ヒートシンク付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の製造方法及びパワーモジュール
【課題】セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性が高く、かつ、セラミックス割れの発生を抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供する。
【解決手段】セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍にはＣｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍にはＡｇが固溶されている。
【解決手段】セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との界面近傍にはＣｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍にはＡｇが固溶されている。
【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ヒートシンク付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の製造方法、及び、パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板の一方の面にＡｌ（アルミニウム）からなる第一の金属板が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にＡｌ（アルミニウム）からなる第二の金属板が接合され、さらに、第二の金属板にヒートシンクが積層接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、第一の金属板は回路層として形成され、第一の金属板の上に、はんだ材を介して半導体チップが搭載される。
【０００３】
従来、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、例えば特許文献１に記載されているように、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とをろう付けによって接合してパワーモジュール用基板を製出するセラミックス基板接合工程と、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをろう付けによって接合するヒートシンク接合工程と、によって製造されている。
【０００４】
また、特許文献２には、接合界面にＣｕを添加してセラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合したパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板においては、第一の金属板及び第二の金属板のうちセラミックス基板との接合界面近傍部分が、Ｃｕの固溶によって強度が向上している。このため、冷熱サイクルによって接合界面にせん断応力が作用しても、接合界面近傍部分に亀裂が発生することが抑制され、接合信頼性が高いパワーモジュール用基板を提供できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−００９２１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１６３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、第二の金属板とヒートシンクとをろう付けする際には、融点を低く設定するために、Ｓｉを７．５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材箔が使用されることが多い。
Ｓｉを比較的多く含有するＡｌ−Ｓｉ系合金においては、延性が不十分であることから圧延等によって箔材を製造するのが困難であった。
【０００７】
また、ヒートシンクと第二の金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、ヒートシンク及び第二の金属板を積層配置する必要があった。
さらに、ろう材箔を用いた場合、第二の金属板とヒートシンクとの界面部分には、第二の金属板及びヒートシンクの表面、ろう材箔の両面の４つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。この酸化被膜により、接合が阻害されるおそれがあった。
【０００８】
また、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とをろう材箔を用いて接合する場合には、前述のように、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、セラミックス基板、第一の金属板及び第二の金属板を積層配置する必要があった。
さらに、ろう材箔を用いた場合、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との界面部分には、第一の金属板及び第二の金属板の表面、セラミックス基板の表面、ろう材箔の両面の４つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。この酸化被膜により、接合が阻害されるおそれがあった。
【０００９】
また、ヒートシンクを接合した場合には、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、冷熱サイクル負荷時に、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになる。ここで、特許文献２では、Ｃｕを第一の金属板及び第二の金属板に固溶させることによって、接合界面近傍部分に亀裂が発生することが抑制され、接合信頼性が高いパワーモジュール用基板を提供できるが、パワーモジュールの冷却性能を向上させるため、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面でのさらなる接合信頼性の向上が求められている。
【００１０】
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第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性が高く、かつ、セラミックス割れの発生を抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍には、Ｃｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍には、Ａｇが固溶されていることを特徴としている。
【００１２】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、第一の金属板及び第二の金属板のうちセラミックス基板との接合界面近傍が、Ｃｕの固溶によって強化されている。また、ヒートシンク及び第二の金属板の接合界面近傍が、Ａｇの固溶によって強化されている。ここで、Ｃｕは、Ａｇに比べてアルミニウムの強度を向上させる効果が大きいことから、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合強度が、第二の金属板とヒートシンクとの接合強度よりも高くなる。
よって、ヒートシンクと第二の金属板とが必要以上に強固に接合されず、冷熱サイクルを負荷させた際に、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板の割れを防止することが可能となる。
【００１３】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍における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てもよい。
この場合、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、第一の金属板及び第二の金属板の前記接合界面近傍部分を確実に強化することができ、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性を向上させることが可能となる。また、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、第一の金属板及び第二の金属板の前記接合界面近傍部分の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、この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の応力を第一の金属板及び第二の金属板で吸収することにより、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
【００１４】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されていてもよい。
この場合、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上とされているので、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを確実に接合することができる。また、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍部分の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、この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の応力を、前記第二の金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れを確実に防止することができる。
【００１５】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていてもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第二の金属板とヒートシンクとを接合することができる。また、前述の添加元素は、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合強度が必要以上に高くならない。よって、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板の割れを防止することができる。
【００１６】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第一の金属板及び前記第二の金属板には、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていてもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
【００１７】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていてもよい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの第二の金属板で十分に吸収することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
【００１８】
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、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、使用環境が厳しい場合であっても、セラミックス基板の割れを防止でき、かつ、電子部品から発生する熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができ、信頼性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
【００１９】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記セラミックス基板接合工程は、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程と、前記第１Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程と、前記Ａｇ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有することを特徴としている。
【００２０】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、第二の金属板の他面にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、Ａｇが介在することになる。このＡｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを接合することが可能となる。また、ヒートシンクと第二の金属板の接合界面近傍に、Ａｇを固溶させることができる。
【００２１】
また、ヒートシンク加熱工程において、Ａｇ層内のＡｇを前記第二の金属板及びヒートシンク側に拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の金属板との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、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２２】
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に直接Ａｇを固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、第二の金属板及びヒートシンクに直接Ａｇを固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【００２３】
また、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程が、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層及び第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程を備えているので、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ｃｕが介在することになる。このＣｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板との界面に第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の条件で接合しても、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを接合することが可能となる。また、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板の界面近傍にＣｕを固溶させることができる。
【００２４】
セラミックス基板加熱工程において、第１Ｃｕ層及び第２Ｃｕ層のＣｕを第一の金属板及び第二の金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との界面に第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成し、この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることで、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、ろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とが確実に接合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。
【００２５】
このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。
しかも、第一の金属板及び第二の金属板、あるいは、セラミックス基板に直接Ｃｕを固着しているので、酸化被膜は、第一の金属板及び第二の金属板の表面にのみ形成されることになり、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【００２６】
前記Ａｇ層形成工程において、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着してもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第二の金属板とヒートシンクとを確実に接合することができる。さらに、前述の添加元素は、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであることから、ヒートシンクと第二の金属板との接合強度が必要以上に高くなることがない。
【００２７】
また、前記Ｃｕ固着工程において、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着してもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
【００２８】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行ってもよい。
この場合、ヒートシンク積層工程とセラミックス基板積層工程、ヒートシンク加熱工程とセラミックス基板加熱工程、溶融金属凝固工程と第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、をそれぞれ同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができる。
