パワーモジュール用基板の製造方法及びパワーモジュール用基板
【課題】セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面のうち少なくともアルミニウム層１２が形成される領域に、Ｃｕを固着し、Ｃｕを含有する固着層２４を形成する固着工程と、固着層２４が形成されたセラミックス基板１１を鋳型５０内に配置し、この鋳型５０内に溶融アルミニウムＭを充填し、セラミックス基板１１と溶融アルミニウムＭとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、セラミックス基板１１と接触した状態で溶融アルミニウムＭを凝固させる凝固工程と、を備えていることを特徴とする。
【解決手段】セラミックス基板１１の一方の面のうち少なくともアルミニウム層１２が形成される領域に、Ｃｕを固着し、Ｃｕを含有する固着層２４を形成する固着工程と、固着層２４が形成されたセラミックス基板１１を鋳型５０内に配置し、この鋳型５０内に溶融アルミニウムＭを充填し、セラミックス基板１１と溶融アルミニウムＭとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、セラミックス基板１１と接触した状態で溶融アルミニウムＭを凝固させる凝固工程と、を備え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の製造方法及びパワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、特許文献１−４に示すように、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）等からなるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。ここで、特許文献１−４においては、セラミックス基板の一方の面に、溶融アルミニウムを接触させることによって、上述の回路層を形成している。
【０００３】
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
また、例えば特許文献１に示すように、パワーモジュールから発生する熱を効率的に放散するために、セラミックス基板の他方の面側にヒートシンクを配設したものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０７６５５１号公報
【特許文献２】特開２００２−３２９８１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２５２１３６号公報
【特許文献４】特開２００７−０９２１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板と回路層との界面には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差によって熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層との界面において剥離等が発生するおそれがあった。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のようにヒートシンク上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板がヒートシンクによって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、回路層とセラミックス基板との界面に大きなせん断力が作用することになる。よって、従来にもまして、セラミックス基板と回路層との界面強度を向上させる必要があった。
【０００６】
ところで、特許文献１−４に記載されたように、セラミックス基板の表面に溶融アルミニウムを直接接触させることで回路層を形成する場合には、回路層とセラミックス基板との界面での剥離を防止するために、溶融アルミニウムとセラミックス基板との接触時間を十分に確保する必要があった。また、セラミックス基板が配設された鋳型内に溶融アルミニウムを充填する際の圧力を高く設定して、セラミックス基板と溶融アルミニウムとを高圧で接触させる必要があった。
このため、溶融アルミニウムの接触時間や圧力が変動した際には、セラミックス基板と回路層との界面強度が低下してしまうことになる。また、パワーモジュール用基板を効率良く生産することができな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、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供することを目的としている。
【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の製造方法は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Ｃｕを固着し、Ｃｕを含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、 前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備え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の製造方法によれば、セラミックス基板の一方の面のうち少なくともアルミニウム層が形成される領域にＣｕを含有する固着層が形成され、このセラミックス基板に対して溶融アルミニウムを接触させる構成としているので、セラミックス基板のうち固着層が形成された領域においては、溶融アルミニウムとの反応性が高くなり、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応が促進されることになる。このため、溶融アルミニウムとセラミックス基板との接触時間を短くしたり、溶融アルミニウムの充填圧力を低くしたりしても、セラミックス基板とアルミニウム層との界面強度を向上させることができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製出することが可能となる。
【００１０】
ここで、前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるＣｕの固着量が２０ｍｇ／ｃｍ２を超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、ＣｕとＡｌの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるＣｕの固着量を０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。
【００１１】
また、前記固着工程では、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させる構成とされていてもよい。
Ｃｕ、及び、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｎｉといった元素は、アルミニウムとの反応性が高い元素であることから、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に介在することによって界面強度を向上させることが可能となる。なお、Ｍｇ，Ｃａといった活性な元素を固着する場合には、Ａｌとともに固着させることにより、酸化ロスを抑えることができる。
【００１２】
ここで、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が０．１ｍｇ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が２０ｍｇ／ｃｍ２を超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Ｃｕ及び添加元素とＡｌとの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計を０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。
【００１３】
前記固着工程においては、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕを固着させることが好ましい。
この場合、セラミックス基板の一方の面に、確実にＣｕを固着することが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができる。
【００１４】
前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を形成する構成としてもよい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第２アルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板が製出されることになる。なお、第２アルミニウム層については、アルミニウム層と同様に、溶融アルミニウムをセラミックス基板の他方の面に接触させることで形成してもよいし、アルミニウム板をろう付け等で接合してもよい。
【００１５】
本発明の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の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から５０μｍの位置におけるＣｕ濃度と、前記セラミックス基板との界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度との濃度差が０．１質量％以下とされており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Ｃｕ濃度が前記アルミニウム層中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Ｃｕ濃度がアルミニウム層中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在するＣｕ原子により、セラミックス基板とアルミニウム層との界面強度の向上を図ることが可能となる。
なお、アルミニウム層中のＣｕ濃度とは、アルミニウム層のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００１７】
ここで、前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることが好ましい。
また、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることが好ましい。
さらに、前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされていることが好ましい。
【００１８】
セラミックス基板のアルミニウム層との界面に存在するＣｕ原子の質量比が１０質量％を超えると、ＡｌとＣｕとの反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。一方、Ｃｕ原子の質量比が１質量％未満であると、Ｃｕ原子による界面強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、セラミックス基板とアルミニウム層との界面におけるＣｕ原子の質量比は、１〜１０質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
ここで、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記界面の複数点（例えば、１０〜１００点）で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、アルミニウム層の結晶粒界とセラミックス基板との界面は測定対象とせず、アルミニウム層の結晶粒とセラミックス基板との界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００２０】
また、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有する構成としてもよい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第２アルミニウム層が形成されており、セラミックス基板の反りの発生が抑制される。また、例えば、アルミニウム層を回路層として半導体素子を配設し、第２アルミニウム層側にヒートシンクを配設することで、ヒートシンクを備えたパワーモジュールを構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
【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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層とセラミック基板との界面の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＣｕ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製造方法のフロー図である。
【図５】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
【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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層とセラミック基板との界面の模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層のＣｕ濃度分布及びＭｇ濃度分布を示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層とセラミックス基板との界面の模式図である。
【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回路層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。
【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金属層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。
【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のフロー図である。
【図１６】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説明図である。
【図１７】図１６におけるセラミックス基板と金属層との接合界面を示す拡大説明図である。
【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の表面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２４】
パワーモジュール用基板１０は、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）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２５】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層１２及び金属層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）で構成されている。
