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、絶縁基板１１の他方の面に形成された金属層１３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、金属層１３は、絶縁基板１１の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成されており、回路層１２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。
【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、絶縁基板１１の他方の面に形成された金属層１３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、金属層１３は、絶縁基板１１の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成されており、回路層１２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。
【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。また、特許文献２の第１図には、上述のパワーモジュール用基板に、有機系耐熱性接着剤用いてアルミニウム製のヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第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。
また、特許文献２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、アルミニウム製のヒートシンクと絶縁基板との間に銅板が配設されていることから、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、この銅板において十分に緩和することができず、冷熱サイクル負荷時に絶縁基板に割れ等が生じやすい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、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、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、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成されており、前記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、前記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。
【００１２】
また、前記回路層を構成する銅板は、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。
【００１３】
さらに、前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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、前記金属層のうち接合界面近傍における前記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ことが好ましい。
この場合、前記金属層に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，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いるので、前記金属層の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属層部分での破断を防止することができる。
【００１４】
また、前記金属層のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上とされているので、金属層の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記金属層のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が５質量％以下とされているので、金属層の接合界面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に熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを金属層で緩和することが可能となり、絶縁基板の割れの発生を抑制できる。
【００１５】
さらに、前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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が、前記金属層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が形成されていることが好ましい。
この場合、金属層の接合界面に、前記添加元素の濃度が前記金属層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が形成されているので、界面近傍に存在する前記添加元素原子により、金属層の接合強度の向上を図ることが可能となる。なお、金属層中の前記添加元素の濃度とは、金属層のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ以上）離れた部分における前記添加元素の濃度である。
【００１６】
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配設されたヒートシンクと、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、アルミニウム板からなる金属層にヒートシンクが接合されているので、冷熱サイクル負荷時の熱歪みを金属層の変形によって緩和することができ、絶縁基板の割れを抑制することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、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、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成され、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、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム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、前記金属層形成工程においては、前記アルミニウム板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記アルミニウム板を接合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、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、前記金属層形成工程においては、前記第二の金属板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記アルミニウム板を接合する構成としているので、前記アルミニウム板と前記絶縁基板とを強固に接合することができる。また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、前記アルミニウム板の接合界面に溶融金属領域を形成することができる。なお、これらの添加元素は、前記アルミニウム板等の接合面に固着させてもよいし、接合面にこれらの添加元素を含む金属箔（ろう材箔）を配設してもよい。
【００２０】
ここで、前記金属層形成工程においては、前記添加元素が前記アルミニウム板側に向けて拡散することにより、接合界面に溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることによって接合することが好ましい。
この場合、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記アルミニウム板の接合界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記アルミニウム板を接合する、いわゆるＴｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇによって接合しているので、比較的低温条件でおいても、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。
【００２１】
また、前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量を０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上としているので、前記アルミニウム板の接合界面に、溶融金属領域を確実に形成することができる。
【００２２】
さらに、前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量を１０ｍｇ／ｃｍ２以下としているので、前記添加元素が過剰に前記アルミニウム板側に拡散して接合界面近傍の前記金属層の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを金属層で緩和することができ、絶縁基板の割れ等を防止できる。
また、前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、前記金属層のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内とされたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２３】
さらに、前記回路層形成工程の前に、前記絶縁基板の少なくとも一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程を行うことが好ましい。
この場合、絶縁基板の一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成することにより、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。
【発明の効果】
【００２４】
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】
【００２５】
【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における金属層の添加元素の濃度分布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及びヒートシンク（放熱板）の添加元素の濃度分布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及びヒートシンク付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６】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及びヒートシンク付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】図６におけるセラミックス基板と金属層（アルミニウム板）との接合界面近傍を示す説明図である。
【図８】図６におけるヒートシンク（放熱板）と金属層（アルミニウム板）との接合界面近傍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及びパワーモジュールの概略説明図である。
【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（銅板）とセラミックス基板との接合界面に拡大説明図である。
【図１１】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付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１２】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付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】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１４】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１５】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。
【図１６】本発明の他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。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
回路層１２は、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図６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。
【００３０】
そして、この銅板２２（回路層１２）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）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。
【００３１】
金属層１３は、図６に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図６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。
このアルミニウム板２３（金属層１３）は、純度が９９質量％以上で、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされている。