【００２９】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記Ａｇ層形成工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させる構成としてもよい。
この場合、ＡｇとともにＡｌを固着させているので、形成されるＡｇ層がＡｌを含有することになり、このＡｇ層が優先的に溶融し、第二の金属板とヒートシンクとの界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。なお、ＡｇとともにＡｌを固着させるには、ＡｇとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＡｇとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、ＡｇとＡｌを積層してもよい。
【００３０】
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記Ｃｕ固着工程においては、ＣｕとともにＡｌを固着させる構成としてもよい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成される第１Ｃｕ層又は第２Ｃｕ層がＡｌを含有することになり、この第１Ｃｕ層又は第２Ｃｕ層が優先的に溶融し、第一の金属板又は第二の金属板とセラミックス基板との界面に第一溶融金属領域又は第二溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、ＣｕとＡｌを積層してもよい。
【００３１】
また、前記Ａｇ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着させる構成としてもよい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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、Ａｇが前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを確実に接合することが可能となる。
【００３２】
また、前記Ｃｕ固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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を固着させる構成としてもよい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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が確実に固着されるので、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面にＣｕを確実に介在させ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、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を確実に形成して、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを強固に接合することが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性が高く、かつ、セラミックス割れの発生を抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付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の実施形態であるヒートシンク付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３】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＡｇ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５】本発明の第１の実施形態である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６】図５における回路層及び金属層とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図７】図５における金属層とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付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９】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＣｕ濃度分布及びＭｇ濃度分布を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＡｇ濃度分布及びＭｇ濃度を示す説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態である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】本発明の第２の実施形態である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２の実施形態である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１４】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付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。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００３６】
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。
【００３７】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
【００３８】
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。
【００３９】
そして、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）に、Ｃｕが固溶している。
回路層１２及び金属層１３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Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層３２が形成されている。ここで、回路層１２及び金属層１３の接合界面近傍の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、回路層１２及び金属層１３の接合界面近傍のＣｕ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、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）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。
【００４０】
また、図３に示すように、金属層１３（金属板２３）とヒートシンク４０との接合界面においては、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０に、Ａｇが固溶している。金属層１３及びヒートシンク４０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Ａｇ濃度が低下する濃度傾斜層３３、３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３３、３４の接合界面側（金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍）のＡｇ濃度が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍のＡｇ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。また、図３のグラフは、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０（天板部４１）の幅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。
【００４１】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図４から図７を参照して説明する。
【００４２】
（Ａｇ層形成工程Ｓ０１／Ｃｕ固着工程Ｓ１１）
まず、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一面に、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、金属層１３となる金属板２３の一面に、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Ｓ１１）。第１Ｃｕ層２４及び第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００４３】
また、金属層１３となる金属板２３の他面に、Ａｇペーストを塗布して、１５０〜２００℃で乾燥した後に３００〜５００℃で焼成を行うことによりＡｇ層２６を形成する。（Ａｇ層形成工程Ｓ０１）。なお、Ａｇペーストの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとした。また、Ａｇ層２６におけるＡｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００４４】
ここで使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有し、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、本実施形態では、Ａｇペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００４５】
Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、５００℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
【００４６】
（ヒートシンク積層工程Ｓ０２／セラミックス基板積層工程Ｓ１２）
次に、図５に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する（セラミックス基板積層工程Ｓ１２）。このとき、図５に示すように、金属板２２の第１Ｃｕ層２４、金属板２３の第２Ｃｕ層２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、金属板２２、２３を積層する。
さらに、金属板２３の他方の面側に、ヒートシンク４０を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ０２）。このとき、図５に示すように、金属板２３のＡｇ層２６が形成された面がヒートシンク４０を向くように、金属板２３とヒートシンク４０とを積層する。
すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５を介在させ、金属板２３とヒートシンク４０との間にＡｇ層２６を介在させているのである。
【００４７】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３／セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）
次に、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３、ヒートシンク４０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２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成する（セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）。
また、同時に、金属板２３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域２９を形成する（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３）。
ここで、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８は、図６に示すように、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕが金属板２２、２３に向けて拡散することによって、金属板２２、２３の第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５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。
また、溶融金属領域２９は、図７に示すように、Ａｇ層２６のＡｇが金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散することによって、金属板２３及びヒートシンク４０のＡｇ層２６近傍の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。
【００４８】
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１１と金属板２２、２３との接合及び金属板２３とヒートシンク４０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２２，２３及びヒートシンク４０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。
【００４９】
（溶融金属凝固工程Ｓ０４／第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域２９が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域２９中のＡｇが、さらに金属板２３側及びヒートシンク４０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２９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とになる。つまり、ヒートシンク４０と金属板２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００５０】
同様に、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕが、さらに金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８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１１と金属板２２、２３とが接合される。つまり、金属板２２，２３とセラミックス基板１１とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００５１】
以上のようにして、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、かつ、金属板２３とヒートシンク４０とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００５２】
前述の構成とされた本実施形態においては、金属板２２、２３のセラミックス基板１１との接合面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程Ｓ１１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面にＣｕが介在することになる。Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板２２、２３の表面が活性化し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とを強固に接合することが可能となる。また、Ｃｕが固溶することにより、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍部分の強度を向上させることができる。
【００５３】
また、金属板２３とヒートシンク４０との間にＡｇ層２６を形成するＡｇ層形成工程Ｓ０１を備えているので、金属板２３とヒートシンク４０との接合界面にＡｇが介在することになる。Ａｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において金属板２３とヒートシンク４０とを接合することができる。また、Ａｇが固溶することから、金属層１３とヒートシンク４０との接合界面近傍部分の強度を向上させることができる。
【００５４】
ここで、Ｃｕは、Ａｇに比べてアルミニウムの強度を向上させる効果が大きく、金属板２２，２３とセラミックス基板１１との接合強度が、金属板２３とヒートシンク４０との接合強度よりも高くなる。このように、ヒートシンク４０と金属板２３とが必要以上に強固に接合されないことから、冷熱サイクルを負荷させた際に、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板１１の割れを防止することができる。
【００５５】