【００２６】
ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２とを備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００２７】
そして、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図２に示すように、界面３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部３２が形成されている。このＣｕ高濃度部３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、界面３０におけるＣｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００２８】
なお、ここで観察する界面３０は、図２に示すように、回路層１２及び金属層１３の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度とは、回路層１２及び金属層１３のうち界面３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００２９】
また、この界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、界面３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１２及び金属層１３の結晶粒界とセラミックス基板１１との界面３０は測定対象とせず、回路層１２及び金属層１３の結晶粒とセラミックス基板１１との界面３０のみを測定対象としている。
【００３０】
また、回路層１２及び金属層１３におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図３に示すように、Ｃｕの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕが一様に分布しており、界面３０からの濃度勾配が確認されないのである。なお、回路層１２及び金属層１３におけるＣｕ濃度は、セラミックス基板１１の界面からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板１１の界面３０部分にのみＣｕが濃縮しているのである。
【００３１】
以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
【００３２】
まず、セラミックス基板１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２４を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ０１）。ここで、第１Ｃｕ層２４及び第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量は、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００３３】
次に、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成されたセラミックス基板１１を、鋳型５０のキャビティ５１内に設置する。この鋳型５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口５２から供給路５３を介してキャビティ５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。なお、鋳型５０は、黒鉛で構成されており、そのキャビティ５１の内面には、ＢＮ等の離型剤が塗布されている。
【００３４】
次に、所定時間保持後、鋳型５０を冷却し、キャビティ５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ０３）。このとき、６００℃まで１５分掛けて冷却する。
そして、鋳型５０から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層１２及び金属層１３を形成する（仕上工程Ｓ０４）。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出されることになる。
【００３５】
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の製造方法及びパワーモジュール用基板１０においては、Ｃｕ固着工程Ｓ０１において、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕを含有する第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成され、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２において、鋳型５０のキャビティ５１内に設置されたセラミックス基板１１と溶融アルミニウムＭとが接触される構成とされているので、セラミックス基板１０のうち第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成された領域においては、アルミニウムとの反応性が高くなり、セラミックス基板１１と溶融アルミニウムＭとの反応が促進されることになる。よって、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板１１との接触時間を短くしたり、溶融アルミニウムＭの充填圧力を低くしたりしても、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度を向上させることができ、信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を製出することが可能となる。
【００３６】
また、Ｃｕ固着工程Ｓ０１におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、Ｃｕによる反応の促進の効果を確実に奏功せしめることができるとともに、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度を向上させることが可能となる。
【００３７】
さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にＣｕを固着させる構成とされているので、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量を精度良く調整することができる。
また、本実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を、他方の面に金属層１３を同時に形成する構成とされていることから、セラミックス基板１１における反りの発生を防止することができる。
【００３８】
また、本実施形態においては、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２において、溶融アルミニウムＭの充填温度を７００〜８５０℃としているので、湯流れ性が確保され、キャビティ５１内に溶融アルミニウムＭを十分に充填させることができ、かつ、鋳型５０に密着することがなく、鋳型５０から容易に取り出すことができる。
【００３９】
本実施形態であるパワーモジュール用基板１０は、上述のように、Ｃｕ固着工程Ｓ０１、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２、凝固工程Ｓ０３、仕上工程Ｓ０４により、製出されたものである。ここで、セラミックス基板１１に固着された第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕは、溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散することから、製出後のパワーモジュール用基板１０では、回路層１２及び金属層１３において、図３に示すように、厚さ方向におけるＣｕ濃度分布が確認されない。
【００４０】
そして、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ｃｕ濃度が回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部３２が形成されている。なお、Ｃｕ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。このように、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面３０に、Ｃｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部３２が形成されているので、界面３０にＣｕ原子が介在することにより、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度の向上を図ることが可能となる。
【００４１】
また、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。
【００４２】
また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成されており、金属層１３の他方の面側にヒートシンク４０が配設されているので、ヒートシンク４０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応力を金属層１３で緩和することができ、セラミックス基板１１における亀裂の発生を防止することができる。よって、回路層１２上に配設された半導体素子３とヒートシンク４０との間の絶縁性を確保することができる。
【００４３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６に本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０及びパワーモジュール１０１を示す。
このパワーモジュール１０１は、パワーモジュール用基板１１０と、このパワーモジュール用基板１１０の一方の面（図６において上面）にはんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方の面（図６において下面）側に配設されたヒートシンク１４０と、を備えている。ここで、はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１１２とはんだ層１０２との間にＮｉ膜（図示なし）が設けられている。
【００４４】
本実施形態である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の一方の面に配設された回路層１１２と、を備えている。
セラミックス基板１１１は、その一方の面側と他方の面側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Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）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、０．３２ｍｍに設定されている。
【００４５】
回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層１１２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）で構成されている。
【００４６】
ヒートシンク１４０は、半導体素子１０３が搭載されるパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態では、熱伝導性が良好なＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成された放熱板とされている。また、このヒートシンク１４０は、図６に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面に直接接合されている。
【００４７】
そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図７に示すように、界面１３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部１３２が形成されている。このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層１１２中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、界面１３０におけるＣｕ濃度が、回路層１１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
さらに、このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｍｇを含有しており、界面１３０におけるＭｇ濃度が、回路層１１２中のＭｇ濃度よりも高くなっている。
【００４８】
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図７に示すように、回路層１１２の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層１１２中のＣｕ濃度とは、回路層１１２のうち界面１３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００４９】
また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１１２の結晶粒界とセラミックス基板１１１との接合界面１３０は測定対象とせず、回路層１１２の結晶粒とセラミックス基板１１１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
【００５０】
また、回路層１１２におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図８に示すように、Ｃｕ及びＭｇの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕ及びＭｇが一様に分布しており、界面１３０からの濃度勾配が認められていないのである。なお、回路層１１２におけるＣｕ濃度及びＭｇ濃度は、セラミックス基板１１１の界面１３０からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板１１１の界面１３０部分にのみＣｕ及びＭｇが濃縮しているのである。
【００５１】
以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図９、図１０を参照して説明する。
【００５２】