本実施形態においては、アルミニウム板２３（金属層１３）は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
【００３２】
ここで、図２に示すように、セラミックス基板１１と金属層１３との接合界面３０においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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が固溶している。
金属層１３の接合界面３０近傍には、接合界面３０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（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層３１が形成されている。また、この濃度傾斜層３１の接合界面３０側（金属層１３の接合界面３０近傍）の添加元素の濃度（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。
なお、金属層１３の接合界面３０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３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、金属層１３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。
【００３３】
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、放熱板４２は、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上のものとされており、本実施形態では、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。
【００３４】
ここで、図３に示すように、金属層１３と放熱板４２との接合界面３５においては、金属層１３及び放熱板４２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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が固溶している。
ここで、金属層１３及び放熱板４２の接合界面３５近傍には、接合界面３５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（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層３６、３７が形成されている。また、この濃度傾斜層３６、３７の接合界面３５側（金属層１３及び放熱板４２の接合界面３５近傍）の添加元素の濃度（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。
なお、この金属層１３及び放熱板４２の接合界面３５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３５から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図３のグラフは、金属層１３及び放熱板４２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。
【００３５】
また、セラミックス基板１１と金属層１３との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図４に示すように、接合界面３０に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部３２が形成されている。この添加元素高濃度部３２においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、金属層１３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３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００３６】
なお、ここで観察する接合界面３０は、金属層１３の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の接合界面３０側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、金属層１３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）は、金属層１３のうち接合界面３０から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）である。
【００３７】
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５から図８を参照して説明する。
【００３８】
まず、図５及び図６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）。ここで、セラミックス基板１１がＡｌ２Ｏ３で構成されていることから、銅板２２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）により接合する。具体的には、銅板２２とセラミックス基板１１とを接触させ、酸素が微量添加された窒素ガス雰囲気中において１０７５℃で１０分加熱することで、銅板２２とセラミックス基板１１とが接合されることになる。
【００３９】
次に、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を接合する（金属層形成工程Ｓ０２）とともに、アルミニウム板２３とヒートシンク４１の放熱板４２とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。本実施形態では、これら金属層形成工程Ｓ０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ０３と、を同時に実施することになる。
【００４０】
アルミニウム板２３の一方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層５１を形成するとともに、アルミニウム板２３の他方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層５２を形成する（固着層形成工程Ｓ１１）。ここで、第１固着層５１及び第２固着層５２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おり、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層５１及び第２固着層５２におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００４１】
次に、図６に示すように、アルミニウム板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。さらに、アルミニウム板２３の他方の面側に放熱板４２を積層する（積層工程Ｓ１２）。
このとき、図６に示すように、アルミニウム板２３の第１固着層５１が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、かつ、アルミニウム板２３の第２固着層５２が形成された面が放熱板４２を向くようにして、これらを積層する。すなわち、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との間に第１固着層５１（添加元素：Ｃｕ）を介在させ、アルミニウム板２３と放熱板４２との間に第２固着層５２（添加元素：Ｃｕ）を介在させているのである。
【００４２】
次に、銅板２２及びセラミックス基板１１、アルミニウム板２３、放熱板４２をその積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００４３】
すると、図７に示すように、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に第１溶融金属領域５５が形成されることになる。この第１溶融金属領域５５は、第１固着層５１の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板２３側に拡散することによって、アルミニウム板２３の第１固着層５１近傍の添加元素の濃度（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。
また、図８に示すように、アルミニウム板２３と放熱板４２との界面に第２溶融金属領域５６が形成される。この第２溶融金属領域５６は、第２固着層５２の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板２３側及び放熱板４２側に拡散することによって、アルミニウム板２３及び放熱板４２の第２固着層５２近傍の添加元素の濃度（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。
【００４４】
次に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６が形成された状態で温度を一定に保持しておく（溶融金属凝固工程Ｓ１４）。
すると、第１溶融金属領域５５中のＣｕが、さらにアルミニウム板２３側へと拡散していくことになる。これにより、第１溶融金属領域５５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。これにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域５６中のＣｕが、さらにアルミニウム板２３側及び放熱板４２側へと拡散し、第２溶融金属領域５６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。これにより、アルミニウム板２３と放熱板４２とが接合される。
【００４５】
つまり、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３、及び、アルミニウム板２３と放熱板４２は、いわゆるＴｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇによって接合されているのである。
【００４６】
このようにして、銅板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３、ヒートシンク４１の放熱板４２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及びヒートシンク付パワーモジュール用基板４０が製造されることになる。
【００４７】
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。
【００４８】
そして、回路層１２を構成する銅板２２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）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）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。
【００４９】
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）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。
【００５０】
また、金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面３０、及び、金属層１３とヒートシンク４１の放熱板４２との接合界面３５には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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、金属層１３の接合界面３０、３５側部分が固溶強化することになり、金属層１３部分での破断を防止することができる。
【００５１】
ここで、金属層１３のうち接合界面３０、３５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、金属層１３の接合界面３０、３５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１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを金属層１３で緩和することが可能となり、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制できる。
【００５２】
また、金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面３０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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、金属層１３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３２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、金属層１３の接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００５３】
また、ヒートシンク４１の放熱板４２を、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上のものとしており、本実施形態では、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されたものとしていることから、剛性が高く、取扱いが容易となる。
【００５４】