回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、回路層１２及び金属層１３の接合界面側部分を確実に強化することができ、回路層１２及び金属層１３における亀裂の発生を防止できる。また、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、回路層１２及び金属層１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、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の熱応力を回路層１２及び金属層１３で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れ等を防止できる。
【００５６】
金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上とされているので、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面側部分を適度に強化することができる。また、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％以下とされているので、金属層１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、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の熱応力を金属層１３で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れを確実に防止することができる。
【００５７】
また、本実施形態では、ヒートシンク加熱工程Ｓ０３において、金属板２３の他面に形成されたＡｇ層２６のＡｇを金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散させることによって溶融金属領域２９を形成し、溶融金属凝固工程Ｓ０４において、溶融金属領域２９中のＡｇをさらに金属板２３側及びヒートシンク４０側へ拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク４０と金属層１３（金属板２３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク４０と金属板２３とを接合することが可能となる。
【００５８】
また、本実施形態では、セラミックス基板加熱工程Ｓ１３において、金属板２２、２３の接合面に形成された第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕを金属板２２、２３側に拡散させることによって第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４において、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕをさらに金属板２２、２３側へ拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
【００５９】
さらに、ヒートシンク４０と金属板２３との接合、及び、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク４０と金属板２３、セラミックス基板１１と金属板２２，２３、をそれぞれ接合することができる。よって、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
また、ろう材箔を使用していないので、ヒートシンク４０と金属板２３との界面、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に存在する酸化皮膜の合計厚さが薄くなり、初期接合の歩留りが向上する
【００６０】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合と、金属板２３とヒートシンク４０との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板１１に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【００６１】
さらに、Ａｇ層形成工程Ｓ０１は、Ａｇペーストを塗布して焼成することによってＡｇ層２６を形成する構成としているので、ヒートシンク４０と金属板２３との間にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域２９を確実に形成して、ヒートシンク４０と金属板２３とを接合することが可能となる。さらに、このＡｇペーストは、大気雰囲気で加熱して焼成してもＡｇが酸化しないことから、比較的容易にＡｇ層２６を形成することができる。
【００６２】
また、Ｃｕ固着工程Ｓ１１は、スパッタリングによって金属板２２、２３の接合面にＣｕを固着させて第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５を形成する構成としているので、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との間にＣｕを確実に介在させ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、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を確実に形成して、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
【００６３】
次に、本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図８から図１３を用いて説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク１４０とを備えている。
【００６４】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図８において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図８において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
なお、セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍ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。
【００６５】
回路層１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
金属層１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
【００６６】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク１４０は、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１と、この天板部１４１に対向するように配置された底板部１４５と、天板部１４１と底板部１４５との間に介装されたコルゲートフィン１４６と、を備えており、天板部１４１と底板部１４５とコルゲートフィン１４６とによって、冷却媒体が流通する流路１４２が画成されている。
【００６７】
ここで、このヒートシンク１４０は、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、コルゲートフィン１４６と底板部１４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図１３に示すように、天板部１４１及び底板部１４５は、Ａ３００３合金からなる基材層１４１Ａ、１４５Ａと、Ａ４０４５合金からなる接合層１４１Ｂ、１４５Ｂとが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層１４１Ｂ、１４５Ｂがコルゲートフィン１４６側を向くように天板部１４１及び底板部１４５が配設されている。つまり、天板部１４１の基材層１４１Ａが金属層１１３に接する構成とされているのである。
【００６８】
そして、図９に示すように、回路層１１２とセラミックス基板１１１との接合界面、及び、金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では添加元素としてＭｇが固溶している。
回路層１１２及び金属層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Ｃｕ濃度及びＭｇ濃度が低下する濃度傾斜層１３２が形成されている。ここで、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面近傍のＣｕ濃度及びＭｇ濃度の合計が、０．０５質量％以上６．５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面近傍のＣｕ濃度及びＭｇ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。また、図９のグラフは、回路層１１２及び金属層１１３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。
【００６９】
また、図１０に示すように、ヒートシンク１４０（天板部１４１の基材層１４１Ａ）と金属層１１３（金属板１２３）との接合界面においては、金属層１１３（金属板１２３）及びヒートシンク１４０（天板部１４１の基材層１４１Ａ）に、Ａｇに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＭｇが固溶している。
金属層１１３及びヒートシンク１４０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Ａｇ濃度及びＭｇ濃度が低下する濃度傾斜層１３３、１３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層１３３、１３４の接合界面側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍）のＡｇ濃度及びＭｇ濃度の合計が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍のＡｇ濃度及びＭｇ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。また、図１０のグラフは、金属層１１３及びヒートシンク１４０（天板部１４１）の幅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。
【００７０】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【００７１】
（Ｃｕ固着工程Ｓ１０１）
まず、図１２に示すように、回路層１１２となる金属板１２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層１２４を形成するとともに、金属層１１３となる金属板１２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層１２５を形成する。なお、この第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５には、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてＭｇを用いている。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。また、Ｍｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００７２】
（セラミックス基板積層工程Ｓ１０２）
次に、図１２に示すように、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、図１２に示すように、金属板１２２の第１Ｃｕ層１２４、金属板１２３の第２Ｃｕ層１２５が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように、金属板１２２、１２３を積層する。すなわち、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５を介在させているのである。
【００７３】
（セラミックス基板加熱工程Ｓ１０３）
次に、金属板１２２、セラミックス基板１１１、金属板１２３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１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成する。このとき、第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５のＣｕ及びＭｇが金属板１２２、１２３に向けて拡散し、金属板１２２、１２３の第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５近傍のＣｕ濃度及びＭｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成される。
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。
【００７４】
（第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕ及びＭｇが、さらに金属板１２２、１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＭｇ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と金属板１２２、１２３とが接合され、パワーモジュール用基板１１０が製出されることになる。
【００７５】
（Ａｇ層形成工程Ｓ１０５）
次に、金属層１１３の他方の面に、スパッタリングによってＡｇ及びＭｇを固着してＡｇ層１２６を形成する。ここで、本実施形態では、Ａｇ層１２６におけるＡｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定され、Ｍｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００７６】
（ヒートシンク積層工程Ｓ１０６）
次に、図１３に示すように、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、ヒートシンク１４０を構成する天板部１４１、コルゲートフィン１４６、底板部１４５を積層する。このとき、天板部１４１の接合層１４１Ｂ及び底板部１４５の接合層１４５Ｂがコルゲートフィン１４６側を向くように、天板部１４１及び底板部１４５を積層する。また、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）を介在させておく。
また、金属板１２３のＡｇ層１２６が形成された面が、ヒートシンク１４０の天板部１４１を向くように配置し、金属板１２３とヒートシンク１４０との間にＡｇ層１２６を介在させる。
【００７７】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１０７）
次に、積層されたパワーモジュール用基板１１０、天板部１４１、コルゲートフィン１４６及び底板部１４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２３とヒートシンク１４０の天板部１４１との間に溶融金属領域を形成する。このとき、Ａｇ層１２６のＡｇ及びＭｇが金属板１２３及び天板部１４１に向けて拡散し、Ａｇ層１２６近傍のＡｇ濃度及びＭｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより、溶融金属領域が形成される。
また、同時に、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６との間にも、接合層１４１Ｂ、１４５Ｂを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
【００７８】
（溶融金属凝固工程Ｓ１０８）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＡｇ及びＭｇが、さらに金属板１２３側及びヒートシンク１４０の天板部１４１側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度及びＭｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク１４０の天板部１４１と金属板２２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００７９】
また、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６の間に形成された溶融金属層が凝固することによって、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６とがろう付けされることになる。このとき、天板部１４１、コルゲートフィン１４６、底板部１４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去される。
【００８０】
このようにして、天板部１４１とコルゲートフィン１４６と底板部１４５とがろう付けされてヒートシンク１４０が形成されるとともに、このヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とが接合されて本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００８１】
以上のような構成とされた本実施形態においては、回路層１１２及び金属層１１３に、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素としてＭｇが固溶されている。Ｍｇは、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とを接合することができる。
【００８２】