まず、セラミックス基板１１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕ及びＭｇを固着して第１Ｃｕ層１２４を形成するとともに、セラミックス基板１１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕ及びＭｇを固着して第２Ｃｕ層１２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ１０１）。ここで、第１Ｃｕ層１２４及び第２Ｃｕ層１２５におけるＣｕ量及びＭｇ量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。
【００５３】
次に、セラミックス基板１１１を、その一方の面が溶湯供給口１５２側を向くように、鋳型１５０のキャビティ１５１内に設置する。この鋳型１５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口１５２から供給路１５３を介してキャビティ１５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。
そして、所定時間保持後、鋳型１５０を冷却し、キャビティ１５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ１０３）。
【００５４】
次に、セラミックス基板１１１を、その他方の面が溶湯供給口１５２側を向くように、鋳型１５０のキャビティ１５１内に設置する。この鋳型１５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口１５２から供給路１５３を介してキャビティ１５１内に第２溶融アルミニウムＭ２を充填する（第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４）。このとき、第２溶融アルミニウムＭ２の充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、第２溶融アルミニウムＭ２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）とされている。
そして、所定時間保持後、鋳型１５０を冷却し、キャビティ１５１内に充填された第２溶融アルミニウムＭ２を凝固させる（第２凝固工程Ｓ１０５）。
【００５５】
そして、セラミックス基板１１１を鋳型１５０から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層１１２及びヒートシンク１４０を形成する（仕上工程Ｓ１０６）。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０及びヒートシンク１４０が製出されることになる。
【００５６】
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の製造方法においては、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１により、セラミックス基板１１１の一方の面に、Ｃｕ及びＭｇを含有する第１Ｃｕ層１２４を形成し、溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２により、鋳型１５０に設置されたセラミックス基板１１１と溶融アルミニウムＭとを接触させる構成とされているので、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板１１１との反応性が高くなり、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度を向上させることが可能となる。
【００５７】
同様に、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１により、セラミックス基板１１１の他方の面に、Ｃｕ及びＭｇを含有する第２Ｃｕ層１２５を形成し、第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４により、鋳型１５０に設置されたセラミックス基板１１１と第２溶融アルミニウムＭ２とを接触させる構成とされているので、第２溶融アルミニウムＭ２とセラミックス基板１１１との反応性が高くなり、セラミックス基板１１１とヒートンシンク１４０との界面強度を向上させることが可能となる。
【００５８】
また、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１におけるＣｕ及びＭｇの固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされているので、Ｃｕ及びＭｇによるセラミックス基板１１１とアルミニウムとの反応を促進することができるとともに、Ｃｕ及びＭｇとＡｌの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板１１１と回路層１１２及びヒートシンク１４０との界面強度を向上させることが可能となる。
さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕ及びＭｇを固着させる構成としているので、第１Ｃｕ層１２４及び第２Ｃｕ層１２５における、Ｃｕ量及びＭｇ量を精度良く調整することができる。
【００５９】
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１１の一方の面に回路層１１２を形成する工程と、セラミックス基板１１１の他方の面にヒートシンク１４０を形成する工程とを、別工程としていることから、回路層１１２とヒートシンク１４０とでアルミニウムの材質を異なるものとすることができる。
【００６０】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０は、上述のように、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１、溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２、凝固工程Ｓ１０３、第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４、第２凝固工程Ｓ１０５、仕上工程Ｓ１０６により、製出されたものである。ここで、セラミックス基板１１１に固着された第１Ｃｕ層１２４のＣｕ及びＭｇは、溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散することから、製出後のパワーモジュール用基板１１０において、回路層１１２の厚さ方向におけるＣｕ濃度分布及びＭｇ濃度分布が確認されない。
【００６１】
ただし、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ｃｕ濃度が回路層１１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部１３２が形成されている。なお、Ｃｕ高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。なお、このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｍｇも濃縮していることになる。
このように、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０に、Ｃｕ及びＭｇが濃縮されたＣｕ高濃度部１３２が形成されているので、界面１３０にＣｕ原子及びＭｇ原子が介在することにより、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度の向上を図ることが可能となる。
同様に、セラミックス基板１１１とヒートシンク１４０との界面にもＣｕ及びＭｇが濃縮することになり、セラミックス基板１１１とヒートシンク１４０との界面強度の向上を図ることが可能となる。
【００６２】
また、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１１に本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板２１０及びパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール２０１は、パワーモジュール用基板２１０と、このパワーモジュール用基板２１０の一方の面（図１１において上面）にはんだ層２０２を介して接合された半導体素子２０３と、パワーモジュール用基板２１０の他方の面（図１１において下面）側に配設されたヒートシンク２４０と、を備えている。ここで、はんだ層２０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層２１２とはんだ層２０２との間にＮｉ膜（図示なし）が設けられている。
【００６４】
本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面に配設された回路層２１２と、他方の面に配設された金属層２１３とを備えている。
セラミックス基板２１１は、その一方の面側と他方の面側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。
【００６５】
回路層２１２は、セラミックス基板２１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層２１２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）で構成されている。
【００６６】
金属層２１３は、図１６に示すように、セラミックス基板２１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板２２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層２１３は、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）の圧延板からなる金属板２２３がセラミックス基板２１１に接合されることで形成されている。
【００６７】
ヒートシンク２４０は、半導体素子２０３が搭載されるパワーモジュール用基板２１０を冷却するためのものであり、天板部２４１と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路２４２とを備えている。ヒートシンク２４０（天板部２４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク２４０の天板部２４１と金属層２１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層２１５が設けられている。
【００６８】
そして、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１２に示すように、界面２３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部２３２が形成されている。このＣｕ高濃度部２３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層２１２中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、界面２３０におけるＣｕ濃度が、回路層２１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００６９】
なお、ここで観察する接合界面２３０は、図１２に示すように、回路層２１２の格子像の界面側端部とセラミックス基板２１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層２１２中のＣｕ濃度とは、回路層２１２のうち界面２３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００７０】
また、この接合界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｃｕ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面２３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層２１２の結晶粒界とセラミックス基板２１１との接合界面２３０は測定対象とせず、回路層２１２の結晶粒とセラミックス基板２１１との接合界面２３０のみを測定対象としている。
【００７１】
また、回路層２１２におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図１３に示すように、Ｃｕの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕが一様に分布しており、界面２３０からの濃度勾配が認められていないのである。なお、回路層２１２におけるＣｕ濃度は、セラミックス基板２１１の界面２３０からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板２１１の界面２３０部分にのみＣｕが濃縮しているのである。
【００７２】
さらに、金属層２１３におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図１４に示すように、金属層２１３のセラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍には、接合界面２３６から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層２３７が形成されている。ここで、金属層２１３の接合界面２３６近傍のＣｕ濃度が、０．０５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２１３の接合界面２３６近傍のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２３６から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１４のグラフは、金属層２１３（金属板２２３）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。
【００７３】
以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０の製造方法について、図１５及び図１７を参照して説明する。
【００７４】
まず、セラミックス基板２１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２２４を形成するとともに、セラミックス基板２１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ２０１）。ここで、第１Ｃｕ層２２４及び第２Ｃｕ層２２５におけるＣｕ量が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。
【００７５】
次に、セラミックス基板２１１を、その一方の面が溶湯供給口２５２側を向くように、鋳型２５０のキャビティ２５１内に設置する。この鋳型２５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口２５２から供給路２５３を介してキャビティ２５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ２０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。