さらに、ヒートシンク４１の放熱板４２とセラミックス基板１１との間に、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム（本実施形態では、純度９９．９９％以上の純アルミニウム）からなる金属層１３が配設されているので、ヒートシンク４１の放熱板４２の剛性が高くても、ヒートシンク４１の放熱板４２とセラミックス基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを金属層１３で十分に緩和することができ、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。
【００５５】
本実施形態では、金属層形成工程Ｓ０２及びヒートシンク接合工程Ｓ０３において、添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板２３側及び放熱板４２側に向けて拡散することにより、接合界面３０、３５に第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を形成し、この第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を凝固させることによって接合する、いわゆるＴｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇによって接合しているので、比較的低温条件で強固に接合することができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０及びヒートシンク付パワーモジュール用基板４０を製造することが可能となる。
【００５６】
また、アルミニウム板２３の接合面に形成される第１固着層５１及び第２固着層５２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おり、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層５１及び第２固着層５２におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されているので、アルミニウム板２３の接合界面３０、３５に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を確実に形成することができる。また、添加元素（Ｃｕ）が過剰にアルミニウム板２３側に拡散して接合界面３０、３５近傍の金属層１３（アルミニウム板２３）の強度が過剰に高くなることを防止できる。
【００５７】
また、本実施形態では、金属層形成工程Ｓ０２とヒートシンク接合工程Ｓ０３とを同時に行う構成としているので、アルミニウム板２３の両面の接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の製造コストを大幅に削減することができる。さらに、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。
また、スパッタリングにより、アルミニウム板２３の接合面に添加元素（Ｃｕ）を固着させることで、第１固着層５１及び第２固着層５２を形成しているので、アルミニウム板２３の接合界面３０、３５に確実に添加元素（Ｃｕ）を配置することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施形態について、図９から図１２を参照して説明する。
図９に示すパワーモジュール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の搭載面１１２Ａ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１４１とを備えている。
【００５９】
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９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９において下面）に接合された金属層１１３と、を備えている。
【００６０】
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。
【００６１】
回路層１１２は、図１２に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に銅板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。
そして、この銅板１２２（回路層１１２）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１２２（回路層１１２）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。
【００６２】
金属層１１３は、図１２に示すように、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。
このアルミニウム板１２３（金属層１１３）は、純度が９９質量％以上で、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされている。本実施形態においては、アルミニウム板１２３（金属層１１３）は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
【００６３】
ヒートシンク１４１は、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４４と、を備えている。
ここで、ヒートシンク１４１（天板部１４２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、かつ、構造材としての剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態においては、ヒートシンク１４１の天板部１４２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００６４】
セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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Ａｇが固溶している。
金属層１１３の接合界面近傍には、接合界面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（本実施形態ではＡｇ濃度）が低下する濃度傾斜層が形成されている。また、この濃度傾斜層の接合界面側（金属層１１３の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＡｇ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。なお、金属層１１３の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。
【００６５】
また、金属層１１３と天板部１４２との接合界面においては、金属層１１３及び天板部１４２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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Ａｇが固溶している。
金属層１１３及び天板部１４２の接合界面近傍には、接合界面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（本実施形態ではＡｇ濃度）が低下する濃度傾斜層が形成されている。また、この濃度傾斜層の接合界面側（金属層１１３及び天板部１４２の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＡｇ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。なお、この金属層１１３及び天板部１４２の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。
【００６６】
また、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面を透過電子顕微鏡において観察した場合には、接合界面に添加元素（Ａｇ）が濃縮した添加元素高濃度部が形成されている。この添加元素高濃度部においては、添加元素の濃度（Ａｇ濃度）が、金属層１１３中の添加元素の濃度（Ａｇ濃度）の２倍以上とされている。この添加元素高濃度部の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面は、金属層１１３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とする。また、金属層１１３中の添加元素の濃度（Ａｇ濃度）は、金属層１１３のうち接合界面から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ａｇ濃度）である。
【００６７】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の製造方法について説明する。
【００６８】
まず、図１１及び図１２に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の表面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５を形成する（アルミナ層形成工程Ｓ１００）。このアルミナ層形成工程Ｓ１００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が形成されることになる。ここで、Ａｌ２Ｏ３層１２５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。
【００６９】
次に、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）。ここで、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の一方の面にＡｌ２Ｏ３層１２５が形成されていることから、銅板１２２とＡｌ２Ｏ３層１２５とが、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）により接合されることになる。具体的には、銅板１２２とＡｌ２Ｏ３層１２５とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することで、銅板１２２とＡｌ２Ｏ３層１２５とを接合するのである。
【００７０】
次に、セラミックス基板１１１の他方の面側に、金属層１１３となるアルミニウム板１２３を接合する（金属層形成工程Ｓ１０２）とともに、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４１（天板部１４２）とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。本実施形態では、金属層形成工程Ｓ１０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ１０３と、を同時に実施することになる。
【００７１】
アルミニウム板１２３の一方の面にスパッタリングによって添加元素を固着して第１固着層１５１を形成するとともに、アルミニウム板１２３の他方の面にスパッタリングによって添加元素を固着して第２固着層１５２を形成する（固着層形成工程Ｓ１１１）。ここで、第１固着層１５１及び第２固着層１５２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おり、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いており、第１固着層１５１及び第２固着層１５２におけるＡｇ量が０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００７２】
次に、図１２に示すように、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。さらに、アルミニウム板１２３の他方の面側に天板部１４２を積層する（積層工程Ｓ１１２）。
このとき、図１２に示すように、アルミニウム板１２３の第１固着層１５１が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように、かつ、アルミニウム板１２３の第２固着層１５２が形成された面が天板部１４２を向くようにして、これらを積層する。すなわち、アルミニウム板１２３とセラミックス基板１１１との間に第１固着層１５１（添加元素：Ａｇ）を介在させ、アルミニウム板１２３と天板部１４２との間に第２固着層１５２（添加元素：Ａｇ）を介在させているのである。
【００７３】
次に、銅板１２２及びセラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、天板部１４２をその積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００７４】
すると、アルミニウム板１２３とセラミックス基板１１１との界面に第１溶融金属領域が形成されることになる。この第１溶融金属領域は、第１固着層１５１の添加元素（Ａｇ）がアルミニウム板１２３側に拡散することによって、アルミニウム板１２３の第１固着層１５１近傍の添加元素の濃度（Ａｇ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。
また、アルミニウム板１２３と天板部１４２との界面に第２溶融金属領域が形成される。この第２溶融金属領域は、第２固着層１５２の添加元素（Ａｇ）がアルミニウム板１２３側及び天板部１４２側に拡散することによって、アルミニウム板１２３及び天板部１１２の第２固着層１５２近傍の添加元素の濃度（Ａｇ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。
【００７５】
次に、第１溶融金属領域、第２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（溶融金属凝固工程Ｓ１１４）。
すると、第１溶融金属領域中のＡｇが、さらにアルミニウム板１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第１溶融金属領域であった部分のＡｇ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。これにより、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域中のＡｇが、さらにアルミニウム板１２３側及び天板部１４２側へと拡散し、第２溶融金属領域であった部分のＡｇ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。これにより、アルミニウム板１２３と天板部１４２とが接合される。