また、金属層１２３及びヒートシンク１４０の天板部１４１には、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素としてＭｇが固溶されている。Ｍｇは、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであることから、ヒートシンク１４０と金属層１１３との接合強度が必要以上に高くならない。よって、冷熱サイクルを負荷した場合であっても、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板１１１の割れを防止することができる。
【００８３】
また、ヒートシンク１４０を、フラックスを用いたろう付けによって形成する場合、窒素ガス雰囲気で５５０℃以上６３０℃以下の温度条件で接合することになるが、本実施形態では、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０との接合に、Ａｇ及びＭｇの拡散接合を利用しているので、前述のように、低温条件での接合及び窒素ガス雰囲気での接合が可能となる。よって、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０との接合と同時に、天板部１４１とコルゲートフィン１４６と底板部１４５とを、ろう付けによって接合してヒートシンク１４０を製出することができる。これにより、製造工程を省略することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製作コストの削減を図ることができる。
【００８４】
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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％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く、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
また、セラミックス基板をＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
【００８５】
さらに、第２の実施形態においては、Ｃｕ固着工程で、ＣｕとともにＭｇを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上を用いても良い。
同様に、Ａｇ層形成工程で、ＡｇとともにＭｇを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上を用いても良い。
【００８６】
さらに、Ａｇ層形成工程において、金属層となる金属板の他面にＡｇを固着させる構成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く、ヒートシンクの接合面にＡｇを固着させてもよいし、ヒートシンクの接合面及び金属板の他面に、それぞれＡｇを固着させてもよい。
また、Ａｇ層形成工程では、ペーストの塗布、スパッタによってＡｇ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、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクなどの塗布等でＡｇを固着させてもよい。
さらに、Ａｇ層形成工程において、ＡｇとともにＡｌを固着する構成としてもよい。
【００８７】
また、Ｃｕ固着工程において、金属板にＣｕを固着させる構成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く、セラミックス基板の接合面にＣｕを固着させてもよいし、セラミックス基板の接合面及び金属板の接合面に、それぞれＣｕを固着させてもよい。
また、Ｃｕ固着工程では、スパッタによってＣｕ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、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。
さらに、Ｃｕ固着工程において、ＣｕとともにＡｌを固着する構成としてもよい。
【００８８】
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。
また、ヒートシンクと金属層との接合を、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雰囲気等でヒートシンクと金属層との接合を行ってもよい。
【００８９】
また、第２の実施形態において、天板部及び底板部が、基材層と接合層とを備えた積層アルミ材で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、コルゲートフィンを、例えばＡ３００３からなる芯材とこの芯材の両面にＡ４０４５からなる接合層とを備えたクラッド材で構成してもよい。この場合、天板部及び底板部は、単純なアルミニウム板を用いることができる。
【００９０】
また、天板部、コルゲートフィン、底板部の材質は、本実施形態に限定されることはない。
さらに、コルゲートフィンの形状等を含め、ヒートシンクの構造も本実施形態に限定されるものではない。
【００９１】
さらに、図１４に示すように、第二の金属板２１３を、複数の金属板２１３Ａ、２１３Ｂを積層した構造としてもよい。この場合、第二の金属板２１３のうち一方側（図１４において上側）に位置する金属板２１３Ａがセラミックス基板２１１に接合され、他方側（図１４において下側）に位置する金属板２１３Ｂがヒートシンク２４０の天板部２４１に接合されることになる。なお、図１４では、２枚の金属板２１３Ａ、２１３Ｂ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１４に示すように、積層する金属板同士の大きさ、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。
【実施例】
【００９２】
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。
５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板、あるいは、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．３２ｍｍのＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板に、４７ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層と、４７ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍの４Ｎアルミニウム板及び５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．９ｍｍの４Ｎアルミニウム板を積層した金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
また、ヒートシンクとして６０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム板を準備し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合した。
【００９３】
ここで、回路層及び金属層となる金属板（４Ｎアルミニウム）の接合面に、表１、２に示す元素を固着して、金属板とセラミックス基板とを積層して加圧加熱（温度：６５０℃、圧力：１２ｋｇｆ／ｃｍ２、時間：９０分）し、金属板とセラミックス基板とを接合した。
また、ヒートシンクの接合面に、表１に示す元素を固着して、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを積層して加圧加熱（温度：６１０℃、圧力：１２ｋｇｆ／ｃｍ２、時間：９０分）し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合した。
【００９４】
このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板に、冷熱サイクル（−４５℃〜２００℃）を２０００回繰り返した後、セラミックス基板の割れを評価した。なお、セラミックス基板の割れは、目視及び顕微鏡観察により、セラミックスにおける亀裂の有無で評価した。評価結果を表１、２に示す。
【００９５】
【表１】
【００９６】
【表２】
【００９７】
回路層及び金属層とセラミックス基板とをＣｕの拡散接合によって接合し、金属層とヒートシンクとをＣｕの拡散接合によって接合した場合には、セラミックス基板の割れが観察された。これは、ヒートシンクと金属層とが必要以上に強固に固定されているので、冷熱サイクルによってセラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面に大きなせん断応力が作用したためと推測される。
これに対して、回路層及び金属層とセラミックス基板とをＣｕの拡散接合によって接合し、金属層とヒートシンクとをＡｇの拡散接合によって接合した場合には、セラミックス基板の割れが抑制されることが確認された。
【符号の説明】
【００９８】
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（第一の金属板）
１３、１１３、２１３ 金属層（第二の金属板）
４０、１４０、２４０ ヒートシンク
２４、１２４ 第１Ｃｕ層
２５、１２５ 第２Ｃｕ層
２６、１２６ Ａｇ層
２７ 第一溶融金属領域
２８ 第二溶融金属領域
２９ 溶融金属領域
【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ヒートシンク付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の製造方法、及び、パワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＡｌ２Ｏ３（アルミナ）などからなるセラミックス基板の一方の面にＡｌ（アルミニウム）からなる第一の金属板が接合されるとともに、セラミックス基板の他方の面にＡｌ（アルミニウム）からなる第二の金属板が接合され、さらに、第二の金属板にヒートシンクが積層接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板が用いられる。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板では、第一の金属板は回路層として形成され、第一の金属板の上に、はんだ材を介して半導体チップが搭載される。
【０００３】
従来、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、例えば特許文献１に記載されているように、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とをろう付けによって接合してパワーモジュール用基板を製出するセラミックス基板接合工程と、パワーモジュール用基板とヒートシンクとをろう付けによって接合するヒートシンク接合工程と、によって製造されている。
【０００４】
また、特許文献２には、接合界面にＣｕを添加してセラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合したパワーモジュール用基板が提案されている。このパワーモジュール用基板においては、第一の金属板及び第二の金属板のうちセラミックス基板との接合界面近傍部分が、Ｃｕの固溶によって強度が向上している。このため、冷熱サイクルによって接合界面にせん断応力が作用しても、接合界面近傍部分に亀裂が発生することが抑制され、接合信頼性が高いパワーモジュール用基板を提供できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−００９２１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１６３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、第二の金属板とヒートシンクとをろう付けする際には、融点を低く設定するために、Ｓｉを７．５質量％以上含有するＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材箔が使用されることが多い。
Ｓｉを比較的多く含有するＡｌ−Ｓｉ系合金においては、延性が不十分であることから圧延等によって箔材を製造するのが困難であった。
【０００７】
また、ヒートシンクと第二の金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、ヒートシンク及び第二の金属板を積層配置する必要があった。
さらに、ろう材箔を用いた場合、第二の金属板とヒートシンクとの界面部分には、第二の金属板及びヒートシンクの表面、ろう材箔の両面の４つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。この酸化被膜により、接合が阻害されるおそれがあった。
【０００８】
また、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とをろう材箔を用いて接合する場合には、前述のように、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との間にろう材箔を配置し、これらを積層方向に加圧して加熱することになるが、この加圧に際してろう材箔の位置がずれないように、ろう材箔、セラミックス基板、第一の金属板及び第二の金属板を積層配置する必要があった。
さらに、ろう材箔を用いた場合、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との界面部分には、第一の金属板及び第二の金属板の表面、セラミックス基板の表面、ろう材箔の両面の４つの面において酸化被膜が存在することになり、酸化被膜の合計厚さが厚くなる傾向にあった。この酸化被膜により、接合が阻害されるおそれがあった。
【０００９】
また、ヒートシンクを接合した場合には、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、冷熱サイクル負荷時に、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することになる。ここで、特許文献２では、Ｃｕを第一の金属板及び第二の金属板に固溶させることによって、接合界面近傍部分に亀裂が発生することが抑制され、接合信頼性が高いパワーモジュール用基板を提供できるが、パワーモジュールの冷却性能を向上させるため、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面でのさらなる接合信頼性の向上が求められている。
【００１０】
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第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性が高く、かつ、セラミックス割れの発生を抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍には、Ｃｕが固溶されており、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍には、Ａｇが固溶されていることを特徴としている。
【００１２】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、第一の金属板及び第二の金属板のうちセラミックス基板との接合界面近傍が、Ｃｕの固溶によって強化されている。また、ヒートシンク及び第二の金属板の接合界面近傍が、Ａｇの固溶によって強化されている。ここで、Ｃｕは、Ａｇに比べてアルミニウムの強度を向上させる効果が大きいことから、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合強度が、第二の金属板とヒートシンクとの接合強度よりも高くなる。
よって、ヒートシンクと第二の金属板とが必要以上に強固に接合されず、冷熱サイクルを負荷させた際に、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板の割れを防止することが可能となる。
【００１３】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍における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てもよい。
この場合、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、第一の金属板及び第二の金属板の前記接合界面近傍部分を確実に強化することができ、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性を向上させることが可能となる。また、第一の金属板及び第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、第一の金属板及び第二の金属板の前記接合界面近傍部分の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、この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の応力を第一の金属板及び第二の金属板で吸収することにより、セラミックス基板の割れ等を防止できる。
【００１４】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されていてもよい。