そして、所定時間保持後、鋳型２５０を冷却し、キャビティ２５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ２０３）。
【００７６】
次に、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板２２３を接合する（金属板接合工程Ｓ２０４）。
まず、上述のセラミックス基板２１１を鋳型２５０から取り出し、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板２２３を積層する。なお、金属板２２３は、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板とされている。
そして、セラミックス基板２１１と金属板２２３とを積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２３とセラミックス基板２１１との界面に溶融金属領域２２７を形成する。ここで、溶融金属領域２２７は、図１７に示すように、第２Ｃｕ層２２５のＣｕが金属板２２３に向けて拡散することによって、金属板２２３の第２Ｃｕ層２２５近傍のＣｕ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００７７】
なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板２１１と金属板２２３との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板２２３が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００７８】
次に、溶融金属領域２２７中のＣｕが、さらに金属板２２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域２２７であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。これにより、セラミックス基板２１１と金属板２２３とが接合される。つまり、金属板２２２３とセラミックス基板２１１とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００７９】
そして、セラミックス基板２１１の一方の面側の余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層２１２を形成する（仕上工程Ｓ２０５）。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製出されることになる。
【００８０】
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の製造方法においては、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１により、セラミックス基板２１１の一方の面に、Ｃｕを含有する第１Ｃｕ層２２４を形成し、溶融アルミニウム充填工程Ｓ２０２により、鋳型２５０に設置されたセラミックス基板２１１と溶融アルミニウムＭとを接触させる構成とされているので、界面２３０に介在するＣｕにより、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板２１１との反応性が高くなり、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度を向上させることが可能となる。
【００８１】
また、セラミックス基板２１１と金属板２２３とが液相拡散接合によって接合されることで金属層２１３が形成される構成とされているので、金属板２２３とセラミックス基板２１１とを強固に接合することができる。また、金属層２１３にはＣｕが固溶することにより、金属層２１３のうちセラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍部分の強度を向上させることができる。
【００８２】
また、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１におけるＣｕの固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされているので、Ｃｕによるセラミックス基板２１１とアルミニウムとの反応を促進することができるとともに、ＣｕとＡｌの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度を確実に向上させることが可能となる。
さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板２１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕを固着させる構成としているので、第１Ｃｕ層２２４及び第２Ｃｕ層２２５におけるＣｕの固着量を精度良く調整することができる。
【００８３】
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板２１１の一方の面に回路層２１２を形成する工程と、セラミックス基板２１１の他方の面に金属層２１３を形成する工程とを、別工程としていることから、回路層２１２と金属層２１３とでアルミニウムの材質を異なるものとすることができる。
【００８４】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０では、回路層２１２において厚さ方向にＣｕ濃度分布が認められず、金属層２１３において厚さ方向にＣｕ濃度分布が認められている。これは、回路層２１２が溶融アルミニウムＭをセラミックス基板２１１に接触させて形成していることから、Ｃｕが溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散するためである。一方、金属層２１３は、セラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍のみに溶融金属領域２２７が形成されることから、Ｃｕが金属板２２３の内部を拡散することになるため、Ｃｕの濃度勾配が形成されるのである。
【００８５】
ここで、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ｃｕ濃度が回路層２１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部２３２が形成されている。なお、Ｃｕ高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
このように、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０に、Ｃｕが濃縮されたＣｕ高濃度部２３２が形成されているので、界面２３０にＣｕ原子が介在することにより、Ａｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度の向上を図ることが可能となる。
【００８６】
また、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。
【００８７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層を、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構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、例えば純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等であってもよい。
【００８８】
また、スパッタリングによってＣｕやＭｇ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めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布等の手段によって、Ｃｕを固着させてもよい。
さらに、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させる構成としてもよい。
【００８９】
また、ヒートシンクの構造や材質については、本実施形態に限定されることはない。
さらに、第３の実施形態において、セラミックス基板と金属板との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。
【実施例】
【００９０】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
４０ｍｍ角の厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、スパッタによってＣｕ及び添加元素を固着させた。このセラミックス基板を黒鉛鋳型内に設置し、温度８００℃で４Ｎアルミニウムからなる溶融アルミニウムを充填した。なお、充填圧力を３×１０５Ｐａとした。そして、この鋳型を１５分間で６００℃まで冷却し、溶融アルミニウムを凝固させた。その後、鋳型から取り出し、切削加工によって、３６ｍｍ角、厚さ０．６ｍｍの回路層及び金属層を形成した。
ここで、スパッタによるＣｕ及び添加元素の固着量を、表１に示すように変化させた。
【００９１】
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなり、厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。これら緩衝層及びアルミニウム板は、Ａｌ−１０．５質量％Ｓｉの厚さ５０μｍのろう材箔を用いて、温度６１０℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で接合した。
【００９２】
この試験片を、−４０℃←→１１０℃の熱サイクルを２０００回負荷し、その際の接合率を求めた。この結果を表１に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００９３】
【表１】
【００９４】
Ｃｕ及び添加元素を固着させずにセラミックス基板に溶融アルミニウムを接触させた比較例においては、接合率が６３．５％と低い値を示した。
これに対して、本発明例１−２１においては、比較例に比べて接合率が向上していることが確認される。特に、Ｃｕの固着量を２０ｍｇ／ｃｍ２以下、あるいは、Ｃｕ及び添加元素の固着量を２０ｍｇ／ｃｍ２以下とした本発明例１−１９においては、接合率が７０％以上となっており、接合信頼性が向上していることが確認される。
【符号の説明】
【００９５】
１、１０１、２０１ パワーモジュール
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
１２、１１２、２１２ 回路層（アルミニウム層）
１３、２１３ 金属層（第２アルミニウム層）
【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の製造方法及びパワーモジュール用基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、特許文献１−４に示すように、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）等からなるセラミックス基板の一方の面に回路層が形成されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。ここで、特許文献１−４においては、セラミックス基板の一方の面に、溶融アルミニウムを接触させることによって、上述の回路層を形成している。
【０００３】
このようなパワーモジュール用基板においては、回路層の上に、はんだ層を介してパワー素子としての半導体素子が搭載され、パワーモジュールとして使用される。
また、例えば特許文献１に示すように、パワーモジュールから発生する熱を効率的に放散するために、セラミックス基板の他方の面側にヒートシンクを配設したものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０７６５５１号公報
【特許文献２】特開２００２−３２９８１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２５２１３６号公報
【特許文献４】特開２００７−０９２１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のパワーモジュールにおいては、使用時に熱サイクルが負荷されることになる。すると、セラミックス基板と回路層との界面には、セラミックス基板とアルミニウムとの熱膨張係数の差によって熱応力が作用し、セラミックス基板と回路層との界面において剥離等が発生するおそれがあった。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、電子部品からの発熱量が大きくなる傾向にあり、前述のようにヒートシンク上にパワーモジュール用基板を配設する必要がある。この場合、パワーモジュール用基板がヒートシンクによって拘束されるために、熱サイクル負荷時に、回路層とセラミックス基板との界面に大きなせん断力が作用することになる。よって、従来にもまして、セラミックス基板と回路層との界面強度を向上させる必要があった。
【０００６】
ところで、特許文献１−４に記載されたように、セラミックス基板の表面に溶融アルミニウムを直接接触させることで回路層を形成する場合には、回路層とセラミックス基板との界面での剥離を防止するために、溶融アルミニウムとセラミックス基板との接触時間を十分に確保する必要があった。また、セラミックス基板が配設された鋳型内に溶融アルミニウムを充填する際の圧力を高く設定して、セラミックス基板と溶融アルミニウムとを高圧で接触させる必要があった。
このため、溶融アルミニウムの接触時間や圧力が変動した際には、セラミックス基板と回路層との界面強度が低下してしまうことになる。また、パワーモジュール用基板を効率良く生産することができな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、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供することを目的としている。
【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の製造方法は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、前記セラミックス基板の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Ｃｕを固着し、Ｃｕを含有する固着層を形成する固着工程と、前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、 前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備え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の製造方法によれば、セラミックス基板の一方の面のうち少なくともアルミニウム層が形成される領域にＣｕを含有する固着層が形成され、このセラミックス基板に対して溶融アルミニウムを接触させる構成としているので、セラミックス基板のうち固着層が形成された領域においては、溶融アルミニウムとの反応性が高くなり、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応が促進されることになる。このため、溶融アルミニウムとセラミックス基板との接触時間を短くしたり、溶融アルミニウムの充填圧力を低くしたりしても、セラミックス基板とアルミニウム層との界面強度を向上させることができ、接合信頼性に優れたパワーモジュール用基板を製出することが可能となる。