【００７６】
つまり、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３、及び、アルミニウム板１２３と天板部１４２とは、いわゆる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。
【００７７】
このようにして、銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４１（天板部１４２）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及びヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０が製造されることになる。
【００７８】
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３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が、Ｚｒを１０ｍｏｌｐｐｍ含有する銅板１２２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）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。
【００７９】
また、本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の表面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５を形成し、このＡｌ２Ｏ３層１２５を利用して銅板１２２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を接合することが可能となる。
【００８０】
さらに、アルミナ層形成工程Ｓ１００において、形成するＡｌ２Ｏ３層１２５の厚さを１μｍ以上としているので、銅板１２２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との間での剥離の発生を防止することが可能となる。
【００８１】
次に、本発明の第３の実施形態について、図１３から図１５を参照して説明する。
図１３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１３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１３において下面）に形成された金属層２１３と、を備えている。
【００８２】
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。
【００８３】
回路層２１２は、図１５に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面（図１５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１３において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面２１２Ａとされている。
【００８４】
そして、この銅板２２２（回路層２１２）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）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。
【００８５】
金属層２１３は、図１５に示すように、セラミックス基板２１１の他方の面（図１５において下面）に、アルミニウム板２２３が接合されることにより形成されている。
このアルミニウム板２２３（金属層２１３）は、純度が９９質量％以上で、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされている。
本実施形態においては、アルミニウム板２２３（金属層２１３）は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
【００８６】
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説明する。
まず、図１４及び図１５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）。ここで、セラミックス基板２１１と銅板２２２とは、いわゆる活性金属法によって接合されている。この活性金属法は、図１５に示すように、セラミックス基板２１１と銅板２２２との間に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなるろう材２２５を配設して、セラミックス基板２１１と銅板２２２とを接合するものである。
本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなるろう材２２５を用いて、１０−３Ｐａの真空中にて、積層方向に加圧した状態で８５０℃で１０分加熱することによって、セラミックス基板２１１と銅板２２２とを接合している。
【００８７】
次に、セラミックス基板２１１の他方の面側に金属層２１３となるアルミニウム板２２３を接合する（金属層形成工程Ｓ２０２）。ここで、セラミックス基板２１１とアルミニウム板２２３とは、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合されている。
本実施形態では、図１５に示すように、セラミックス基板２１１とアルミニウム板２２３との間に、１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔２２６を配設し、積層方向に加圧した状態でＮ２ガス雰囲気の加熱炉内に装入して５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に加熱することによって、アルミニウム板２２３とセラミックス基板２１１とを接合している。
【００８８】
このようにして、銅板２２２、セラミックス基板２１１、アルミニウム板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。
【００８９】
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が、Ｌａを７ｍｏｌｐｐｍ含有する銅板２２２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）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。
【００９０】
また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉのろう材２２５を用いた活性金属法によって、銅板２２２とセラミックス基板２１１とを接合しているので、銅板２２２及びセラミックス基板２１１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。
【００９１】
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。
また、金属層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９％以上の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはない。
【００９２】
また、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。
さらに、第１の実施形態及び第２の実施形態における固着層形成工程において、スパッタによって添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着、ＣＶＤ、めっき又はペーストの塗布によって添加元素を固着させてもよい。
【００９３】
さらに、図１６に示すように、金属層３１３を、複数のアルミニウム板３１３Ａ、３１３Ｂを積層した構造としてもよい。なお、図１６では、２枚のアルミニウム板３１３Ａ、３１３Ｂを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、図１６に示すように、積層するアルミニウム板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
【００９４】
また、本実施形態では、ヒートシンクを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。
【００９５】
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】
【００９６】
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。
ＡｌＮからなる厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板と、表１に示す組成の無酸素銅に任意の元素を添加したＤｏｐｅｄ銅、無酸素銅（ＯＦＣ）、タプピッチ銅（ＴＰＣ）からなる厚さ０．３ｍｍの銅板と、純度９９．９９質量％のアルミニウム（４ＮＡｌ）からなる厚さ１．６ｍｍのアルミニウム板と、を準備した。
これらのセラミックス基板、銅板、アルミニウム板を、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における加圧圧力を０．５ｇｆ／ｃｍ２、加熱温度を８５０℃とした。また、金属層形成工程Ｓ２０２における加圧圧力を５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度を６４０℃とした。
【００９７】
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。
【００９８】
【表１】
【００９９】
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。
【０１００】
これに対して、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】
【０１０１】
１、１０１、３０１ パワーモジュール
３ 半導体素子（電子部品）
１０、１１０、２１０、３１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１ セラミックス基板（絶縁基板）
１２、１１２、２１２、３１２ 回路層
１３、１１３、２１３、３１３ 金属層
２２、１２２、２２２ 銅板
２３、１２３、２２３ アルミニウム板
３０ 接合界面（セラミックス基板／金属層）
３２ 添加元素高濃度部
３５ 接合界面（金属層／ヒートシンク）
４０、１４０、３４０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１、１４１、３４１ ヒートシンク
１２５ 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。また、特許文献２の第１図には、上述のパワーモジュール用基板に、有機系耐熱性接着剤用いてアルミニウム製のヒートシンクを接合したヒートシンク付パワーモジュール用基板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第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。
また、特許文献２に記載されたヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、アルミニウム製のヒートシンクと絶縁基板との間に銅板が配設されていることから、ヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを、この銅板において十分に緩和することができず、冷熱サイクル負荷時に絶縁基板に割れ等が生じやすい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、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、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、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成されており、前記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、前記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。
【００１２】
また、前記回路層を構成する銅板は、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。
【００１３】
さらに、前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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、前記金属層のうち接合界面近傍における前記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ことが好ましい。
この場合、前記金属層に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，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いるので、前記金属層の接合界面側部分が固溶強化することになる。これにより、金属層部分での破断を防止することができる。
【００１４】
また、前記金属層のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上とされているので、金属層の接合界面側部分を確実に固溶強化することができる。また、前記金属層のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が５質量％以下とされているので、金属層の接合界面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に熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを金属層で緩和することが可能となり、絶縁基板の割れの発生を抑制できる。