この場合、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上とされているので、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを確実に接合することができる。また、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％以下とされているので、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍部分の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、この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の応力を、前記第二の金属板で吸収することができ、セラミックス基板の割れを確実に防止することができる。
【００１５】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていてもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第二の金属板とヒートシンクとを接合することができる。また、前述の添加元素は、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合強度が必要以上に高くならない。よって、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板の割れを防止することができる。
【００１６】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第一の金属板及び前記第二の金属板には、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶されていてもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
【００１７】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されていてもよい。
この場合、第二の金属板が、複数の金属板が積層された構造とされているので、ヒートシンクとセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力をこの第二の金属板で十分に吸収することができ、セラミックス基板の割れを抑制することができる。
【００１８】
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、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、使用環境が厳しい場合であっても、セラミックス基板の割れを防止でき、かつ、電子部品から発生する熱をヒートシンクによって効率的に冷却することができ、信頼性に優れたパワーモジュールを提供することができる。
【００１９】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、前記セラミックス基板接合工程は、前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程と、前記第１Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、前記ヒートシンク接合工程は、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程と、前記Ａｇ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有することを特徴としている。
【００２０】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法によれば、第二の金属板の他面にヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程が、前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程を備えているので、第二の金属板とヒートシンクとの接合界面には、Ａｇが介在することになる。このＡｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、ヒートシンクと第二の金属板との界面に溶融金属領域を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の条件で接合しても、ヒートシンクと第二の金属板とを接合することが可能となる。また、ヒートシンクと第二の金属板の接合界面近傍に、Ａｇを固溶させることができる。
【００２１】
また、ヒートシンク加熱工程において、Ａｇ層内のＡｇを前記第二の金属板及びヒートシンク側に拡散させることにより、前記ヒートシンクと前記第二の金属板との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、前記第二の金属板と前記ヒートシンクを接合する構成としているので、製造が困難なＡｌ−Ｓｉ系のろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第二の金属板とヒートシンクとが確実に接合されたヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造することができる。
【００２２】
さらに、ろう材箔を使用せずに、前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に直接Ａｇを固着しているので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がない。
しかも、第二の金属板及びヒートシンクに直接Ａｇを固着した場合、酸化被膜は、第二の金属板及びヒートシンクの表面にのみ形成されることになり、第二の金属板及びヒートシンクの界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【００２３】
また、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを接合するセラミックス基板接合工程が、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板の接合面のうち少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層及び第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程を備えているので、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板との接合界面には、Ｃｕが介在することになる。このＣｕは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板との界面に第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成することができる。よって、比較的低温、短時間の条件で接合しても、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを接合することが可能となる。また、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板の界面近傍にＣｕを固溶させることができる。
【００２４】
セラミックス基板加熱工程において、第１Ｃｕ層及び第２Ｃｕ層のＣｕを第一の金属板及び第二の金属板側に拡散させることにより、前記セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との界面に第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成し、この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることで、第一の金属板及び第二の金属板と前記セラミックス基板を接合する構成としているので、ろう材箔等を用いる必要がなく、低コストで、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とが確実に接合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。
【００２５】
このように、ろう材箔を使用せずに、前記セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板とを接合可能であることから、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、例えば、予め回路パターン状に形成された金属片をセラミックス基板に接合する場合であっても、位置ズレ等によるトラブルを未然に防止することができる。
しかも、第一の金属板及び第二の金属板、あるいは、セラミックス基板に直接Ｃｕを固着しているので、酸化被膜は、第一の金属板及び第二の金属板の表面にのみ形成されることになり、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板の界面に存在する酸化被膜の合計厚さが薄くなるので、初期接合の歩留りが向上する。
【００２６】
前記Ａｇ層形成工程において、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着してもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第二の金属板とヒートシンクとを確実に接合することができる。さらに、前述の添加元素は、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであることから、ヒートシンクと第二の金属板との接合強度が必要以上に高くなることがない。
【００２７】
また、前記Ｃｕ固着工程において、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着してもよい。
前述の添加元素は、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
【００２８】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行ってもよい。
この場合、ヒートシンク積層工程とセラミックス基板積層工程、ヒートシンク加熱工程とセラミックス基板加熱工程、溶融金属凝固工程と第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、をそれぞれ同時に行うことによって、接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができる。
【００２９】
本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記Ａｇ層形成工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させる構成としてもよい。
この場合、ＡｇとともにＡｌを固着させているので、形成されるＡｇ層がＡｌを含有することになり、このＡｇ層が優先的に溶融し、第二の金属板とヒートシンクとの界面に溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。なお、ＡｇとともにＡｌを固着させるには、ＡｇとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＡｇとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、ＡｇとＡｌを積層してもよい。
【００３０】
また、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法において、前記Ｃｕ固着工程においては、ＣｕとともにＡｌを固着させる構成としてもよい。
この場合、ＣｕとともにＡｌを固着させているので、形成される第１Ｃｕ層又は第２Ｃｕ層がＡｌを含有することになり、この第１Ｃｕ層又は第２Ｃｕ層が優先的に溶融し、第一の金属板又は第二の金属板とセラミックス基板との界面に第一溶融金属領域又は第二溶融金属領域を確実に形成することが可能となる。なお、ＣｕとともにＡｌを固着させるには、ＣｕとＡｌとを同時に蒸着してもよいし、ＣｕとＡｌの合金をターゲットとしてスパッタリングしてもよい。さらに、ＣｕとＡｌを積層してもよい。
【００３１】
また、前記Ａｇ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に、Ａｇを固着させる構成としてもよい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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、Ａｇが前記ヒートシンクの接合面及び前記第二の金属板の他面のうち少なくとも一方に確実に固着されるので、ヒートシンクと第二の金属板との接合界面にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域を確実に形成して、ヒートシンクと第二の金属板とを確実に接合することが可能となる。
【００３２】
また、前記Ｃｕ固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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を固着させる構成としてもよい。
この場合、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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が確実に固着されるので、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板との接合界面にＣｕを確実に介在させ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、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を確実に形成して、第一の金属板及び第二の金属板とセラミックス基板とを強固に接合することが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、セラミックス基板と第一の金属板及び第二の金属板との接合信頼性が高く、かつ、セラミックス割れの発生を抑制できるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、及び、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたパワーモジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付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の実施形態であるヒートシンク付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３】本発明の第１の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＡｇ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５】本発明の第１の実施形態である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６】図５における回路層及び金属層とセラミックス基板との接合界面近傍を示す説明図である。
【図７】図５における金属層とヒートシンクとの接合界面近傍を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付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９】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の回路層及び金属層のＣｕ濃度分布及びＭｇ濃度分布を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層及びヒートシンクのＡｇ濃度分布及びＭｇ濃度を示す説明図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態である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】本発明の第２の実施形態である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２の実施形態である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１４】本発明の他の実施形態であるヒートシンク付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。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
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の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２が配設されたパワーモジュール用基板１０と、回路層１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク４０とを備えている。ここで、はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とはんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００３６】
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。
【００３７】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、金属層１３は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
【００３８】