【００１０】
ここで、前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるＣｕの固着量が２０ｍｇ／ｃｍ２を超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、ＣｕとＡｌの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるＣｕの固着量を０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。
【００１１】
また、前記固着工程では、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させる構成とされていてもよい。
Ｃｕ、及び、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｎｉといった元素は、アルミニウムとの反応性が高い元素であることから、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に介在することによって界面強度を向上させることが可能となる。なお、Ｍｇ，Ｃａといった活性な元素を固着する場合には、Ａｌとともに固着させることにより、酸化ロスを抑えることができる。
【００１２】
ここで、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることが好ましい。
前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が０．１ｍｇ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板と溶融アルミニウムとの反応を促進させる効果を十分に奏功せしめることができなくなるおそれがある。また、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が２０ｍｇ／ｃｍ２を超える場合には、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Ｃｕ及び添加元素とＡｌとの反応物が過剰に生成してしまい、界面強度が低下するおそれがある。したがって、前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計を０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とすることが好ましい。
【００１３】
前記固着工程においては、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕを固着させることが好ましい。
この場合、セラミックス基板の一方の面に、確実にＣｕを固着することが可能となる。また、Ｃｕの固着量を精度良く調整することができる。
【００１４】
前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を形成する構成としてもよい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第２アルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板が製出されることになる。なお、第２アルミニウム層については、アルミニウム層と同様に、溶融アルミニウムをセラミックス基板の他方の面に接触させることで形成してもよいし、アルミニウム板をろう付け等で接合してもよい。
【００１５】
本発明の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の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から５０μｍの位置におけるＣｕ濃度と、前記セラミックス基板との界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度との濃度差が０．１質量％以下とされており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Ｃｕ濃度が前記アルミニウム層中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
この構成のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板とアルミニウム層との界面に、Ｃｕ濃度がアルミニウム層中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成されているので、界面近傍に存在するＣｕ原子により、セラミックス基板とアルミニウム層との界面強度の向上を図ることが可能となる。
なお、アルミニウム層中のＣｕ濃度とは、アルミニウム層のうち接合界面から一定距離（例えば、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００１７】
ここで、前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることが好ましい。
また、前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることが好ましい。
さらに、前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成されている場合においては、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされていることが好ましい。
【００１８】
セラミックス基板のアルミニウム層との界面に存在するＣｕ原子の質量比が１０質量％を超えると、ＡｌとＣｕとの反応物が過剰に生成されることになり、この反応物が接合を阻害するおそれがある。一方、Ｃｕ原子の質量比が１質量％未満であると、Ｃｕ原子による界面強度の向上を充分に図ることができなくなるおそれがある。よって、セラミックス基板とアルミニウム層との界面におけるＣｕ原子の質量比は、１〜１０質量％の範囲内とすることが好ましい。
【００１９】
ここで、エネルギー分散型Ｘ線分析法による分析を行う際のスポット径は極めて小さいため、前記界面の複数点（例えば、１０〜１００点）で測定し、その平均値を算出することになる。また、測定する際には、アルミニウム層の結晶粒界とセラミックス基板との界面は測定対象とせず、アルミニウム層の結晶粒とセラミックス基板との界面のみを測定対象とする。
なお、本明細書中におけるエネルギー分散型Ｘ線分析法による分析値は、日本電子製の電子顕微鏡ＪＥＭ−２０１０Ｆに搭載したサーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製のエネルギー分散型蛍光Ｘ線元素分析装置ＮＯＲＡＮ Ｓｙｓｔｅｍ７を用いて加速電圧２００ｋＶで行った。
【００２０】
また、本発明のパワーモジュール用基板においては、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有する構成としてもよい。
この場合、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム層が形成され、かつ、セラミックス基板の他方の面に第２アルミニウム層が形成されており、セラミックス基板の反りの発生が抑制される。また、例えば、アルミニウム層を回路層として半導体素子を配設し、第２アルミニウム層側にヒートシンクを配設することで、ヒートシンクを備えたパワーモジュールを構成することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層との界面強度が高く信頼性に優れたパワーモジュール用基板を効率よく生産することができるパワーモジュール用基板の製造方法、及び、パワーモジュール用基板を提供することが可能となる。
【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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層とセラミック基板との界面の模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＣｕ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製造方法のフロー図である。
【図５】本発明の第１の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法の説明図である。
【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を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層とセラミック基板との界面の模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層のＣｕ濃度分布及びＭｇ濃度分布を示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法のフロー図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板の回路層とセラミックス基板との界面の模式図である。
【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回路層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。
【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金属層のＣｕ濃度分布を示す説明図である。
【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のフロー図である。
【図１６】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説明図である。
【図１７】図１６におけるセラミックス基板と金属層との接合界面を示す拡大説明図である。
【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の表面にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２４】
パワーモジュール用基板１０は、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）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２５】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層１２及び金属層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）で構成されている。
【００２６】
ヒートシンク４０は、前述のパワーモジュール用基板１０を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板１０と接合される天板部４１と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４２とを備えている。ヒートシンク４０（天板部４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
【００２７】
そして、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図２に示すように、界面３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部３２が形成されている。このＣｕ高濃度部３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、界面３０におけるＣｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００２８】
なお、ここで観察する界面３０は、図２に示すように、回路層１２及び金属層１３の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度とは、回路層１２及び金属層１３のうち界面３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００２９】
また、この界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、界面３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１２及び金属層１３の結晶粒界とセラミックス基板１１との界面３０は測定対象とせず、回路層１２及び金属層１３の結晶粒とセラミックス基板１１との界面３０のみを測定対象としている。
【００３０】
また、回路層１２及び金属層１３におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図３に示すように、Ｃｕの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕが一様に分布しており、界面３０からの濃度勾配が確認されないのである。なお、回路層１２及び金属層１３におけるＣｕ濃度は、セラミックス基板１１の界面からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板１１の界面３０部分にのみＣｕが濃縮しているのである。
【００３１】
以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
【００３２】
まず、セラミックス基板１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２４を形成するとともに、セラミックス基板１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ０１）。ここで、第１Ｃｕ層２４及び第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量は、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００３３】
次に、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成されたセラミックス基板１１を、鋳型５０のキャビティ５１内に設置する。この鋳型５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口５２から供給路５３を介してキャビティ５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。なお、鋳型５０は、黒鉛で構成されており、そのキャビティ５１の内面には、ＢＮ等の離型剤が塗布されている。
【００３４】
次に、所定時間保持後、鋳型５０を冷却し、キャビティ５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ０３）。このとき、６００℃まで１５分掛けて冷却する。