【００１５】
さらに、前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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が、前記金属層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が形成されていることが好ましい。
この場合、金属層の接合界面に、前記添加元素の濃度が前記金属層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が形成されているので、界面近傍に存在する前記添加元素原子により、金属層の接合強度の向上を図ることが可能となる。なお、金属層中の前記添加元素の濃度とは、金属層のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ以上）離れた部分における前記添加元素の濃度である。
【００１６】
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配設されたヒートシンクと、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、アルミニウム板からなる金属層にヒートシンクが接合されているので、冷熱サイクル負荷時の熱歪みを金属層の変形によって緩和することができ、絶縁基板の割れを抑制することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、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、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成され、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、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム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、前記金属層形成工程においては、前記アルミニウム板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記アルミニウム板を接合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、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、前記金属層形成工程においては、前記第二の金属板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記アルミニウム板を接合する構成としているので、前記アルミニウム板と前記絶縁基板とを強固に接合することができる。また、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉといった元素は、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温な条件においても、前記アルミニウム板の接合界面に溶融金属領域を形成することができる。なお、これらの添加元素は、前記アルミニウム板等の接合面に固着させてもよいし、接合面にこれらの添加元素を含む金属箔（ろう材箔）を配設してもよい。
【００２０】
ここで、前記金属層形成工程においては、前記添加元素が前記アルミニウム板側に向けて拡散することにより、接合界面に溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることによって接合することが好ましい。
この場合、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を前記アルミニウム板側に拡散させることにより、前記アルミニウム板の接合界面に前記溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることで、前記アルミニウム板を接合する、いわゆるＴｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇによって接合しているので、比較的低温条件でおいても、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。
【００２１】
また、前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量を０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上としているので、前記アルミニウム板の接合界面に、溶融金属領域を確実に形成することができる。
【００２２】
さらに、前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量を１０ｍｇ／ｃｍ２以下としているので、前記添加元素が過剰に前記アルミニウム板側に拡散して接合界面近傍の前記金属層の強度が過剰に高くなることを防止できる。よって、パワーモジュール用基板に冷熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを金属層で緩和することができ、絶縁基板の割れ等を防止できる。
また、前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、前記金属層のうち接合界面近傍における前記添加元素の濃度の合計が０．０１質量％以上５質量％以下の範囲内とされたパワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２３】
さらに、前記回路層形成工程の前に、前記絶縁基板の少なくとも一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程を行うことが好ましい。
この場合、絶縁基板の一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成することにより、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。
【発明の効果】
【００２４】
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】
【００２５】
【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における金属層の添加元素の濃度分布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及びヒートシンク（放熱板）の添加元素の濃度分布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及びヒートシンク付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６】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及びヒートシンク付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】図６におけるセラミックス基板と金属層（アルミニウム板）との接合界面近傍を示す説明図である。
【図８】図６におけるヒートシンク（放熱板）と金属層（アルミニウム板）との接合界面近傍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及びパワーモジュールの概略説明図である。
【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（銅板）とセラミックス基板との接合界面に拡大説明図である。
【図１１】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付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１２】本発明の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付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】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１４】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１５】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。
【図１６】本発明の他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。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
回路層１２は、図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図６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。
【００３０】
そして、この銅板２２（回路層１２）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）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。
【００３１】
金属層１３は、図６に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図６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。
このアルミニウム板２３（金属層１３）は、純度が９９質量％以上で、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされている。
本実施形態においては、アルミニウム板２３（金属層１３）は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
【００３２】
ここで、図２に示すように、セラミックス基板１１と金属層１３との接合界面３０においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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が固溶している。
金属層１３の接合界面３０近傍には、接合界面３０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（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層３１が形成されている。また、この濃度傾斜層３１の接合界面３０側（金属層１３の接合界面３０近傍）の添加元素の濃度（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。
なお、金属層１３の接合界面３０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３０から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図２のグラフは、金属層１３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。
【００３３】
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、放熱板４２は、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上のものとされており、本実施形態では、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。
【００３４】
ここで、図３に示すように、金属層１３と放熱板４２との接合界面３５においては、金属層１３及び放熱板４２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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が固溶している。
ここで、金属層１３及び放熱板４２の接合界面３５近傍には、接合界面３５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（本実施形態ではＣｕ濃度）が低下する濃度傾斜層３６、３７が形成されている。また、この濃度傾斜層３６、３７の接合界面３５側（金属層１３及び放熱板４２の接合界面３５近傍）の添加元素の濃度（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。
なお、この金属層１３及び放熱板４２の接合界面３５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３５から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図３のグラフは、金属層１３及び放熱板４２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。
【００３５】
また、セラミックス基板１１と金属層１３との接合界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図４に示すように、接合界面３０に添加元素（Ｃｕ）が濃縮した添加元素高濃度部３２が形成されている。この添加元素高濃度部３２においては、添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が、金属層１３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３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００３６】