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。
【００３９】
そして、図２に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）との接合界面においては、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）に、Ｃｕが固溶している。
回路層１２及び金属層１３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Ｃｕ濃度が低下する濃度傾斜層３２が形成されている。ここで、回路層１２及び金属層１３の接合界面近傍の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、回路層１２及び金属層１３の接合界面近傍のＣｕ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、回路層１２（金属板２２）及び金属層１３（金属板２３）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。
【００４０】
また、図３に示すように、金属層１３（金属板２３）とヒートシンク４０との接合界面においては、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０に、Ａｇが固溶している。金属層１３及びヒートシンク４０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Ａｇ濃度が低下する濃度傾斜層３３、３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層３３、３４の接合界面側（金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍）のＡｇ濃度が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍のＡｇ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。また、図３のグラフは、金属層１３（金属板２３）及びヒートシンク４０（天板部４１）の幅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。
【００４１】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について、図４から図７を参照して説明する。
【００４２】
（Ａｇ層形成工程Ｓ０１／Ｃｕ固着工程Ｓ１１）
まず、図５に示すように、回路層１２となる金属板２２の一面に、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、金属層１３となる金属板２３の一面に、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Ｓ１１）。第１Ｃｕ層２４及び第２Ｃｕ層２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００４３】
また、金属層１３となる金属板２３の他面に、Ａｇペーストを塗布して、１５０〜２００℃で乾燥した後に３００〜５００℃で焼成を行うことによりＡｇ層２６を形成する。（Ａｇ層形成工程Ｓ０１）。なお、Ａｇペーストの厚さは、乾燥後で約０．０２〜２００μｍとした。また、Ａｇ層２６におけるＡｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００４４】
ここで使用されるＡｇペーストは、Ａｇ粉末と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、を含有し、Ａｇ粉末の含有量が、Ａｇペースト全体の６０質量％以上９０質量％以下とされており、残部が樹脂、溶剤、分散剤とされている。なお、本実施形態では、Ａｇ粉末の含有量は、Ａｇペースト全体の８５質量％とされている。
また、本実施形態では、Ａｇペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００４５】
Ａｇ粉末は、その粒径が０．０５μｍ以上１．０μｍ以下とされており、本実施形態では、平均粒径０．８μｍのものを使用した。
溶剤は、沸点が２００℃以上のものが適しており、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を適用することができる。なお、本実施形態では、ジエチレンクリコールジブチルエーテルを用いている。
樹脂は、Ａｇペーストの粘度を調整するものであり、５００℃以上で分解されるものが適しており、例えば、アクリル樹脂、アルキッド樹脂等を適用することができる。なお、本実施形態では、エチルセルロースを用いている。
また、本実施形態では、ジカルボン酸系の分散剤を添加している。なお、分散剤を添加することなくＡｇペーストを構成してもよい。
【００４６】
（ヒートシンク積層工程Ｓ０２／セラミックス基板積層工程Ｓ１２）
次に、図５に示すように、金属板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板２３をセラミックス基板１１の他方の面側に積層する（セラミックス基板積層工程Ｓ１２）。このとき、図５に示すように、金属板２２の第１Ｃｕ層２４、金属板２３の第２Ｃｕ層２５が形成された面がセラミックス基板１１を向くように、金属板２２、２３を積層する。
さらに、金属板２３の他方の面側に、ヒートシンク４０を積層する（ヒートシンク積層工程Ｓ０２）。このとき、図５に示すように、金属板２３のＡｇ層２６が形成された面がヒートシンク４０を向くように、金属板２３とヒートシンク４０とを積層する。
すなわち、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５を介在させ、金属板２３とヒートシンク４０との間にＡｇ層２６を介在させているのである。
【００４７】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３／セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）
次に、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３、ヒートシンク４０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２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成する（セラミックス基板加熱工程Ｓ１３）。
また、同時に、金属板２３とヒートシンク４０との間に溶融金属領域２９を形成する（ヒートシンク加熱工程Ｓ０３）。
ここで、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８は、図６に示すように、第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕが金属板２２、２３に向けて拡散することによって、金属板２２、２３の第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５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。
また、溶融金属領域２９は、図７に示すように、Ａｇ層２６のＡｇが金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散することによって、金属板２３及びヒートシンク４０のＡｇ層２６近傍の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。
【００４８】
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１１と金属板２２、２３との接合及び金属板２３とヒートシンク４０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２２，２３及びヒートシンク４０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。
【００４９】
（溶融金属凝固工程Ｓ０４／第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４）
次に、溶融金属領域２９が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域２９中のＡｇが、さらに金属板２３側及びヒートシンク４０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２９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とになる。つまり、ヒートシンク４０と金属板２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００５０】
同様に、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕが、さらに金属板２２、２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８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１１と金属板２２、２３とが接合される。つまり、金属板２２，２３とセラミックス基板１１とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００５１】
以上のようにして、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、かつ、金属板２３とヒートシンク４０とが接合され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００５２】
前述の構成とされた本実施形態においては、金属板２２、２３のセラミックス基板１１との接合面にＣｕを固着させるＣｕ固着工程Ｓ１１を備えているので、金属板２２、２３とセラミックス基板１１の接合界面にＣｕが介在することになる。Ｃｕは、Ａｌに対して反応性の高い元素であるため、接合界面にＣｕが存在することによってアルミニウムからなる金属板２２、２３の表面が活性化し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１とを強固に接合することが可能となる。また、Ｃｕが固溶することにより、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍部分の強度を向上させることができる。
【００５３】
また、金属板２３とヒートシンク４０との間にＡｇ層２６を形成するＡｇ層形成工程Ｓ０１を備えているので、金属板２３とヒートシンク４０との接合界面にＡｇが介在することになる。Ａｇは、アルミニウムの融点を降下させる元素であるため、比較的低温条件において金属板２３とヒートシンク４０とを接合することができる。また、Ａｇが固溶することから、金属層１３とヒートシンク４０との接合界面近傍部分の強度を向上させることができる。
【００５４】
ここで、Ｃｕは、Ａｇに比べてアルミニウムの強度を向上させる効果が大きく、金属板２２，２３とセラミックス基板１１との接合強度が、金属板２３とヒートシンク４０との接合強度よりも高くなる。このように、ヒートシンク４０と金属板２３とが必要以上に強固に接合されないことから、冷熱サイクルを負荷させた際に、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板１１の割れを防止することができる。
【００５５】
回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が０．０５質量％以上とされているので、回路層１２及び金属層１３の接合界面側部分を確実に強化することができ、回路層１２及び金属層１３における亀裂の発生を防止できる。また、回路層１２及び金属層１３のうちセラミックス基板１１との接合界面近傍におけるＣｕ濃度が５質量％以下とされているので、回路層１２及び金属層１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、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の熱応力を回路層１２及び金属層１３で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れ等を防止できる。
【００５６】
金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上とされているので、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面側部分を適度に強化することができる。また、金属層１３及びヒートシンク４０の接合界面近傍におけるＡｇ濃度が１０質量％以下とされているので、金属層１３の接合界面の強度が必要以上に高くなることを防止できる。よって、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の熱応力を金属層１３で吸収することができ、セラミックス基板１１の割れを確実に防止することができる。
【００５７】
また、本実施形態では、ヒートシンク加熱工程Ｓ０３において、金属板２３の他面に形成されたＡｇ層２６のＡｇを金属板２３側及びヒートシンク４０側に拡散させることによって溶融金属領域２９を形成し、溶融金属凝固工程Ｓ０４において、溶融金属領域２９中のＡｇをさらに金属板２３側及びヒートシンク４０側へ拡散させることによって凝固させて、ヒートシンク４０と金属層１３（金属板２３）とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、ヒートシンク４０と金属板２３とを接合することが可能となる。
【００５８】
また、本実施形態では、セラミックス基板加熱工程Ｓ１３において、金属板２２、２３の接合面に形成された第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５のＣｕを金属板２２、２３側に拡散させることによって第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を形成し、第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１４において、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８中のＣｕをさらに金属板２２、２３側へ拡散させることによって凝固させて、セラミックス基板１１と金属板２２，２３とを接合する構成としているので、比較的低温、短時間の接合条件で接合しても、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
【００５９】
さらに、ヒートシンク４０と金属板２３との接合、及び、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合に、ろう材箔を使用していないので、ろう材箔の位置合わせ作業等を行う必要がなく、確実に、ヒートシンク４０と金属板２３、セラミックス基板１１と金属板２２，２３、をそれぞれ接合することができる。よって、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を、低コストで効率良く製出することが可能となる。
また、ろう材箔を使用していないので、ヒートシンク４０と金属板２３との界面、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との界面に存在する酸化皮膜の合計厚さが薄くなり、初期接合の歩留りが向上する
【００６０】
また、本実施形態では、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との接合と、金属板２３とヒートシンク４０との接合とを、同時に行う構成としているので、これらの接合に掛かるコストを大幅に削減することができる。また、セラミックス基板１１に対して繰り返し加熱、冷却を行わずに済むので、このヒートシンク付パワーモジュール用基板の反りの低減を図ることができ、高品質なヒートシンク付パワーモジュール用基板を製出することができる。
【００６１】
さらに、Ａｇ層形成工程Ｓ０１は、Ａｇペーストを塗布して焼成することによってＡｇ層２６を形成する構成としているので、ヒートシンク４０と金属板２３との間にＡｇを確実に介在させることが可能となる。また、Ａｇの固着量を精度良く調整することができ、溶融金属領域２９を確実に形成して、ヒートシンク４０と金属板２３とを接合することが可能となる。さらに、このＡｇペーストは、大気雰囲気で加熱して焼成してもＡｇが酸化しないことから、比較的容易にＡｇ層２６を形成することができる。
【００６２】
また、Ｃｕ固着工程Ｓ１１は、スパッタリングによって金属板２２、２３の接合面にＣｕを固着させて第１Ｃｕ層２４、第２Ｃｕ層２５を形成する構成としているので、セラミックス基板１１と金属板２２、２３との間にＣｕを確実に介在させ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、第一溶融金属領域２７、第二溶融金属領域２８を確実に形成して、セラミックス基板１１と金属板２２、２３とを強固に接合することが可能となる。
【００６３】
次に、本発明の第２の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールについて、図８から図１３を用いて説明する。
このパワーモジュール１０１は、回路層１１２が配設されたパワーモジュール用基板１１０と、回路層１１２の表面にはんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、ヒートシンク１４０とを備えている。
【００６４】
パワーモジュール用基板１１０は、セラミックス基板１１１と、このセラミックス基板１１１の一方の面（図８において上面）に配設された回路層１１２と、セラミックス基板１１１の他方の面（図８において下面）に配設された金属層１１３とを備えている。