そして、鋳型５０から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層１２及び金属層１３を形成する（仕上工程Ｓ０４）。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製出されることになる。
【００３５】
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の製造方法及びパワーモジュール用基板１０においては、Ｃｕ固着工程Ｓ０１において、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕを含有する第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成され、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２において、鋳型５０のキャビティ５１内に設置されたセラミックス基板１１と溶融アルミニウムＭとが接触される構成とされているので、セラミックス基板１０のうち第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５が形成された領域においては、アルミニウムとの反応性が高くなり、セラミックス基板１１と溶融アルミニウムＭとの反応が促進されることになる。よって、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板１１との接触時間を短くしたり、溶融アルミニウムＭの充填圧力を低くしたりしても、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度を向上させることができ、信頼性に優れたパワーモジュール用基板１０を製出することが可能となる。
【００３６】
また、Ｃｕ固着工程Ｓ０１におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされているので、Ｃｕによる反応の促進の効果を確実に奏功せしめることができるとともに、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度を向上させることが可能となる。
【００３７】
さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板１１の一方の面及び他方の面にＣｕを固着させる構成とされているので、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量を精度良く調整することができる。
また、本実施形態では、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２を、他方の面に金属層１３を同時に形成する構成とされていることから、セラミックス基板１１における反りの発生を防止することができる。
【００３８】
また、本実施形態においては、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２において、溶融アルミニウムＭの充填温度を７００〜８５０℃としているので、湯流れ性が確保され、キャビティ５１内に溶融アルミニウムＭを十分に充填させることができ、かつ、鋳型５０に密着することがなく、鋳型５０から容易に取り出すことができる。
【００３９】
本実施形態であるパワーモジュール用基板１０は、上述のように、Ｃｕ固着工程Ｓ０１、溶融アルミニウム充填工程Ｓ０２、凝固工程Ｓ０３、仕上工程Ｓ０４により、製出されたものである。ここで、セラミックス基板１１に固着された第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕは、溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散することから、製出後のパワーモジュール用基板１０では、回路層１２及び金属層１３において、図３に示すように、厚さ方向におけるＣｕ濃度分布が確認されない。
【００４０】
そして、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ｃｕ濃度が回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部３２が形成されている。なお、Ｃｕ高濃度部３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。このように、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面３０に、Ｃｕ濃度が、回路層１２及び金属層１３中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部３２が形成されているので、界面３０にＣｕ原子が介在することにより、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度の向上を図ることが可能となる。
【００４１】
また、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。
【００４２】
また、本実施形態であるパワーモジュール１においては、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２が形成され、他方の面に金属層１３が形成されており、金属層１３の他方の面側にヒートシンク４０が配設されているので、ヒートシンク４０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応力を金属層１３で緩和することができ、セラミックス基板１１における亀裂の発生を防止することができる。よって、回路層１２上に配設された半導体素子３とヒートシンク４０との間の絶縁性を確保することができる。
【００４３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６に本発明の第２の実施形態であるパワーモジュール用基板１１０及びパワーモジュール１０１を示す。
このパワーモジュール１０１は、パワーモジュール用基板１１０と、このパワーモジュール用基板１１０の一方の面（図６において上面）にはんだ層１０２を介して接合された半導体素子１０３と、パワーモジュール用基板１１０の他方の面（図６において下面）側に配設されたヒートシンク１４０と、を備えている。ここで、はんだ層１０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１１２とはんだ層１０２との間にＮｉ膜（図示なし）が設けられている。
【００４４】
本実施形態である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の一方の面に配設された回路層１１２と、を備えている。
セラミックス基板１１１は、その一方の面側と他方の面側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Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）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、０．３２ｍｍに設定されている。
【００４５】
回路層１１２は、セラミックス基板１１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層１１２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）で構成されている。
【００４６】
ヒートシンク１４０は、半導体素子１０３が搭載されるパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態では、熱伝導性が良好なＡ６０６３（アルミニウム合金）で構成された放熱板とされている。また、このヒートシンク１４０は、図６に示すように、セラミックス基板１１１の他方の面に直接接合されている。
【００４７】
そして、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図７に示すように、界面１３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部１３２が形成されている。このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層１１２中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、界面１３０におけるＣｕ濃度が、回路層１１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
さらに、このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｍｇを含有しており、界面１３０におけるＭｇ濃度が、回路層１１２中のＭｇ濃度よりも高くなっている。
【００４８】
なお、ここで観察する接合界面１３０は、図７に示すように、回路層１１２の格子像の界面側端部とセラミックス基板１１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層１１２中のＣｕ濃度とは、回路層１１２のうち界面１３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００４９】
また、この接合界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面１３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層１１２の結晶粒界とセラミックス基板１１１との接合界面１３０は測定対象とせず、回路層１１２の結晶粒とセラミックス基板１１１との接合界面１３０のみを測定対象としている。
【００５０】
また、回路層１１２におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図８に示すように、Ｃｕ及びＭｇの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕ及びＭｇが一様に分布しており、界面１３０からの濃度勾配が認められていないのである。なお、回路層１１２におけるＣｕ濃度及びＭｇ濃度は、セラミックス基板１１１の界面１３０からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板１１１の界面１３０部分にのみＣｕ及びＭｇが濃縮しているのである。
【００５１】
以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０の製造方法について、図９、図１０を参照して説明する。
【００５２】
まず、セラミックス基板１１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕ及びＭｇを固着して第１Ｃｕ層１２４を形成するとともに、セラミックス基板１１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕ及びＭｇを固着して第２Ｃｕ層１２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ１０１）。ここで、第１Ｃｕ層１２４及び第２Ｃｕ層１２５におけるＣｕ量及びＭｇ量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。
【００５３】
次に、セラミックス基板１１１を、その一方の面が溶湯供給口１５２側を向くように、鋳型１５０のキャビティ１５１内に設置する。この鋳型１５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口１５２から供給路１５３を介してキャビティ１５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。
そして、所定時間保持後、鋳型１５０を冷却し、キャビティ１５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ１０３）。
【００５４】
次に、セラミックス基板１１１を、その他方の面が溶湯供給口１５２側を向くように、鋳型１５０のキャビティ１５１内に設置する。この鋳型１５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口１５２から供給路１５３を介してキャビティ１５１内に第２溶融アルミニウムＭ２を充填する（第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４）。このとき、第２溶融アルミニウムＭ２の充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、第２溶融アルミニウムＭ２は、Ａ６０６３（アルミニウム合金）とされている。
そして、所定時間保持後、鋳型１５０を冷却し、キャビティ１５１内に充填された第２溶融アルミニウムＭ２を凝固させる（第２凝固工程Ｓ１０５）。
【００５５】
そして、セラミックス基板１１１を鋳型１５０から取り出し、余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層１１２及びヒートシンク１４０を形成する（仕上工程Ｓ１０６）。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０及びヒートシンク１４０が製出されることになる。
【００５６】
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の製造方法においては、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１により、セラミックス基板１１１の一方の面に、Ｃｕ及びＭｇを含有する第１Ｃｕ層１２４を形成し、溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２により、鋳型１５０に設置されたセラミックス基板１１１と溶融アルミニウムＭとを接触させる構成とされているので、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板１１１との反応性が高くなり、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度を向上させることが可能となる。
【００５７】
同様に、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１により、セラミックス基板１１１の他方の面に、Ｃｕ及びＭｇを含有する第２Ｃｕ層１２５を形成し、第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４により、鋳型１５０に設置されたセラミックス基板１１１と第２溶融アルミニウムＭ２とを接触させる構成とされているので、第２溶融アルミニウムＭ２とセラミックス基板１１１との反応性が高くなり、セラミックス基板１１１とヒートンシンク１４０との界面強度を向上させることが可能となる。
【００５８】