なお、ここで観察する接合界面３０は、金属層１３の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の接合界面３０側端部との間の中央を基準面Ｓとする。また、金属層１３中の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）は、金属層１３のうち接合界面３０から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）である。
【００３７】
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５から図８を参照して説明する。
【００３８】
まず、図５及び図６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）。ここで、セラミックス基板１１がＡｌ２Ｏ３で構成されていることから、銅板２２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）により接合する。具体的には、銅板２２とセラミックス基板１１とを接触させ、酸素が微量添加された窒素ガス雰囲気中において１０７５℃で１０分加熱することで、銅板２２とセラミックス基板１１とが接合されることになる。
【００３９】
次に、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を接合する（金属層形成工程Ｓ０２）とともに、アルミニウム板２３とヒートシンク４１の放熱板４２とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０３）。本実施形態では、これら金属層形成工程Ｓ０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ０３と、を同時に実施することになる。
【００４０】
アルミニウム板２３の一方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第１固着層５１を形成するとともに、アルミニウム板２３の他方の面にスパッタリングによって添加元素（Ｃｕ）を固着して第２固着層５２を形成する（固着層形成工程Ｓ１１）。ここで、第１固着層５１及び第２固着層５２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おり、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層５１及び第２固着層５２におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００４１】
次に、図６に示すように、アルミニウム板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する。さらに、アルミニウム板２３の他方の面側に放熱板４２を積層する（積層工程Ｓ１２）。
このとき、図６に示すように、アルミニウム板２３の第１固着層５１が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、かつ、アルミニウム板２３の第２固着層５２が形成された面が放熱板４２を向くようにして、これらを積層する。すなわち、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との間に第１固着層５１（添加元素：Ｃｕ）を介在させ、アルミニウム板２３と放熱板４２との間に第２固着層５２（添加元素：Ｃｕ）を介在させているのである。
【００４２】
次に、銅板２２及びセラミックス基板１１、アルミニウム板２３、放熱板４２をその積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に設定し、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００４３】
すると、図７に示すように、アルミニウム板２３とセラミックス基板１１との界面に第１溶融金属領域５５が形成されることになる。この第１溶融金属領域５５は、第１固着層５１の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板２３側に拡散することによって、アルミニウム板２３の第１固着層５１近傍の添加元素の濃度（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。
また、図８に示すように、アルミニウム板２３と放熱板４２との界面に第２溶融金属領域５６が形成される。この第２溶融金属領域５６は、第２固着層５２の添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板２３側及び放熱板４２側に拡散することによって、アルミニウム板２３及び放熱板４２の第２固着層５２近傍の添加元素の濃度（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。
【００４４】
次に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６が形成された状態で温度を一定に保持しておく（溶融金属凝固工程Ｓ１４）。
すると、第１溶融金属領域５５中のＣｕが、さらにアルミニウム板２３側へと拡散していくことになる。これにより、第１溶融金属領域５５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。これにより、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域５６中のＣｕが、さらにアルミニウム板２３側及び放熱板４２側へと拡散し、第２溶融金属領域５６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。これにより、アルミニウム板２３と放熱板４２とが接合される。
【００４５】
つまり、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３、及び、アルミニウム板２３と放熱板４２は、いわゆるＴｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇによって接合されているのである。
【００４６】
このようにして、銅板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３、ヒートシンク４１の放熱板４２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及びヒートシンク付パワーモジュール用基板４０が製造されることになる。
【００４７】
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。
【００４８】
そして、回路層１２を構成する銅板２２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）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）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。
【００４９】
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）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。
【００５０】
また、金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面３０、及び、金属層１３とヒートシンク４１の放熱板４２との接合界面３５には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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、金属層１３の接合界面３０、３５側部分が固溶強化することになり、金属層１３部分での破断を防止することができる。
【００５１】
ここで、金属層１３のうち接合界面３０、３５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、金属層１３の接合界面３０、３５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１０に冷熱サイクルが負荷された際に、熱歪みを金属層１３で緩和することが可能となり、セラミックス基板１１の割れの発生を抑制できる。
【００５２】
また、金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面３０には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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、金属層１３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３２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、金属層１３の接合強度の向上を図ることが可能となる。
【００５３】
また、ヒートシンク４１の放熱板４２を、耐力が１００Ｎ／ｍｍ２以上の金属材料で構成され、その厚さが２ｍｍ以上のものとしており、本実施形態では、Ａ６０６３合金（アルミニウム合金）で構成されたものとしていることから、剛性が高く、取扱いが容易となる。
【００５４】
さらに、ヒートシンク４１の放熱板４２とセラミックス基板１１との間に、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム（本実施形態では、純度９９．９９％以上の純アルミニウム）からなる金属層１３が配設されているので、ヒートシンク４１の放熱板４２の剛性が高くても、ヒートシンク４１の放熱板４２とセラミックス基板１１との熱膨張係数の差に起因する熱歪みを金属層１３で十分に緩和することができ、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。
【００５５】
本実施形態では、金属層形成工程Ｓ０２及びヒートシンク接合工程Ｓ０３において、添加元素（Ｃｕ）がアルミニウム板２３側及び放熱板４２側に向けて拡散することにより、接合界面３０、３５に第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を形成し、この第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を凝固させることによって接合する、いわゆるＴｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇによって接合しているので、比較的低温条件で強固に接合することができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０及びヒートシンク付パワーモジュール用基板４０を製造することが可能となる。
【００５６】
また、アルミニウム板２３の接合面に形成される第１固着層５１及び第２固着層５２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おり、本実施形態では、添加元素としてＣｕを用いており、第１固着層５１及び第２固着層５２におけるＣｕ量が０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されているので、アルミニウム板２３の接合界面３０、３５に、第１溶融金属領域５５、第２溶融金属領域５６を確実に形成することができる。また、添加元素（Ｃｕ）が過剰にアルミニウム板２３側に拡散して接合界面３０、３５近傍の金属層１３（アルミニウム板２３）の強度が過剰に高くなることを防止できる。
【００５７】
また、本実施形態では、金属層形成工程Ｓ０２とヒートシンク接合工程Ｓ０３とを同時に行う構成としているので、アルミニウム板２３の両面の接合工程を１回で行うことができ、このヒートシンク付パワーモジュール用基板４０の製造コストを大幅に削減することができる。さらに、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。
また、スパッタリングにより、アルミニウム板２３の接合面に添加元素（Ｃｕ）を固着させることで、第１固着層５１及び第２固着層５２を形成しているので、アルミニウム板２３の接合界面３０、３５に確実に添加元素（Ｃｕ）を配置することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施形態について、図９から図１２を参照して説明する。
図９に示すパワーモジュール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の搭載面１１２Ａ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１４１とを備えている。
【００５９】
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９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９において下面）に接合された金属層１１３と、を備えている。
【００６０】
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。
【００６１】
回路層１１２は、図１２に示すように、セラミックス基板１１１の一方の面に銅板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。
そして、この銅板１２２（回路層１１２）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１２２（回路層１１２）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。
【００６２】
金属層１１３は、図１２に示すように、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。
このアルミニウム板１２３（金属層１１３）は、純度が９９質量％以上で、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされている。本実施形態においては、アルミニウム板１２３（金属層１１３）は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