なお、セラミックス基板１１１は絶縁性の高いＡｌ２Ｏ３（アルミナ）で構成されている。また、セラミックス基板１１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍ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。
【００６５】
回路層１１２は、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２２がセラミックス基板１１１に接合されることにより形成されている。
金属層１１３は、回路層１１２と同様に、純度が９９．９９％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板１２３がセラミックス基板１１１に接合されることで形成されている。
【００６６】
ヒートシンク１４０は、前述のパワーモジュール用基板１１０を冷却するためのものである。本実施形態であるヒートシンク１４０は、パワーモジュール用基板１１０と接合される天板部１４１と、この天板部１４１に対向するように配置された底板部１４５と、天板部１４１と底板部１４５との間に介装されたコルゲートフィン１４６と、を備えており、天板部１４１と底板部１４５とコルゲートフィン１４６とによって、冷却媒体が流通する流路１４２が画成されている。
【００６７】
ここで、このヒートシンク１４０は、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、コルゲートフィン１４６と底板部１４５が、それぞれろう付けされることによって構成されている。本実施形態では、図１３に示すように、天板部１４１及び底板部１４５は、Ａ３００３合金からなる基材層１４１Ａ、１４５Ａと、Ａ４０４５合金からなる接合層１４１Ｂ、１４５Ｂとが積層された積層アルミ板で構成されており、接合層１４１Ｂ、１４５Ｂがコルゲートフィン１４６側を向くように天板部１４１及び底板部１４５が配設されている。つまり、天板部１４１の基材層１４１Ａが金属層１１３に接する構成とされているのである。
【００６８】
そして、図９に示すように、回路層１１２とセラミックス基板１１１との接合界面、及び、金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面においては、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶しており、本実施形態では添加元素としてＭｇが固溶している。
回路層１１２及び金属層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Ｃｕ濃度及びＭｇ濃度が低下する濃度傾斜層１３２が形成されている。ここで、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面近傍のＣｕ濃度及びＭｇ濃度の合計が、０．０５質量％以上６．５質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、回路層１１２及び金属層１１３の接合界面近傍のＣｕ濃度及びＭｇ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。また、図９のグラフは、回路層１１２及び金属層１１３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。
【００６９】
また、図１０に示すように、ヒートシンク１４０（天板部１４１の基材層１４１Ａ）と金属層１１３（金属板１２３）との接合界面においては、金属層１１３（金属板１２３）及びヒートシンク１４０（天板部１４１の基材層１４１Ａ）に、Ａｇに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶している。なお、本実施形態では、添加元素としてＭｇが固溶している。
金属層１１３及びヒートシンク１４０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Ａｇ濃度及びＭｇ濃度が低下する濃度傾斜層１３３、１３４が形成されている。ここで、この濃度傾斜層１３３、１３４の接合界面側（金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍）のＡｇ濃度及びＭｇ濃度の合計が、０．０５質量％以上１０質量％以下の範囲内に設定されている。
なお、金属層１１３及びヒートシンク１４０の接合界面近傍のＡｇ濃度及びＭｇ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。また、図１０のグラフは、金属層１１３及びヒートシンク１４０（天板部１４１）の幅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。
【００７０】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法について説明する。
【００７１】
（Ｃｕ固着工程Ｓ１０１）
まず、図１２に示すように、回路層１１２となる金属板１２２の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第１Ｃｕ層１２４を形成するとともに、金属層１１３となる金属板１２３の一面に、スパッタリングによってＣｕを固着して第２Ｃｕ層１２５を形成する。なお、この第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５には、Ｃｕに加えてＳｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固着されており、本実施形態では、添加元素としてＭｇを用いている。
ここで、本実施形態では、第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５におけるＣｕ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上２．７ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。また、Ｍｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００７２】
（セラミックス基板積層工程Ｓ１０２）
次に、図１２に示すように、金属板１２２をセラミックス基板１１１の一方の面側に積層し、かつ、金属板１２３をセラミックス基板１１１の他方の面側に積層する。このとき、図１２に示すように、金属板１２２の第１Ｃｕ層１２４、金属板１２３の第２Ｃｕ層１２５が形成された面がセラミックス基板１１１を向くように、金属板１２２、１２３を積層する。すなわち、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１との間にそれぞれ第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５を介在させているのである。
【００７３】
（セラミックス基板加熱工程Ｓ１０３）
次に、金属板１２２、セラミックス基板１１１、金属板１２３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１２２、１２３とセラミックス基板１１１との界面にそれぞれ第一溶融金属領域、第二溶融金属領域を形成する。このとき、第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５のＣｕ及びＭｇが金属板１２２、１２３に向けて拡散し、金属板１２２、１２３の第１Ｃｕ層１２４、第２Ｃｕ層１２５近傍のＣｕ濃度及びＭｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成される。
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。
【００７４】
（第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程Ｓ１０４）
次に、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域中のＣｕ及びＭｇが、さらに金属板１２２、１２３側へと拡散していくことになる。これにより、第一溶融金属領域、第二溶融金属領域であった部分のＣｕ濃度及びＭｇ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と金属板１２２、１２３とが接合され、パワーモジュール用基板１１０が製出されることになる。
【００７５】
（Ａｇ層形成工程Ｓ１０５）
次に、金属層１１３の他方の面に、スパッタリングによってＡｇ及びＭｇを固着してＡｇ層１２６を形成する。ここで、本実施形態では、Ａｇ層１２６におけるＡｇ量は、０．０８ｍｇ／ｃｍ２以上５．４ｍｇ／ｃｍ２以下に設定され、Ｍｇ量は、０．０１ｍｇ／ｃｍ２以上１０ｍｇ／ｃｍ２以下に設定されている。
【００７６】
（ヒートシンク積層工程Ｓ１０６）
次に、図１３に示すように、パワーモジュール用基板１１０の金属層１１３の他方の面側に、ヒートシンク１４０を構成する天板部１４１、コルゲートフィン１４６、底板部１４５を積層する。このとき、天板部１４１の接合層１４１Ｂ及び底板部１４５の接合層１４５Ｂがコルゲートフィン１４６側を向くように、天板部１４１及び底板部１４５を積層する。また、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６との間には、例えば、ＫＡｌＦ４を主成分とするフラックス（図示なし）を介在させておく。
また、金属板１２３のＡｇ層１２６が形成された面が、ヒートシンク１４０の天板部１４１を向くように配置し、金属板１２３とヒートシンク１４０との間にＡｇ層１２６を介在させる。
【００７７】
（ヒートシンク加熱工程Ｓ１０７）
次に、積層されたパワーモジュール用基板１１０、天板部１４１、コルゲートフィン１４６及び底板部１４５を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で、雰囲気加熱炉内に装入して加熱し、金属板１２３とヒートシンク１４０の天板部１４１との間に溶融金属領域を形成する。このとき、Ａｇ層１２６のＡｇ及びＭｇが金属板１２３及び天板部１４１に向けて拡散し、Ａｇ層１２６近傍のＡｇ濃度及びＭｇ濃度が上昇して融点が低くなることにより、溶融金属領域が形成される。
また、同時に、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６との間にも、接合層１４１Ｂ、１４５Ｂを溶融させた溶融金属層を形成する。
ここで、本実施形態では、雰囲気加熱炉内は、窒素ガス雰囲気とされており、加熱温度は５５０℃以上６３０℃以下の範囲内に設定している。
【００７８】
（溶融金属凝固工程Ｓ１０８）
次に、溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持しておく。すると、溶融金属領域中のＡｇ及びＭｇが、さらに金属板１２３側及びヒートシンク１４０の天板部１４１側へと拡散していくことになる。これにより、溶融金属領域であった部分のＡｇ濃度及びＭｇ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していくことになる。つまり、ヒートシンク１４０の天板部１４１と金属板２２３とは、いわゆる拡散接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
【００７９】
また、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６の間に形成された溶融金属層が凝固することによって、天板部１４１とコルゲートフィン１４６、底板部１４５とコルゲートフィン１４６とがろう付けされることになる。このとき、天板部１４１、コルゲートフィン１４６、底板部１４５の表面には、酸化被膜が形成されているが、前述のフラックスによってこれらの酸化被膜が除去される。
【００８０】
このようにして、天板部１４１とコルゲートフィン１４６と底板部１４５とがろう付けされてヒートシンク１４０が形成されるとともに、このヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０とが接合されて本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００８１】
以上のような構成とされた本実施形態においては、回路層１１２及び金属層１１３に、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素としてＭｇが固溶されている。Ｍｇは、アルミニウムの融点を低下させるものであることから、比較的低温の条件下で、金属板１２２、１２３とセラミックス基板１１１とを接合することができる。
【００８２】
また、金属層１２３及びヒートシンク１４０の天板部１４１には、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素としてＭｇが固溶されている。Ｍｇは、Ｃｕよりもアルミニウムの強度を向上させる効果が小さいものであることから、ヒートシンク１４０と金属層１１３との接合強度が必要以上に高くならない。よって、冷熱サイクルを負荷した場合であっても、回路層１１２及び金属層１１３とセラミックス基板１１１との接合界面に大きなせん断力が作用することが抑制され、セラミックス基板１１１の割れを防止することができる。
【００８３】
また、ヒートシンク１４０を、フラックスを用いたろう付けによって形成する場合、窒素ガス雰囲気で５５０℃以上６３０℃以下の温度条件で接合することになるが、本実施形態では、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０との接合に、Ａｇ及びＭｇの拡散接合を利用しているので、前述のように、低温条件での接合及び窒素ガス雰囲気での接合が可能となる。よって、ヒートシンク１４０とパワーモジュール用基板１１０との接合と同時に、天板部１４１とコルゲートフィン１４６と底板部１４５とを、ろう付けによって接合してヒートシンク１４０を製出することができる。これにより、製造工程を省略することができ、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製作コストの削減を図ることができる。
【００８４】
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、回路層及び金属層を構成する金属板を純度９９．９９％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く、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）であってもよい。
また、セラミックス基板をＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ｓｉ３Ｎ４等の他のセラミックスで構成されていてもよい。
【００８５】
さらに、第２の実施形態においては、Ｃｕ固着工程で、ＣｕとともにＭｇを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上を用いても良い。
同様に、Ａｇ層形成工程で、ＡｇとともにＭｇを固着させるものとして説明したが、これに限定されることはない。添加元素として、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上を用いても良い。
【００８６】
さらに、Ａｇ層形成工程において、金属層となる金属板の他面にＡｇを固着させる構成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く、ヒートシンクの接合面にＡｇを固着させてもよいし、ヒートシンクの接合面及び金属板の他面に、それぞれＡｇを固着させてもよい。
また、Ａｇ層形成工程では、ペーストの塗布、スパッタによってＡｇ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、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているインクなどの塗布等でＡｇを固着させてもよい。
さらに、Ａｇ層形成工程において、ＡｇとともにＡｌを固着する構成としてもよい。
【００８７】
また、Ｃｕ固着工程において、金属板にＣｕを固着させる構成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く、セラミックス基板の接合面にＣｕを固着させてもよいし、セラミックス基板の接合面及び金属板の接合面に、それぞれＣｕを固着させてもよい。
また、Ｃｕ固着工程では、スパッタによってＣｕ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、コールドスプレー、又は、粉末が分散しているペースト又はインクなどの塗布等でＣｕを固着させてもよい。
さらに、Ｃｕ固着工程において、ＣｕとともにＡｌを固着する構成としてもよい。
【００８８】
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。
また、ヒートシンクと金属層との接合を、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雰囲気等でヒートシンクと金属層との接合を行ってもよい。
【００８９】
また、第２の実施形態において、天板部及び底板部が、基材層と接合層とを備えた積層アルミ材で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、コルゲートフィンを、例えばＡ３００３からなる芯材とこの芯材の両面にＡ４０４５からなる接合層とを備えたクラッド材で構成してもよい。この場合、天板部及び底板部は、単純なアルミニウム板を用いることができる。
【００９０】
また、天板部、コルゲートフィン、底板部の材質は、本実施形態に限定されることはない。
さらに、コルゲートフィンの形状等を含め、ヒートシンクの構造も本実施形態に限定されるものではない。