また、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１におけるＣｕ及びＭｇの固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされているので、Ｃｕ及びＭｇによるセラミックス基板１１１とアルミニウムとの反応を促進することができるとともに、Ｃｕ及びＭｇとＡｌの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板１１１と回路層１１２及びヒートシンク１４０との界面強度を向上させることが可能となる。
さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板１１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕ及びＭｇを固着させる構成としているので、第１Ｃｕ層１２４及び第２Ｃｕ層１２５における、Ｃｕ量及びＭｇ量を精度良く調整することができる。
【００５９】
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板１１１の一方の面に回路層１１２を形成する工程と、セラミックス基板１１１の他方の面にヒートシンク１４０を形成する工程とを、別工程としていることから、回路層１１２とヒートシンク１４０とでアルミニウムの材質を異なるものとすることができる。
【００６０】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板１１０は、上述のように、Ｃｕ固着工程Ｓ１０１、溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０２、凝固工程Ｓ１０３、第２溶融アルミニウム充填工程Ｓ１０４、第２凝固工程Ｓ１０５、仕上工程Ｓ１０６により、製出されたものである。ここで、セラミックス基板１１１に固着された第１Ｃｕ層１２４のＣｕ及びＭｇは、溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散することから、製出後のパワーモジュール用基板１１０において、回路層１１２の厚さ方向におけるＣｕ濃度分布及びＭｇ濃度分布が確認されない。
【００６１】
ただし、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ｃｕ濃度が回路層１１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部１３２が形成されている。なお、Ｃｕ高濃度部１３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。なお、このＣｕ高濃度部１３２においては、Ｍｇも濃縮していることになる。
このように、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０に、Ｃｕ及びＭｇが濃縮されたＣｕ高濃度部１３２が形成されているので、界面１３０にＣｕ原子及びＭｇ原子が介在することにより、Ｓｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度の向上を図ることが可能となる。
同様に、セラミックス基板１１１とヒートシンク１４０との界面にもＣｕ及びＭｇが濃縮することになり、セラミックス基板１１１とヒートシンク１４０との界面強度の向上を図ることが可能となる。
【００６２】
また、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面１３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板１１１と回路層１１２との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１１に本発明の第３の実施形態であるパワーモジュール用基板２１０及びパワーモジュール２０１を示す。
このパワーモジュール２０１は、パワーモジュール用基板２１０と、このパワーモジュール用基板２１０の一方の面（図１１において上面）にはんだ層２０２を介して接合された半導体素子２０３と、パワーモジュール用基板２１０の他方の面（図１１において下面）側に配設されたヒートシンク２４０と、を備えている。ここで、はんだ層２０２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層２１２とはんだ層２０２との間にＮｉ膜（図示なし）が設けられている。
【００６４】
本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０は、セラミックス基板２１１と、このセラミックス基板２１１の一方の面に配設された回路層２１２と、他方の面に配設された金属層２１３とを備えている。
セラミックス基板２１１は、その一方の面側と他方の面側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。
【００６５】
回路層２１２は、セラミックス基板２１１の一方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる溶融アルミニウムを接触して凝固することにより形成されたものである。
本実施形態においては、回路層２１２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）で構成されている。
【００６６】
金属層２１３は、図１６に示すように、セラミックス基板２１１の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板２２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層２１３は、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）の圧延板からなる金属板２２３がセラミックス基板２１１に接合されることで形成されている。
【００６７】
ヒートシンク２４０は、半導体素子２０３が搭載されるパワーモジュール用基板２１０を冷却するためのものであり、天板部２４１と冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路２４２とを備えている。ヒートシンク２４０（天板部２４１）は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
また、本実施形態においては、ヒートシンク２４０の天板部２４１と金属層２１３との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材（例えばＡｌＳｉＣ等）からなる緩衝層２１５が設けられている。
【００６８】
そして、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０を透過電子顕微鏡において観察した場合には、図１２に示すように、界面２３０に、Ｃｕが濃縮したＣｕ高濃度部２３２が形成されている。このＣｕ高濃度部２３２においては、Ｃｕ濃度が、回路層２１２中のＣｕ濃度よりも高くなっており、具体的には、界面２３０におけるＣｕ濃度が、回路層２１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされている。ここで、本実施形態では、Ｃｕ高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
【００６９】
なお、ここで観察する接合界面２３０は、図１２に示すように、回路層２１２の格子像の界面側端部とセラミックス基板２１１の格子像の界面側端部との間の中央を基準面Ｓとする。
また、回路層２１２中のＣｕ濃度とは、回路層２１２のうち界面２３０から一定距離（本実施形態では、５ｎｍ）離れた部分におけるＣｕ濃度である。
【００７０】
また、この接合界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＳ）で分析した際のＡｌ、Ｃｕ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％の範囲内に設定されている。なお、ＥＤＳによる分析を行う際のスポット径は１〜４ｎｍとされており、接合界面２３０を複数点（例えば、本実施形態では１００点）で測定し、その平均値を算出している。また、回路層２１２の結晶粒界とセラミックス基板２１１との接合界面２３０は測定対象とせず、回路層２１２の結晶粒とセラミックス基板２１１との接合界面２３０のみを測定対象としている。
【００７１】
また、回路層２１２におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図１３に示すように、Ｃｕの濃度が厚さ方向で変化していない。すなわち、Ｃｕが一様に分布しており、界面２３０からの濃度勾配が認められていないのである。なお、回路層２１２におけるＣｕ濃度は、セラミックス基板２１１の界面２３０からの各位置で５点測定した平均値とした。
このように、本実施形態においては、セラミックス基板２１１の界面２３０部分にのみＣｕが濃縮しているのである。
【００７２】
さらに、金属層２１３におけるＣｕ濃度をＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって測定した結果、図１４に示すように、金属層２１３のセラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍には、接合界面２３６から積層方向に離間するにしたがい漸次Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層２３７が形成されている。ここで、金属層２１３の接合界面２３６近傍のＣｕ濃度が、０．０５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２１３の接合界面２３６近傍のＣｕ濃度は、ＥＰＭＡ分析（スポット径３０μｍ）によって、接合界面２３６から５０μｍの位置で５点測定した平均値である。また、図１４のグラフは、金属層２１３（金属板２２３）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。
【００７３】
以下に、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０の製造方法について、図１５及び図１７を参照して説明する。
【００７４】
まず、セラミックス基板２１１の一方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層２２４を形成するとともに、セラミックス基板２１１の他方の面にスパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層２２５を形成する（Ｃｕ固着工程Ｓ２０１）。ここで、第１Ｃｕ層２２４及び第２Ｃｕ層２２５におけるＣｕ量が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。
【００７５】
次に、セラミックス基板２１１を、その一方の面が溶湯供給口２５２側を向くように、鋳型２５０のキャビティ２５１内に設置する。この鋳型２５０を７００〜８５０℃に加熱した状態で、溶湯供給口２５２から供給路２５３を介してキャビティ２５１内に溶融アルミニウムＭを充填する（溶融アルミニウム充填工程Ｓ２０２）。このとき、溶融アルミニウムＭの充填圧力を１×１０５〜３．５×１０６Ｐａとしている。また、溶融アルミニウムＭは、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムとされている。
そして、所定時間保持後、鋳型２５０を冷却し、キャビティ２５１内に充填された溶融アルミニウムＭを凝固させる（凝固工程Ｓ２０３）。
【００７６】
次に、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板２２３を接合する（金属板接合工程Ｓ２０４）。
まず、上述のセラミックス基板２１１を鋳型２５０から取り出し、セラミックス基板２１１の他方の面に金属板２２３を積層する。なお、金属板２２３は、純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板とされている。
そして、セラミックス基板２１１と金属板２２３とを積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２３とセラミックス基板２１１との界面に溶融金属領域２２７を形成する。ここで、溶融金属領域２２７は、図１７に示すように、第２Ｃｕ層２２５のＣｕが金属板２２３に向けて拡散することによって、金属板２２３の第２Ｃｕ層２２５近傍のＣｕ濃度が上昇して融点が低くなることにより形成されるものである。
【００７７】
なお、上述の圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ２未満の場合には、セラミックス基板２１１と金属板２２３との接合を良好に行うことができなくなるおそれがある。また、上述の圧力が３５ｋｇｆ／ｃｍ２を超えた場合には、金属板２２３が変形するおそれがある。よって、上述の加圧圧力は、１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に設定している。
【００７８】
次に、溶融金属領域２２７中のＣｕが、さらに金属板２２３側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域２２７であった部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。これにより、セラミックス基板２１１と金属板２２３とが接合される。つまり、金属板２２２３とセラミックス基板２１１とは、いわゆる液相拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００７９】
そして、セラミックス基板２１１の一方の面側の余剰なアルミニウムを切削、又は、エッチング等によって除去し、回路層２１２を形成する（仕上工程Ｓ２０５）。
このようにして、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０が製出されることになる。
【００８０】
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の製造方法においては、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１により、セラミックス基板２１１の一方の面に、Ｃｕを含有する第１Ｃｕ層２２４を形成し、溶融アルミニウム充填工程Ｓ２０２により、鋳型２５０に設置されたセラミックス基板２１１と溶融アルミニウムＭとを接触させる構成とされているので、界面２３０に介在するＣｕにより、溶融アルミニウムＭとセラミックス基板２１１との反応性が高くなり、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度を向上させることが可能となる。
【００８１】
また、セラミックス基板２１１と金属板２２３とが液相拡散接合によって接合されることで金属層２１３が形成される構成とされているので、金属板２２３とセラミックス基板２１１とを強固に接合することができる。また、金属層２１３にはＣｕが固溶することにより、金属層２１３のうちセラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍部分の強度を向上させることができる。
【００８２】