【００６３】
ヒートシンク１４１は、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４２と、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路１４４と、を備えている。
ここで、ヒートシンク１４１（天板部１４２）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、かつ、構造材としての剛性を確保する必要がある。そこで、本実施形態においては、ヒートシンク１４１の天板部１４２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００６４】
セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面においては、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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Ａｇが固溶している。
金属層１１３の接合界面近傍には、接合界面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（本実施形態ではＡｇ濃度）が低下する濃度傾斜層が形成されている。また、この濃度傾斜層の接合界面側（金属層１１３の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＡｇ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。なお、金属層１１３の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。
【００６５】
また、金属層１１３と天板部１４２との接合界面においては、金属層１１３及び天板部１４２に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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Ａｇが固溶している。
金属層１１３及び天板部１４２の接合界面近傍には、接合界面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（本実施形態ではＡｇ濃度）が低下する濃度傾斜層が形成されている。また、この濃度傾斜層の接合界面側（金属層１１３及び天板部１４２の接合界面近傍）の添加元素の濃度（本実施形態ではＡｇ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。なお、この金属層１１３及び天板部１４２の接合界面近傍の添加元素の濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。
【００６６】
また、セラミックス基板１１１と金属層１１３との接合界面を透過電子顕微鏡において観察した場合には、接合界面に添加元素（Ａｇ）が濃縮した添加元素高濃度部が形成されている。この添加元素高濃度部においては、添加元素の濃度（Ａｇ濃度）が、金属層１１３中の添加元素の濃度（Ａｇ濃度）の２倍以上とされている。この添加元素高濃度部の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
なお、ここで観察する接合界面は、金属層１１３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とする。また、金属層１１３中の添加元素の濃度（Ａｇ濃度）は、金属層１１３のうち接合界面から一定距離（本実施形態では５ｎｍ）離れた部分における添加元素の濃度（Ａｇ濃度）である。
【００６７】
以下に、前述の構成のパワーモジュール用基板１１０の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０の製造方法について説明する。
【００６８】
まず、図１１及び図１２に示すように、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の表面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５を形成する（アルミナ層形成工程Ｓ１００）。このアルミナ層形成工程Ｓ１００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が形成されることになる。ここで、Ａｌ２Ｏ３層１２５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。
【００６９】
次に、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）。ここで、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の一方の面にＡｌ２Ｏ３層１２５が形成されていることから、銅板１２２とＡｌ２Ｏ３層１２５とが、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）により接合されることになる。具体的には、銅板１２２とＡｌ２Ｏ３層１２５とを接触させ、窒素ガス雰囲気中で１０７５℃で１０分加熱することで、銅板１２２とＡｌ２Ｏ３層１２５とを接合するのである。
【００７０】
次に、セラミックス基板１１１の他方の面側に、金属層１１３となるアルミニウム板１２３を接合する（金属層形成工程Ｓ１０２）とともに、アルミニウム板１２３とヒートシンク１４１（天板部１４２）とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ１０３）。本実施形態では、金属層形成工程Ｓ１０２と、ヒートシンク接合工程Ｓ１０３と、を同時に実施することになる。
【００７１】
アルミニウム板１２３の一方の面にスパッタリングによって添加元素を固着して第１固着層１５１を形成するとともに、アルミニウム板１２３の他方の面にスパッタリングによって添加元素を固着して第２固着層１５２を形成する（固着層形成工程Ｓ１１１）。ここで、第１固着層１５１及び第２固着層１５２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おり、本実施形態では、添加元素としてＡｇを用いており、第１固着層１５１及び第２固着層１５２におけるＡｇ量が０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００７２】
次に、図１２に示すように、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。さらに、アルミニウム板１２３の他方の面側に天板部１４２を積層する（積層工程Ｓ１１２）。
このとき、図１２に示すように、アルミニウム板１２３の第１固着層１５１が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように、かつ、アルミニウム板１２３の第２固着層１５２が形成された面が天板部１４２を向くようにして、これらを積層する。すなわち、アルミニウム板１２３とセラミックス基板１１１との間に第１固着層１５１（添加元素：Ａｇ）を介在させ、アルミニウム板１２３と天板部１４２との間に第２固着層１５２（添加元素：Ａｇ）を介在させているのである。
【００７３】
次に、銅板１２２及びセラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、天板部１４２をその積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する（加熱工程Ｓ１１３）。ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−３〜１０−６Ｐａの範囲内に、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００７４】
すると、アルミニウム板１２３とセラミックス基板１１１との界面に第１溶融金属領域が形成されることになる。この第１溶融金属領域は、第１固着層１５１の添加元素（Ａｇ）がアルミニウム板１２３側に拡散することによって、アルミニウム板１２３の第１固着層１５１近傍の添加元素の濃度（Ａｇ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。
また、アルミニウム板１２３と天板部１４２との界面に第２溶融金属領域が形成される。この第２溶融金属領域は、第２固着層１５２の添加元素（Ａｇ）がアルミニウム板１２３側及び天板部１４２側に拡散することによって、アルミニウム板１２３及び天板部１１２の第２固着層１５２近傍の添加元素の濃度（Ａｇ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。
【００７５】
次に、第１溶融金属領域、第２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（溶融金属凝固工程Ｓ１１４）。
すると、第１溶融金属領域中のＡｇが、さらにアルミニウム板１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第１溶融金属領域であった部分のＡｇ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。これにより、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３とが接合される。
同様に、第２溶融金属領域中のＡｇが、さらにアルミニウム板１２３側及び天板部１４２側へと拡散し、第２溶融金属領域であった部分のＡｇ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。これにより、アルミニウム板１２３と天板部１４２とが接合される。
【００７６】
つまり、セラミックス基板１１１とアルミニウム板１２３、及び、アルミニウム板１２３と天板部１４２とは、いわゆる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。
【００７７】
このようにして、銅板１２２、セラミックス基板１１１、アルミニウム板１２３、ヒートシンク１４１（天板部１４２）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及びヒートシンク付パワーモジュール用基板１４０が製造されることになる。
【００７８】
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３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が、Ｚｒを１０ｍｏｌｐｐｍ含有する銅板１２２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）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。
【００７９】
また、本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１１の表面に、Ａｌ２Ｏ３層１２５を形成し、このＡｌ２Ｏ３層１２５を利用して銅板１２２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を接合することが可能となる。
【００８０】
さらに、アルミナ層形成工程Ｓ１００において、形成するＡｌ２Ｏ３層１２５の厚さを１μｍ以上としているので、銅板１２２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との間での剥離の発生を防止することが可能となる。
【００８１】
次に、本発明の第３の実施形態について、図１３から図１５を参照して説明する。
図１３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１３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１３において下面）に形成された金属層２１３と、を備えている。
【００８２】
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。
【００８３】
回路層２１２は、図１５に示すように、セラミックス基板２１１の一方の面（図１５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１３において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面２１２Ａとされている。
【００８４】
そして、この銅板２２２（回路層２１２）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）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。
【００８５】
金属層２１３は、図１５に示すように、セラミックス基板２１１の他方の面（図１５において下面）に、アルミニウム板２２３が接合されることにより形成されている。
このアルミニウム板２２３（金属層２１３）は、純度が９９質量％以上で、耐力が３０Ｎ／ｍｍ２以下のアルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板とされている。
本実施形態においては、アルミニウム板２２３（金属層２１３）は、純度が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
【００８６】
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説明する。
まず、図１４及び図１５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）。ここで、セラミックス基板２１１と銅板２２２とは、いわゆる活性金属法によって接合されている。この活性金属法は、図１５に示すように、セラミックス基板２１１と銅板２２２との間に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉからなるろう材２２５を配設して、セラミックス基板２１１と銅板２２２とを接合するものである。