【００９１】
さらに、図１４に示すように、第二の金属板２１３を、複数の金属板２１３Ａ、２１３Ｂを積層した構造としてもよい。この場合、第二の金属板２１３のうち一方側（図１４において上側）に位置する金属板２１３Ａがセラミックス基板２１１に接合され、他方側（図１４において下側）に位置する金属板２１３Ｂがヒートシンク２４０の天板部２４１に接合されることになる。なお、図１４では、２枚の金属板２１３Ａ、２１３Ｂ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１４に示すように、積層する金属板同士の大きさ、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。
【実施例】
【００９２】
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。
５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板、あるいは、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．３２ｍｍのＡｌ２Ｏ３からなるセラミックス基板に、４７ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍの４Ｎアルミニウムからなる回路層と、４７ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍの４Ｎアルミニウム板及び５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．９ｍｍの４Ｎアルミニウム板を積層した金属層とを接合し、パワーモジュール用基板を作製した。
また、ヒートシンクとして６０ｍｍ×７０ｍｍ×５ｍｍのアルミニウム板を準備し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板とを接合した。
【００９３】
ここで、回路層及び金属層となる金属板（４Ｎアルミニウム）の接合面に、表１、２に示す元素を固着して、金属板とセラミックス基板とを積層して加圧加熱（温度：６５０℃、圧力：１２ｋｇｆ／ｃｍ２、時間：９０分）し、金属板とセラミックス基板とを接合した。
また、ヒートシンクの接合面に、表１に示す元素を固着して、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを積層して加圧加熱（温度：６１０℃、圧力：１２ｋｇｆ／ｃｍ２、時間：９０分）し、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合した。
【００９４】
このようにして得られたヒートシンク付パワーモジュール用基板に、冷熱サイクル（−４５℃〜２００℃）を２０００回繰り返した後、セラミックス基板の割れを評価した。なお、セラミックス基板の割れは、目視及び顕微鏡観察により、セラミックスにおける亀裂の有無で評価した。評価結果を表１、２に示す。
【００９５】
【表１】
【００９６】
【表２】
【００９７】
回路層及び金属層とセラミックス基板とをＣｕの拡散接合によって接合し、金属層とヒートシンクとをＣｕの拡散接合によって接合した場合には、セラミックス基板の割れが観察された。これは、ヒートシンクと金属層とが必要以上に強固に固定されているので、冷熱サイクルによってセラミックス基板と回路層及び金属層との接合界面に大きなせん断応力が作用したためと推測される。
これに対して、回路層及び金属層とセラミックス基板とをＣｕの拡散接合によって接合し、金属層とヒートシンクとをＡｇの拡散接合によって接合した場合には、セラミックス基板の割れが抑制されることが確認された。
【符号の説明】
【００９８】
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（第一の金属板）
１３、１１３、２１３ 金属層（第二の金属板）
４０、１４０、２４０ ヒートシンク
２４、１２４ 第１Ｃｕ層
２５、１２５ 第２Ｃｕ層
２６、１２６ Ａｇ層
２７ 第一溶融金属領域
２８ 第二溶融金属領域
２９ 溶融金属領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、
前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、
前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、
該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍には、Ｃｕが固溶されており、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍には、Ａｇが固溶されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍における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ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０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又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶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ヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記第一の金属板及び前記第二の金属板には、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶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ヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されてい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１から請求項６のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、
該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記セラミックス基板接合工程は、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程と、
前記第１Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、
積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、
この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程と、
前記Ａｇ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記Ａｇ層形成工程において、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項８に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｃｕ固着工程において、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１１】
前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１２】
前記Ａｇ層形成工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１３】
前記Ｃｕ固着工程においては、ＣｕとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１４】
前記Ａｇ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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Ａｇを固着させることを特徴とする請求項８から請求項１３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１５】
前記Ｃｕ固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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８から請求項１４のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１】
セラミックス基板と、
前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、
前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、
該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備え、
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍には、Ｃｕが固溶されており、
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍には、Ａｇが固溶されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
前記第一の金属板及び前記第二の金属板のうち前記セラミックス基板との接合界面近傍における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ことを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクの接合界面近傍におけるＡｇ濃度が０．０５質量％以上１０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又は請求項２に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項４】
前記第二の金属板及び前記ヒートシンクには、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶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ヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項５】
前記第一の金属板及び前記第二の金属板には、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素が固溶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ヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項６】
前記第二の金属板が、複数の金属板が積層されて構成されてい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１から請求項６のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、
該ヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の表面に一面が接合されたアルミニウムからなる第一の金属板と、前記セラミックス基板の裏面に一面が接合されたアルミニウムからなる第二の金属板と、該第二の金属板の前記セラミックス基板と接合された前記一面と反対側の他面に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるヒートシンクとを備えるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法であって、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板、及び、前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合するセラミックス基板接合工程と、
前記第二の金属板の他面に前記ヒートシンクを接合するヒートシンク接合工程と、を有し、
前記セラミックス基板接合工程は、
前記セラミックス基板と前記第一の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第一の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第１Ｃｕ層を形成するとともに、前記セラミックス基板と前記第二の金属板との接合界面における前記セラミックス基板の接合面と前記第二の金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＣｕを固着して第２Ｃｕ層を形成するＣｕ固着工程と、
前記第１Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第一の金属板とを積層するとともに、前記第２Ｃｕ層を介して前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層するセラミックス基板積層工程と、
積層された前記第一の金属板と前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第一の金属板と前記セラミックス基板との界面及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板との界面に、第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を形成するセラミックス基板加熱工程と、
この第一溶融金属領域及び第二溶融金属領域を凝固させることによって、前記第一の金属板と前記セラミックス基板及び前記セラミックス基板と前記第二の金属板とを接合する第一溶融金属及び第二溶融金属凝固工程と、を有し、
前記ヒートシンク接合工程は、
前記第二の金属板の他面と前記ヒートシンクの接合面のうち少なくとも一方にＡｇを固着してＡｇ層を形成するＡｇ層形成工程と、
前記Ａｇ層を介して前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層するヒートシンク積層工程と、
積層された前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを積層方向に加圧するとともに加熱し、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとの界面に溶融金属領域を形成するヒートシンク加熱工程と、
この溶融金属領域を凝固させることによって、前記第二の金属板と前記ヒートシンクとを接合する溶融金属凝固工程と、を有することを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項９】
前記Ａｇ層形成工程において、Ａｇに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項８に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｃｕ固着工程において、Ｃｕに加えて、Ｓｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ及びＬｉから選択される１種又は２種以上の添加元素を固着することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１１】
前記セラミックス基板接合工程と、前記ヒートシンク接合工程と、を同時に行うことを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１２】
前記Ａｇ層形成工程では、ＡｇとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１３】
前記Ｃｕ固着工程においては、ＣｕとともにＡｌを固着させることを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１４】
前記Ａｇ層形成工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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Ａｇを固着させることを特徴とする請求項８から請求項１３のいずれか一項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項１５】
前記Ｃｕ固着工程は、めっき、蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング、コールドスプレー、又は、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８から請求項１４のいずれか一項に記載のヒートシンク付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】
【公開番号】特開２０１２−１６０６４１（Ｐ２０１２−１６０６４１Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６５９（Ｐ２０１１−２０６５９）
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【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２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【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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