また、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１におけるＣｕの固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下とされているので、Ｃｕによるセラミックス基板２１１とアルミニウムとの反応を促進することができるとともに、ＣｕとＡｌの反応物が過剰に生成することを抑制することができる。よって、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度を確実に向上させることが可能となる。
さらに、Ｃｕ固着工程Ｓ２０１は、スパッタリングによって、セラミックス基板２１１の一方の面及び他方の面に、Ｃｕを固着させる構成としているので、第１Ｃｕ層２２４及び第２Ｃｕ層２２５におけるＣｕの固着量を精度良く調整することができる。
【００８３】
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板２１１の一方の面に回路層２１２を形成する工程と、セラミックス基板２１１の他方の面に金属層２１３を形成する工程とを、別工程としていることから、回路層２１２と金属層２１３とでアルミニウムの材質を異なるものとすることができる。
【００８４】
また、本実施形態であるパワーモジュール用基板２１０では、回路層２１２において厚さ方向にＣｕ濃度分布が認められず、金属層２１３において厚さ方向にＣｕ濃度分布が認められている。これは、回路層２１２が溶融アルミニウムＭをセラミックス基板２１１に接触させて形成していることから、Ｃｕが溶融アルミニウムＭ内に容易に拡散するためである。一方、金属層２１３は、セラミックス基板２１１との接合界面２３６近傍のみに溶融金属領域２２７が形成されることから、Ｃｕが金属板２２３の内部を拡散することになるため、Ｃｕの濃度勾配が形成されるのである。
【００８５】
ここで、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０を電子顕微鏡で詳細に観察すると、Ｃｕ濃度が回路層２１２中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部２３２が形成されている。なお、Ｃｕ高濃度部２３２の厚さＨは４ｎｍ以下とされている。
このように、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０に、Ｃｕが濃縮されたＣｕ高濃度部２３２が形成されているので、界面２３０にＣｕ原子が介在することにより、Ａｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度の向上を図ることが可能となる。
【００８６】
また、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面２３０をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされているので、ＣｕとＡｌとの反応物が過剰に生成されることを防止でき、セラミックス基板２１１と回路層２１２との界面強度が向上することになる。よって、熱サイクル負荷時の信頼性を向上させることができる。
【００８７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、回路層を、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）で構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、例えば純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）等であってもよい。
【００８８】
また、スパッタリングによってＣｕやＭｇ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めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布等の手段によって、Ｃｕを固着させてもよい。
さらに、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させる構成としてもよい。
【００８９】
また、ヒートシンクの構造や材質については、本実施形態に限定されることはない。
さらに、第３の実施形態において、セラミックス基板と金属板との接合を、真空加熱炉を用いて行うものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｎ２雰囲気、Ａｒ雰囲気及びＨｅ雰囲気等でセラミックス基板と金属板との接合を行ってもよい。
【実施例】
【００９０】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
４０ｍｍ角の厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板の両面に、スパッタによってＣｕ及び添加元素を固着させた。このセラミックス基板を黒鉛鋳型内に設置し、温度８００℃で４Ｎアルミニウムからなる溶融アルミニウムを充填した。なお、充填圧力を３×１０５Ｐａとした。そして、この鋳型を１５分間で６００℃まで冷却し、溶融アルミニウムを凝固させた。その後、鋳型から取り出し、切削加工によって、３６ｍｍ角、厚さ０．６ｍｍの回路層及び金属層を形成した。
ここで、スパッタによるＣｕ及び添加元素の固着量を、表１に示すように変化させた。
【００９１】
このようにして成形されたパワーモジュール用基板の金属層側に、４Ｎアルミニウムからなり、厚さ０．９ｍｍの緩衝層を介して、ヒートシンクの天板に相当する５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板（Ａ６０６３）を接合した。これら緩衝層及びアルミニウム板は、Ａｌ−１０．５質量％Ｓｉの厚さ５０μｍのろう材箔を用いて、温度６１０℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で接合した。
【００９２】
この試験片を、−４０℃←→１１０℃の熱サイクルを２０００回負荷し、その際の接合率を求めた。この結果を表１に示す。
なお、接合率は、以下の式で算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積のこととした。
接合率 ＝ （初期接合面積−剥離面積）／初期接合面積
【００９３】
【表１】
【００９４】
Ｃｕ及び添加元素を固着させずにセラミックス基板に溶融アルミニウムを接触させた比較例においては、接合率が６３．５％と低い値を示した。
これに対して、本発明例１−２１においては、比較例に比べて接合率が向上していることが確認される。特に、Ｃｕの固着量を２０ｍｇ／ｃｍ２以下、あるいは、Ｃｕ及び添加元素の固着量を２０ｍｇ／ｃｍ２以下とした本発明例１−１９においては、接合率が７０％以上となっており、接合信頼性が向上していることが確認される。
【符号の説明】
【００９５】
１、１０１、２０１ パワーモジュール
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
１２、１１２、２１２ 回路層（アルミニウム層）
１３、２１３ 金属層（第２アルミニウム層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Ｃｕを固着し、Ｃｕを含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、
前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２】
前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内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の製造方法。
【請求項３】
前記固着工程において、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させ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の製造方法。
【請求項４】
前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
前記固着工程においては、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕを固着させ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の製造方法。
【請求項６】
前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を形成することを特徴とする請求項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の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、
前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から５０μｍの位置におけるＣｕ濃度と、前記セラミックス基板との界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度と、の濃度差が０．１質量％以下とされており、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Ｃｕ濃度が前記アルミニウム層中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成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８】
前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。
【請求項９】
前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１０】
前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１１】
前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有することを特徴とする請求項７から請求項１０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１】
セラミックス基板の一方の面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成されたパワーモジュール用基板を製造する方法であって、
前記セラミックス基板の一方の面のうち少なくとも前記アルミニウム層が形成される領域に、Ｃｕを固着し、Ｃｕを含有する固着層を形成する固着工程と、
前記固着層が形成された前記セラミックス基板を鋳型内に配置し、この鋳型内に溶融アルミニウムを充填し、前記セラミックス基板と前記溶融アルミニウムとを接触させる溶融アルミニウム充填工程と、
前記セラミックス基板と接触した状態で前記溶融アルミニウムを凝固させる凝固工程と、を備えていることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項２】
前記固着工程におけるＣｕの固着量が０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内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の製造方法。
【請求項３】
前記固着工程において、Ｃｕに加えて、Ａｇ，Ｍｇ，Ｃａ及びＮｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着させ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の製造方法。
【請求項４】
前記固着工程におけるＣｕ及び前記添加元素の固着量の合計が、０．１ｍｇ／ｃｍ２以上２０ｍｇ／ｃｍ２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項３に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項５】
前記固着工程においては、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト及びインクなどの塗布によって、Ｃｕを固着させ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の製造方法。
【請求項６】
前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を形成することを特徴とする請求項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の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載されたパワーモジュール用基板の製造方法によって製造されたパワーモジュール用基板であって、
前記アルミニウム層において、前記セラミックス基板との界面から５０μｍの位置におけるＣｕ濃度と、前記セラミックス基板との界面から１００μｍの位置におけるＣｕ濃度と、の濃度差が０．１質量％以下とされており、
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面には、Ｃｕ濃度が前記アルミニウム層中のＣｕ濃度の２倍以上とされたＣｕ高濃度部が形成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８】
前記セラミックス基板がＡｌＮで構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。
【請求項９】
前記セラミックス基板がＳｉ３Ｎ４で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｏ、Ｎの質量比が、Ａｌ：Ｓｉ：Ｃｕ：Ｏ：Ｎ＝１５〜４５質量％：１５〜４５質量％：１〜１０質量％：２〜２０質量％：２５質量％以下とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１０】
前記セラミックス基板がＡｌ２Ｏ３で構成されており、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との界面をエネルギー分散型Ｘ線分析法で分析したＡｌ、Ｃｕ、Ｏの質量比が、Ａｌ：Ｃｕ：Ｏ＝５０〜９０質量％：１〜１０質量％：０〜４５質量％とされていることを特徴とする請求項７の記載のパワーモジュール用基板。
【請求項１１】
前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第２アルミニウム層を有することを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載のパワーモジュール用基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１６４７０８（Ｐ２０１２−１６４７０８Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１８９４（Ｐ２０１１−２１８９４）
【出願日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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