本実施形態では、Ａｇ−２７．４質量％Ｃｕ−２．０質量％Ｔｉからなるろう材２２５を用いて、１０−３Ｐａの真空中にて、積層方向に加圧した状態で８５０℃で１０分加熱することによって、セラミックス基板２１１と銅板２２２とを接合している。
【００８７】
次に、セラミックス基板２１１の他方の面側に金属層２１３となるアルミニウム板２２３を接合する（金属層形成工程Ｓ２０２）。ここで、セラミックス基板２１１とアルミニウム板２２３とは、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合されている。
本実施形態では、図１５に示すように、セラミックス基板２１１とアルミニウム板２２３との間に、１５〜３０μｍ（本実施形態では２０μｍ）のろう材箔２２６を配設し、積層方向に加圧した状態でＮ２ガス雰囲気の加熱炉内に装入して５５０℃以上６５０℃以下の範囲内に加熱することによって、アルミニウム板２２３とセラミックス基板２１１とを接合している。
【００８８】
このようにして、銅板２２２、セラミックス基板２１１、アルミニウム板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。
【００８９】
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が、Ｌａを７ｍｏｌｐｐｍ含有する銅板２２２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）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。
【００９０】
また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉのろう材２２５を用いた活性金属法によって、銅板２２２とセラミックス基板２１１とを接合しているので、銅板２２２及びセラミックス基板２１１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。
【００９１】
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。
また、金属層を構成するアルミニウム板を、純度９９．９９％以上の純アルミニウムの圧延板としたものとして説明したが、これに限定されることはない。
【００９２】
また、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。
さらに、第１の実施形態及び第２の実施形態における固着層形成工程において、スパッタによって添加元素を固着するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着、ＣＶＤ、めっき又はペーストの塗布によって添加元素を固着させてもよい。
【００９３】
さらに、図１６に示すように、金属層３１３を、複数のアルミニウム板３１３Ａ、３１３Ｂを積層した構造としてもよい。なお、図１６では、２枚のアルミニウム板３１３Ａ、３１３Ｂを積層させたものとしているが、積層する枚数に制限はない。また、図１６に示すように、積層するアルミニウム板同士の大きさ、形状が異なっていても良いし、同じ大きさ、形状に調整されたものであってもよい。さらに、これらの金属板の組成が異なっていても良い。
【００９４】
また、本実施形態では、ヒートシンクを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。
【００９５】
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】
【００９６】
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。
ＡｌＮからなる厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板と、表１に示す組成の無酸素銅に任意の元素を添加したＤｏｐｅｄ銅、無酸素銅（ＯＦＣ）、タプピッチ銅（ＴＰＣ）からなる厚さ０．３ｍｍの銅板と、純度９９．９９質量％のアルミニウム（４ＮＡｌ）からなる厚さ１．６ｍｍのアルミニウム板と、を準備した。
これらのセラミックス基板、銅板、アルミニウム板を、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における加圧圧力を０．５ｇｆ／ｃｍ２、加熱温度を８５０℃とした。また、金属層形成工程Ｓ２０２における加圧圧力を５ｋｇｆ／ｃｍ２、加熱温度を６４０℃とした。
【００９７】
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。
【００９８】
【表１】
【００９９】
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。
【０１００】
これに対して、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】
【０１０１】
１、１０１、３０１ パワーモジュール
３ 半導体素子（電子部品）
１０、１１０、２１０、３１０ パワーモジュール用基板
１１、１１１、２１１、３１１ セラミックス基板（絶縁基板）
１２、１１２、２１２、３１２ 回路層
１３、１１３、２１３、３１３ 金属層
２２、１２２、２２２ 銅板
２３、１２３、２２３ アルミニウム板
３０ 接合界面（セラミックス基板／金属層）
３２ 添加元素高濃度部
３５ 接合界面（金属層／ヒートシンク）
４０、１４０、３４０ ヒートシンク付パワーモジュール用基板
４１、１４１、３４１ ヒートシンク
１２５ 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、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、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、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成されており、
前記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に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記回路層を構成する銅板は、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】
前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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、前記金属層のうち接合界面近傍における前記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】
前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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が、前記金属層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が形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配設されたヒートシンクと、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７】
請求項６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８】
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９】
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、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、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、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成され、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、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム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、
前記金属層形成工程においては、前記アルミニウム板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記アルミニウム板を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１０】
前記金属層形成工程においては、前記添加元素が前記アルミニウム板側に向けて拡散することにより、接合界面に溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることによって接合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１１】
前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１２】
前記回路層形成工程の前に、前記絶縁基板の少なくとも一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程を行うことを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項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、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、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、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成されており、
前記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に記載のパワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記回路層を構成する銅板は、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】
前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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、前記金属層のうち接合界面近傍における前記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】
前記金属層のうち前記絶縁基板との接合界面には、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，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が、前記金属層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が形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配設されたヒートシンクと、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７】
請求項６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８】
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９】
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、前記絶縁基板の他方の面に形成された金属層と、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、前記金属層は、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム板が接合されて構成され、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、前記絶縁基板の他方の面にアルミニウム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、
前記金属層形成工程においては、前記アルミニウム板の接合界面にＳｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上の添加元素を配置し、前記アルミニウム板を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１０】
前記金属層形成工程においては、前記添加元素が前記アルミニウム板側に向けて拡散することにより、接合界面に溶融金属領域を形成し、この溶融金属領域を凝固させることによって接合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１１】
前記アルミニウム板の接合界面に配置される前記添加元素量が、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１２】
前記回路層形成工程の前に、前記絶縁基板の少なくとも一方の面にＡｌ２Ｏ３層を形成するアルミナ層形成工程を行うことを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【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】
【公開番号】特開２０１３−４１９２４（Ｐ２０１３−４１９２４Ａ）
【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２０１１−１７６８８１（Ｐ２０１１−１７６８８１）
【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）】
[ Back to top ]