日】平成２３年８月１２日（２０１１．８．１２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１２日（２０１１．８．１２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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